1、2.3氣體放電中等離子體的研究物理學(xué)院 121120038 韓天杰摘要：本文闡述了氣體放電中等離體子的特性及其測(cè)試方法，分別使用單探針?lè)ê碗p探針?lè)y(cè)量了等離子體參量，最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：等離子體 氣體放電 等離子體診斷 探針?lè)‥xperiment on the Plasma in gas dischargeHan Tianjie，121120038，School of physicsAbstract：This paper expounds the characteristics and test methods of the plasma in the discharging ga

2、s medium in vitro, and the plasma parameter is measured by single probe and double probe. Then the result is used to be discussed.Key Words: plasma , gas discharge, plasma diagnostic, probe method1. 引言等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)等離子體的研究是從氣體放電開始的。朗繆爾和湯克斯首先引入“等離子體”這個(gè)名稱。近年來(lái)等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展，并被應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金

3、屬加工和廣播通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控?zé)岷朔磻?yīng)，解決能源問(wèn)題提供了誘人的前景。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1了解氣體放電中等離子體的特性。2.2利用等離子體診斷技術(shù)測(cè)定等離子體的一些基本參量。3. 實(shí)驗(yàn)原理3.1等離子體及其物理特性等離子體(又稱等離子區(qū))定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。也就是說(shuō)，其中正負(fù)電荷密度相等，整體上呈現(xiàn)電中性。等離子體可分為等溫等離子體和不等溫等離子體，一般氣體放電產(chǎn)生的等離子體屬不等溫等離子體。等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。（2）帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾

4、乎相等。（3）宏觀上是電中性的。雖然等離子體宏觀上是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，等離子體局部會(huì)偏離電中性。電荷之間的庫(kù)侖相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無(wú)限擴(kuò)大，最終使電中性得以恢復(fù)。偏離電中性的區(qū)域最大尺度稱為德拜長(zhǎng)度D。當(dāng)系統(tǒng)尺度LD時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)電中性，當(dāng)LD時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。3.2等離子體的主要參量描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度e。它是等離子體的一個(gè)主要參量，因?yàn)樵诘入x子體中電子碰撞電離是主要的，而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系，即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。（2）帶電粒子密度。電子密度為e，正離子密度為i，在等離子體中ei。（3）軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。表征為維持等離子

5、體的存在所需的能量。（4）電子平均動(dòng)能e。（5）空間電位分布。此外，由于等離子體中帶電粒子間的相互作用是長(zhǎng)程的庫(kù)侖力，使它們?cè)跓o(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運(yùn)動(dòng)，如等離子振蕩，其振蕩頻率Fp稱為朗繆爾頻率或等離子體頻率。電子振蕩時(shí)輻射的電磁波稱為等離子體電磁輻射。3.3稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電本實(shí)驗(yàn)研究的是輝光放電等離子體。輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在112P時(shí)，在兩電極上加高電壓，就能觀察到管內(nèi)有放電現(xiàn)象。輝光分為明暗相間的8個(gè)區(qū)域，在管內(nèi)兩個(gè)電極間的光強(qiáng)、電位和場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2.3-1所示。8個(gè)區(qū)域的名稱為（1）阿斯頓區(qū)，（2）陰極輝區(qū)，（3）陰極暗區(qū)，（4）

6、負(fù)輝區(qū)，（5）法拉第暗區(qū)，（6）正輝區(qū)(即正輝柱)，（7）陽(yáng)極暗區(qū)，（8）陽(yáng)極輝區(qū)。正輝區(qū)是我們感興趣的等離子區(qū)。其特征是：氣體高度電離；電場(chǎng)強(qiáng)度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其中帶電粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)勝過(guò)它們的定向運(yùn)動(dòng)。所以它們基本上遵從麥克斯韋速度分布律。由其具體分布可得到一個(gè)相應(yīng)的溫度，即電子溫度。但是，由于電子質(zhì)量小，它在跟離子或原子作彈性碰撞時(shí)能量損失很小，所以電子的平均動(dòng)能比其他粒子的大得多。這是一種非平衡狀態(tài)。因此，雖然電子溫度很高（約為15），但放電氣體的整體溫度并不明顯升高，放電管的玻璃壁并不軟化。      

7、60;                      3.4等離子體診斷測(cè)試等離子體的方法被稱為診斷，它是等離子體物理實(shí)驗(yàn)的重要部分。等離子體診斷有（1）探針?lè)ǎ?）霍爾效應(yīng)法，（3）微波法，（4）光譜法，等等。下面介紹前兩種方法。（1）探針?lè)āＬ结樂(lè)y(cè)定等離子體參量是朗繆爾提出的，又稱朗繆爾探針?lè)ā７謫翁结樂(lè)ê碗p探針?lè)ā?#160;    

