輝光放電完整

得分教師簽名批改日期深圳大學(xué)實驗報告課程名稱：近代物理實驗實驗名稱：輝光放電等離子體診斷學(xué)院：物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院組號指導(dǎo)教師：報告人：學(xué)號：實驗地點實驗時間：實驗報告提交時間：實驗設(shè)計方案1）實驗?zāi)康?、了解等離子體的性質(zhì)2采用langmuir雙探針測量等離子體參數(shù)2）實驗原理1、等離子體參數(shù)a:等離子體密度：單位體積內(nèi)（一般以立方厘米為單位）某帶電粒子的數(shù)目。ni表示離子濃度，ne表示電子密度。b:等離子體溫度：對于平衡態(tài)等離子體（高溫等離子體）溫度是各種粒子熱運動的平均量度；對于非平衡態(tài)等離子體（低溫等離子體），由于電子、離子可以達(dá)到各自的平衡態(tài)，故要用雙溫模型予以描述。一般用Ti表示離子溫度，Te表示電子溫度。c:等離子體頻率：表示等離子體對電中性破壞的反應(yīng)快慢，是等離子體震蕩這種集體效應(yīng)的頻率。粒子震蕩頻率：電子震蕩頻率：d:德拜長度：等離子體內(nèi)電荷被屏蔽的半徑，表示等離子體內(nèi)能保持的最小尺度。當(dāng)電荷正負(fù)電荷置于等離子體內(nèi)部時就會在其周圍形成一個異號電荷的“鞘層”。德拜長度：2、等離子體參數(shù)的靜電探針診斷原理

圖8、等離子體探針原理

圖9、單探針法

圖10、雙探針法假設(shè)：(1)、被測空間是電中性的等離子體空間，電子密度ne和離子濃度ni相等，電子與離子的速度滿足麥克斯韋速度分布；

(2)、探針周圍形成的空間電荷鞘層厚度比探針面積的線度小，這樣可忽略邊緣效應(yīng)，近似認(rèn)為鞘層和探針的面積相等；

(3)、電子和正離子的平均自由程比鞘層厚度大，這樣可忽略鞘層中粒子碰撞引起的彈性散射、粒子激發(fā)和電離；

(4)、探針材料與氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

(5)、探針表面沒有熱電子和次級電子的發(fā)射。則：對于插入等離子體的單探針有：隨機(jī)電流：，

根據(jù)玻耳茲曼定理：電子密度

式中：Vp為探針電位，Vs為等離子體電位所以：探針電流而對于插入等離子體的雙探針有：設(shè)探針的面積分別為A1,A2；電位為V1,V2；電壓V=V1-V2≥0。流過探針1，2的離子和電子電流分別為：i1+，i1-，i2+，i2-。對雙探針整體為懸浮的故：則從2流入1的電流為：，

所以：故：大致I-V函數(shù)關(guān)系曲線見下圖：由此可知：電子溫度：等離子體密度：注：二、實驗內(nèi)容及具體步驟：1、在電極距離一定的情況下，采用Langmuir雙探針測量三組探針I(yè)-V變化數(shù)據(jù)，其中前兩組為直流功率一定，不同氣體，后兩組為氣壓一定，不同功率。將所得數(shù)據(jù)添入表1。2、繪制出I-V曲線。由曲線斜率根據(jù)上述公式計算出電子溫度和等離子體密度。例如：