8、0;                       單探針?lè)āＬ结樖欠馊氲入x子體中的一個(gè)小的金屬電極(其形狀可以是平板形、圓柱形、球形)，其接法如圖2.3-2所示。以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位，測(cè)出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針?lè)蔡匦郧€，如圖2.3-3所示。對(duì)此曲線的解釋為：在段，探針的負(fù)電位很大，電子受負(fù)電位的拒斥，而速度很慢的正離子

9、被吸向探針，在探針周圍形成正離子構(gòu)成的空間電荷層，即所謂“正離子鞘”，它把探針電場(chǎng)屏蔽起來(lái)。等離子區(qū)中的正離子只能靠熱運(yùn)動(dòng)穿過(guò)鞘層抵達(dá)探針，形成探針電流，所以段為正離子流，這個(gè)電流很小。過(guò)了點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場(chǎng)對(duì)電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克服電場(chǎng)拒斥作用，抵達(dá)探極，這些電子形成的電流抵消了部分正離子流，使探針電流逐漸下降，所以段為正離子流加電子流。到了點(diǎn)，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時(shí)探針電位就是懸浮電位F。繼續(xù)減小探極電位絕對(duì)值，到達(dá)探極電子數(shù)比正離子數(shù)多得多，探極電流轉(zhuǎn)為正向，并且迅速增大，所以段為電子流加離子流，以電子流為主。當(dāng)探極電位P和等離

10、子體的空間電位s相等時(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能到達(dá)探極，這對(duì)應(yīng)于曲線上的點(diǎn)。此后電流達(dá)到飽和。如果P進(jìn)一步升高，探極周圍的氣體也被電離，使探極電流又迅速增大，甚至燒毀探針。由單探針?lè)ǖ玫降姆蔡匦郧€，可求得等離子體的一些主要參量。對(duì)于曲線的段，由于電子受到減速電位（P）的作用，只有能量比（P）大的那部分電子能夠到達(dá)探針。假定等離子區(qū)內(nèi)電子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場(chǎng)中靠近探針表面處的電子密度e，按玻耳茲曼分布應(yīng)為 （2.3-1）式中0為等離子區(qū)中的電子密度，e為等離子區(qū)中的電子溫度，為玻耳茲曼常數(shù)。在電子平均速度為時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)落到表面積為的探針上的電子數(shù)為： 

11、0;                                               （2.3-2）將（2.3-1）式

12、代入（2.3-2）式得探針上的電子電流：                               （2.3-3）其中               

13、                                 （2.3-4） 對(duì)（2.3-3）式取對(duì)數(shù)其中故 （2.3-5）可見電子電流的對(duì)數(shù)和探針電位呈線性關(guān)系。作半對(duì)數(shù)曲線，如圖2.3-4所示，由直線部分的斜率，可決定電子溫度：   

14、;                        （2.3-6）若取以1為底的對(duì)數(shù)，則常數(shù)11應(yīng)改為5040。電子平均動(dòng)能e和平均速度分別為： (2.3-7) （2.3-8）式中e為電子質(zhì)量。由（2.3-4）式可求得等離子區(qū)中的電子密度： （2.3-9）式中I0為P時(shí)的電子電流，為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。雙探針?lè)ā翁结樂(lè)ㄓ幸欢ǖ木窒扌裕驗(yàn)樘结樀碾?/p>

15、位要以放電管的陽(yáng)極或陰極電位作為參考點(diǎn)，而且一部分放電電流會(huì)對(duì)探極電流有所貢獻(xiàn)，造成探極電流過(guò)大和特性曲線失真。雙探針?lè)ㄊ窃诜烹姽苤醒b兩根探針，相隔一段距離L。雙探針?lè)ǖ姆蔡匦郧€如圖2.3-5 所示。熟悉了單探針?lè)ǖ睦碚摵螅瑢?duì)雙探針的特性曲線是不難理解的。在坐標(biāo)原點(diǎn)，如果兩根探針之間沒(méi)有電位差，它們各自得到的電流相等，所以外電流為零。然而，一般說(shuō)來(lái)，由于兩個(gè)探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同，所以外加電壓為零時(shí)，電流不是零。隨著外加電壓逐步增加，電流趨于飽和。最大電流是飽和離子電流is1、is2。雙探針?lè)ㄓ幸粋€(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即流到系統(tǒng)的總電流決不可能大于飽和離子電流。這是因?yàn)榱鞯较到y(tǒng)的電子電流總

16、是與相等的離子電流平衡。從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。由雙探針特性曲線，通過(guò)下式可求得電子溫度： （2.3-10）式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數(shù)，ii1和ii2為流到探針1和2的正離子電流。它們由飽和離子流確定。是附近伏安特性曲線斜率。電子密度e為： （2.3-11）式中是放電管所充氣體的離子質(zhì)量，是兩根探針的平均表面面積。is是正離子飽和電流。由雙探針?lè)蓽y(cè)定等離子體內(nèi)的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度L。一種方法是分別測(cè)定兩根探針?biāo)谔幍牡入x子體電位1和2，由下式得 （2.3-12）式中l(wèi)為兩探針間距。另一種方法稱為補(bǔ)償法，接線如圖2.3-6所示。當(dāng)電流表上的讀數(shù)為零時(shí)，伏特表上的電位差除以探針間距L，也

17、可得到L。4. 實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)用等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀(以下簡(jiǎn)稱組合儀)、接線板和等離子體放電管。放電管的陽(yáng)極和陰極由不銹鋼片制成，霍爾電極(平行板)用不銹鋼片或鎳片制成。管內(nèi)充汞或氬。霍爾效應(yīng)法測(cè)量時(shí)外加一對(duì)亥姆霍茲線圈。有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下，探針面積，0.45探針軸向間距放電管內(nèi)徑（氣體放電柱直徑要稍小些，通常取）平行板面積：×（）平行板間距：亥姆霍茲線圈直徑：亥姆霍茲線圈間距：亥姆霍茲線圈匝數(shù)，匝(單只)組合儀和接線板的用法參看該儀器使用說(shuō)明書。還可以配-函數(shù)記錄儀，或者用電腦化X-Y記錄儀，自動(dòng)描出伏安特性曲線。5. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1單探針?lè)y(cè)等離子體參量進(jìn)行單探針?lè)ㄔ\斷實(shí)驗(yàn)可用

18、三種方法：一種方法是逐點(diǎn)改變探針電位,記錄探針電位和相應(yīng)的探針電流數(shù)值，然后在直角坐標(biāo)紙和半對(duì)數(shù)紙上繪出單探針?lè)蔡匦郧€。另一種方法用-函數(shù)記錄儀直接記錄探針電位和探針電流，自動(dòng)描繪出伏安特性曲線。第三種方法是電腦化-記錄儀和等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件，測(cè)量伏安特性曲線，算出等離子體參量。單探針?lè)▽?shí)驗(yàn)原理圖如圖2.3-8所示。用-函數(shù)記錄儀測(cè)量按圖2.3-10接線路，接通儀器主機(jī)總電源、測(cè)試單元電源、探針單元電源和放電單元電源。按前述方法使放電管放電，將放電電流調(diào)到需要值。接通-函數(shù)記錄儀電源，選擇合適的量程。在接線板上選擇合適的電阻。將選擇開關(guān)置“自動(dòng)”，則探針電壓輸出掃描電壓，當(dāng)需要回零時(shí)

19、，按“清零”按鈕，電壓又從零開始掃描。讓函數(shù)記錄儀自動(dòng)記錄單探針的-特性曲線。由于等離子體電位在幾分鐘內(nèi)可能有的漂移，逐點(diǎn)法測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)使得到的曲線失真，而用-記錄儀測(cè)量比較快，所以，可得到比逐點(diǎn)法好的曲線。由逐點(diǎn)記錄和自動(dòng)描繪的伏安特性曲線上求出電子溫度、電子密度、平均動(dòng)能。用電腦化-記錄儀測(cè)量線路與圖2.3-10基本相同，只不過(guò)用電腦化-記錄儀代替普通的函數(shù)記錄儀，微機(jī)內(nèi)已安裝數(shù)據(jù)采集軟件以及等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件，這些軟件的使用方法請(qǐng)參閱儀器使用說(shuō)明書，或者軟件的在線幫助。接好線路并檢查無(wú)誤后，使放電管放電，啟動(dòng)微機(jī)，運(yùn)行電腦化-記錄儀數(shù)據(jù)采集軟件，仿照步驟（），隨著探針電位自動(dòng)掃

20、描，電腦自動(dòng)描出-特性曲線，將數(shù)據(jù)保存。運(yùn)行等離子體實(shí)驗(yàn)輔助分析軟件，將數(shù)據(jù)文件打開,進(jìn)行處理，求得電子溫度等主要參量。5.2雙探針?lè)ㄓ弥瘘c(diǎn)記錄法和自動(dòng)記錄法測(cè)出雙探針?lè)蔡匦郧€，求e和e。雙探針?lè)▽?shí)驗(yàn)原理圖如圖2.3-11所示。實(shí)驗(yàn)方法與單探針?lè)ㄏ嗤瑯涌捎弥瘘c(diǎn)記錄和用-函數(shù)記錄儀測(cè)量，接線圖如圖2.3-12和2.3-13所示。值得注意的是雙探針?lè)ㄌ结橂娏鞅葐翁结樞蓚€(gè)數(shù)量級(jí)，故要合理選擇儀表量程。6. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄與分析6.1用單探針?lè)y(cè)量等離子體參量連線示意圖如下：在本次測(cè)試過(guò)程中，取樣電阻值為1000，放電電流為60mA。本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果探針直徑(