圖12、實驗中雙探針曲線3、根據(jù)計算結(jié)果，分別分析功率和氣壓對等離子體參數(shù)的影響及影響機(jī)理。實驗步驟A、按照實驗內(nèi)容的要求，討論和制定最優(yōu)的實驗測量方案。B、根據(jù)實驗原理圖將雙探針與電流表和電壓表串聯(lián)。聯(lián)接好實驗線路。C、插上總電源線，接通總電源開關(guān)。打開總電源。D、關(guān)閉進(jìn)氣氣源流量計旋鈕，打開隔膜閥，并依次打開冷卻水開關(guān)，真空泵電源開關(guān)，抽取本底真空，真空泵工作約5分鐘后接通電阻真空計電源，測量放電管內(nèi)真空。E、調(diào)節(jié)氣源流量至適當(dāng)值，同時通過調(diào)節(jié)隔膜閥和微調(diào)閥流量，將氣壓穩(wěn)定在所需工作氣壓P，將工作選擇打到輝光放電測量，緩慢調(diào)節(jié)高壓，調(diào)節(jié)電壓到所需功率。F、打開探針電壓，緩慢調(diào)節(jié)電壓，根據(jù)電流值大小，改變電流測量量程，并依次記錄下V—I關(guān)系數(shù)據(jù)。G、將探針電壓調(diào)為零，并關(guān)閉探針電壓，將探針電源輸出線反過來與探針電流表和探針電壓表串聯(lián)H、重復(fù)上述過程依次記錄I-V關(guān)系數(shù)據(jù)I、在其它直流功率和氣壓下重復(fù)上述過程。實驗儀器及其具體參數(shù)儀器結(jié)構(gòu)及說明

結(jié)構(gòu)說明：儀器采用的是一體化設(shè)計，頂部是放電管及水冷部分，高壓加在放電管兩端，外面采用聚四氟乙烯絕緣材料絕緣防止漏電，冷卻水通過兩端的循環(huán)水冷套對放電管進(jìn)行冷卻，放電管內(nèi)附兩組鎢絲，可利用等離子體診斷技術(shù)測定等離子體的一些基本參量。測量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系統(tǒng)安裝在機(jī)箱的內(nèi)部。操作面板配置說明DH2005輝光等離子體實驗裝置操作面板圖各操作部件名稱：

1、總電源開關(guān)

2、冷卻水電源開關(guān)

3、真空泵電源開關(guān)

4、電阻真空計開關(guān)

5、高壓電源開關(guān)

6、探針電源

7、高壓調(diào)節(jié)旋鈕

8、高真空微調(diào)閥

9、隔膜閥調(diào)節(jié)旋鈕

10、工作選擇開關(guān)

11、電流量程選擇開關(guān)

12、探針電壓調(diào)節(jié)電位器(粗調(diào))

13、探針電壓調(diào)節(jié)電位器（細(xì)調(diào)）

14、放電管電壓測量表

15、輝光電流測量表

16、擊穿電壓測量表

17、暗電流測量表

18、探針電壓表

19、探針電流表

20、電阻真空計

21、轉(zhuǎn)子流量計

22、總電源指示燈各操作部件功能說明：

10、工作選擇開關(guān)：此功能開關(guān)共分“斷”、“輝光電流測量”、“暗電流測量”、“擊穿電壓測量”共四檔。斷：開關(guān)在此位置時，放電管電壓表能顯示電壓輸出值，在放電管電極兩端沒有電壓。輝光電流測量：即產(chǎn)生輝光放電后的電流測量。擊穿電壓測量：其原理是當(dāng)放電管中的電流增大導(dǎo)致氣體擊穿時，在內(nèi)部取樣電阻上的電壓增大，導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，此時電壓表顯示的是二極管的導(dǎo)通電位值。暗電流測量：通常暗放電電流在10-12～10-7,采用的是通過電壓求電流。取樣電阻是1MΩ。