21、mm)： 0.45U0= 26.92 V探針軸向間距(mm)： 30.00I0 =7517.27 uA放電管內(nèi)徑(mm)： 6.00tg= 1.33平行板面積(mm2)： 8.00Te = 8.70E+003 K平行板間距(mm)： 4.00Ve = 5.79E+005 m/s亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00Ne = 2.04E+018 n/m3亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00Ee = 1.80E-019 J亥姆霍茲線圈匝數(shù)： 400放電電流(mA)： 90單探針序號(hào)： 1取樣電阻值()： 1000下面計(jì)Origin8.0繪制的lnI-Up圖像：利用Origin8.0的數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)

22、，可以得到曲線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)。取兩點(diǎn)（22783.5，ln29.4）、（23419.8,ln59.1）進(jìn)行計(jì)算，得到 根據(jù)圖像取點(diǎn)計(jì)算得出的結(jié)果基本和計(jì)算機(jī)得到的結(jié)果一致，但 的計(jì)算出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)上的偏差，在計(jì)算時(shí)I0取為計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果7517.27微安，而根據(jù)目測(cè)結(jié)果I0大致可以取在8100微安以上，以及值偏小，導(dǎo)致Te偏大，從而電子平均速度偏大，從而導(dǎo)致偏小。這些原因都有可能導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的誤差，所幸誤差只在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，但是非常遺憾，實(shí)驗(yàn)中未能精確找到出現(xiàn)誤差的原因。6.2用雙探針?lè)y(cè)量等離子體參量實(shí)驗(yàn)圖像如下：在本次測(cè)量過(guò)程中，取樣電阻值為1000，放電電流為90mA。其他的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

23、與單探針情況下是一樣的。從計(jì)算機(jī)截圖來(lái)看，本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：I1 = 515.58 uAI2 = 406.90 uAtg= 2.0E-004Te = 1.29E+004 KNe = 2.20E+017 n/m3可見單探針與雙探針的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析單探針?lè)ㄏ啾入p探針?lè)ㄓ幸欢ǖ木窒扌裕驗(yàn)樘结樀碾娢灰苑烹姽艿年帢O或陽(yáng)極作為參考點(diǎn)，所以一部分放電電流會(huì)對(duì)探針電流有所貢獻(xiàn)，造成探針電流偏大。而雙探針?lè)ǎ鞯较到y(tǒng)的電子電流總是和相等的離子電流平衡，從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。7. 實(shí)驗(yàn)討論和小結(jié)7.1比較單探針和雙探針?lè)ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)。答：雙探針?lè)ㄅc單探針?lè)ㄏ啾鹊膬?yōu)點(diǎn)是：A流到探針

24、的總電流決不可能大于飽和離子電流，從而探針對(duì)等離子體的干擾大為減小。B另外雙探針?lè)ú恍枰獏⒖茧娢唬芊烹娤到y(tǒng)接地情況的影響較小。單探針?lè)ㄅc雙探針?lè)ㄏ啾鹊膬?yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)翁结樂(lè)梢酝ㄟ^(guò)I-U曲線得到懸浮電位F及空間電位S，而雙探針?lè)ú荒堋?7.2探針?lè)▽?duì)探針有什么要求?答：對(duì)探針的一般要求是：1）電子和離子打到探針表面后被完全吸收，不會(huì)發(fā)生次級(jí)電子發(fā)射。2）探針熔點(diǎn)較高，不會(huì)在放電過(guò)程中熔化。3）探針不會(huì)與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4）探針的線度適中：既要明顯大于其表面的正離子鞘層的厚度，以減少正離子鞘層的厚度在測(cè)量過(guò)程中的變化造成的影響；又要小于離子和電子的自由程，減小對(duì)等離子體的干擾。7.3實(shí)驗(yàn)誤差的來(lái)源及改進(jìn)措施。答：A離子鞘層的厚度隨P增大而改變，造成探針等效表面積改變，從而使到達(dá)探針表面的電子數(shù)偏離理論值。B當(dāng)探極電位P接近等離子體的空間電位S時(shí)，由于探針的邊緣效應(yīng)，事實(shí)上離子鞘層的厚度隨P增大而增大，其結(jié)果是探針等效表面積增大，探針電流也持續(xù)增大，在本實(shí)驗(yàn)條件下不能達(dá)到飽和。8. 實(shí)驗(yàn)思考題8.1氣體放電中的等離子體有什么特性？等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容；（2）帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等；（3）宏觀上是電中性的。雖然等離子體宏觀上是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，等離子體局部會(huì)偏離電中性。電荷之