11、量程選擇開關(guān)：分為0.2mA、2mA、20mA、200mA、2A共5檔。儀器主要配置及組成DH2005直流輝光等離子體實驗裝置包括可拆卸的氣體放電管、測量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等部分組成，具有結(jié)構(gòu)合理、調(diào)節(jié)方面、測量參數(shù)多等特點。氣體放電管:采用G17號料玻璃燒結(jié)而成,內(nèi)附兩組鎢絲探針。及兩邊采用不銹鋼材料制成的水冷套及放電管固定托架。測量系統(tǒng)：包括輝光電壓表、輝光電流表、探針電壓表、探針電流表、擊穿電壓測量、暗電流測量輝光電壓表：三位半數(shù)顯，測量范圍是0～2000V，測量精度2%輝光電流測量：三位半數(shù)顯，測量范圍是0～2A，共分5檔，測量精度0.5%探針電壓表：三位半數(shù)顯，測量范圍：0～200V，測量精度0.5%探針電流表：三位半數(shù)顯，測量范圍：0～200mA，測量精度0.5%；擊穿電壓測量：三位半數(shù)顯，測量范圍：0～2V，測量精度0.5%；暗電流測量：三位半數(shù)顯，測量范圍：0～2V，測量精度0.5%測量系統(tǒng)包括兩組直流穩(wěn)壓電源，一組放電管工作電壓，調(diào)節(jié)范圍是0～1000V，采用變電器隔離整流濾波。另一組為探針測量電源，調(diào)節(jié)范圍是0～200V，穩(wěn)定度0.1%。真空系統(tǒng)：采用2XZ-2型旋片真空泵，對密封容器抽除氣體而獲得真空，真空的測量采用熱偶真空計，用于測量本底真空和工作時的工作氣壓。真空的密封采用金屬和橡膠密封；真空調(diào)節(jié)采用隔膜閥粗調(diào)和微調(diào)閥精細(xì)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)快速方便、穩(wěn)定性好。2XZ-2型旋片真空泵主要技術(shù)指標(biāo)：1）工作電壓：AC220V/50Hz

2）抽氣速率：2L/S3）極限壓力：6×10－1Pa

4）電機(jī)功率：0.37KW5）進(jìn)氣口內(nèi)徑：25mm

6）用油量：0.65L7）噪聲：72LwdB(A)進(jìn)氣系統(tǒng)：進(jìn)氣通過金屬管路聯(lián)接，可通入不同的工作氣體，通過轉(zhuǎn)子流量計控制氣體的流量，同時通過高真空微調(diào)閥調(diào)節(jié)，達(dá)到控制放電管中的工作壓強(qiáng)。水冷系統(tǒng):裝置自帶循環(huán)冷卻水，通過自帶水箱、水泵對整個系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)行循環(huán)，可保證系統(tǒng)正常運行對水溫的要求。對實驗室的水源無特別的要求。技術(shù)參數(shù)及特性1、工作電壓：

AC220V±5%

50HZ2、整機(jī)功率：

最大功率1.5KW4、整機(jī)重量：

約100Kg5、外形尺寸(mm)：

長1000×寬660×高12306、放電管內(nèi)徑：45mm7、放電管長度：100-180mm8、電極距離：70-120mm可調(diào)9、工作氣壓：10Pa-200Pa10、工作電壓：0V-1000V連續(xù)可調(diào)，電壓穩(wěn)定度1%11、放電電流：10-6A-0.5A可測12、探針工作電壓：0～200V，穩(wěn)定度0.1%13、探針電流測量范圍：0～200mA四、實驗思考1、暗放電區(qū)電流的測量應(yīng)注意什么問題？通常暗放電電流在10-12～10-7,所以采用的是通過電壓求電流。取樣電阻是1MΩ。2、陰極與陽極顯著的熱效應(yīng)差別的原因？陰極處聚集了陽電子，電子集中于陽極，由于電子的動能大，其溫度亦高，反之，正離子動能比電子低，故，陰極附近處溫度比陽極低。3、工作氣壓對輝光放電中的電壓-電流曲線有何影響？其影響機(jī)制是什么？隨著氣壓的增大，電流和電壓也會增大，故功率增大。影響機(jī)制：對不同氣壓下，電壓電流及離子體參數(shù)進(jìn)行比較指導(dǎo)教師批閱意見：成績評定：實驗設(shè)計方案40分實驗操作及數(shù)據(jù)記錄30分?jǐn)?shù)據(jù)處理及實驗結(jié)論15-20分實驗總結(jié)10-15分總分

不同條件下I-V關(guān)系數(shù)據(jù)電極距離：100mm750V*2.6mA500V*4mA570V*7mA功率2W氣壓20Pa功率2W氣壓40Pa功率

2W氣壓40Pa-100

-100

-100

-90

-90

-90

-80

-80

-80

-70

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-50

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