-.z.等離子體分析實驗報告摘要:本文闡述了氣體放電中等離子體的特性及其測試方法，分別使用單探針法和雙探針法測量了等離子體參量，并簡要介紹了等離子體的應用,最后對實驗結果進展討論。關鍵詞:等離子體、單探針、雙探針引言等離子體作為物質的第四態在宇宙中普遍存在。在實驗室中對等離子體的研究是從氣體放電開場的。朗繆爾和湯克斯首先引入"等離子體〞這個名稱。近年來等離子體物理學有了較快開展，并被應用于電力工業、電子工業、金屬加工和播送通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控熱核反響，解決能源問題提供了誘人的前景。〔二〕實驗目的1，了解氣體放電中等離子體的特性。2，利用等離子體診斷技術測定等離子體的一些根本參量。〔三〕實驗原理1，等離子體的物理特性等離子體定義為包含大量正負帶電粒子、而又不出現凈空間電荷的電離氣體。等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：〔1〕高度電離，是電和熱的良導體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。〔2〕帶正電的和帶負電的粒子密度幾乎相等。〔3〕宏觀上是電中性的。描述等離子體的一些主要參量為：〔1〕電子溫度。它是等離子體的一個主要參量，因為在等離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系，即與電子溫度相關聯。〔2〕帶電粒子密度。電子密度為，正離子密度為，在等離子體中。〔3〕軸向電場強度。表征為維持等離子體的存在所需的能量。〔4〕電子平均動能。〔5〕空間電位分布。本實驗研究的是輝光放電等離子體。輝光放電是氣體導電的一種形態。當放電管內的壓強保持在10～102Pa時，在兩電極上加高電壓，就能觀察到管內有放電現象。輝光分為明暗相間的8個區域，在管內兩個電極間的光強、電位和場強分布如圖一所示。8個區域的名稱為〔1〕阿斯頓區，〔2〕陰極輝區，〔3〕陰極暗區，〔4〕負輝區，〔5〕法拉第暗區，〔6〕正輝區，〔7〕陽極暗區，〔8〕陽極輝區。其中正輝區是等離子區。輝光放電的光強、電位和場強分布2，單探針與雙探針法的測量原理測試等離子體的方法被稱為診斷。等離子體診斷有探針法，霍爾效應法，微波法，光譜法等。本次實驗中采用探針法。探針法分單探針法和雙探針法。〔1〕單探針法。探針是封入等離子體中的一個小的金屬電極〔其形狀可以是平板形、圓柱形、球形〕。以放電管的陽極或陰極作為參考點，改變探針電位，測出相應的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關系，即探針伏安特性曲線，如下列圖所示。對此曲線的解釋為：單探針伏安特性在ＡＢ段，探針的負電位很大，電子受負電位的排斥，而速度很慢的正離子被吸向探針，在探針周圍形成正離子構成的空間電荷層，它把探針電場屏蔽起來。等離子區中的正離子只能靠熱運動穿過鞘層抵達探針，形成探針電流，所以ＡＢ段為正離子流，這個電流很小。過了Ｂ點，隨著探針負電位減小，電場對電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克制電場拒斥作用，抵達探極，這些電子形成的電流抵消了局部正離子流，使探針電流逐漸下降，所以ＢＣ段為正離子流加電子流。到了Ｃ點，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時探針電位就是懸浮電位ＵF。繼續減小探極電位絕對值，到達探極電子數比正離子數多得多，探極電流轉為正向，并且迅速增大，所以ＣＤ段為電子流加離子流，以電子流為主。當探極電位ＵP和等離子體的空間電位ＵS相等時，正離子鞘消失，全部電子都能到達探極，這對應于曲線上的Ｄ點。此后電流到達飽和。如果ＵP進一步升高，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。由單探針法得到的伏安特性曲線，可求得等離子體的一些主要參量。對于曲線的ＣＤ段，由于電子受到減速電位(ＵP-ＵS)的作用，只有能量比ｅ(ＵP-ＵS)大的那局部電子能夠到達探針。假定等離子區內電子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場中靠近探針外表處的電子密度ｎe，按玻耳茲曼分布應為(1)式中ｎo為等離子區中的電子密度，Ｔe為等離子區中的電子溫度，ｋ為玻耳茲曼常數。在電子平均速度為ve時，在單位時間內落到外表積為Ｓ的探針上的電子數為：(2)將(1)式代入(2)式得探針上的電子電流：(3)

其中(4)對(3)式取對數(5)

其中故(6)

可見電子電流的對數和探針電位呈線性關系。單探針的半對數曲線作半對數曲線，如上圖所示，由直線局部的斜率，可決定電子溫度：(7)

假設取以10為底的對數，則常數11600應改為5040。電子平均動能和平均速度分別為：(8)(9)式中為電子質量。由(4)式可求得等離子區中的電子密度：(10)

式中I0為ＵP＝Ｕｓ時的電子電流，Ｓ為探針裸露在等離子區中的外表面積。〔2〕雙探針法。單探針法有一定的局限性，因為探針的電位要以放電管的陽極或陰極點位作為參考點，而且一局部放電電流對探極電流有所奉獻，造成探極電流過大和特性曲線失真。雙探針法是在放電管中裝兩根探針，相隔一段距離L。雙探針法的伏安特性曲線如圖4所示。在坐標原點，如果兩根探針之間沒有電位差，它們各自得到的電流相等，所以外電流為零。然而，一般說來，由于兩個探針所在的等離子體電位稍有不同，所以外加電壓為零時，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。雙探針伏安特性雙探針法有一個重要的優點，即流到系統的總電流決不可能大于飽和離子電流。這是因為流到系統的電子電流總是與相等的離子電流平衡。從而探針對等離子體的干擾大為減小。由雙探針特性曲線，通過下式可求得電子溫度：(11)式中為電子電荷，為玻耳茲曼常數，，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。電子密度為：(12)

式中是放電管所充氣體的離子質量，是兩根探針的平均外表面積。是正離子飽和電流。〔四〕實驗儀器本實驗用等離子體物理實驗組合儀、接線板和等離子體放電管。放電管的陽極和陰極由不銹鋼片制成。相關的試驗參數如下：探針直徑(mm)：0.45亥姆霍茲線圈直徑(mm)：200.00探針軸向間距(mm)：30.00亥姆霍茲線圈間距(mm)：100.00放電管內徑(mm)：6.00亥姆霍茲線圈匝數：400平行板面積(mm^2)：8.00放電電流(mA)：90平行板間距(mm)：4.00取樣電阻值(Ω)：1000〔五〕實驗內容1，單探針法測等離子體參量本實驗我們采用的是電腦化*-Y函數記錄儀直接記錄探針電位和探針電流，自動繪出伏安特性曲線，并使用等離子體實驗輔助分析軟件算出等離子體參量。儀器聯線如下圖。單探針法實驗接線圖〔逐點記錄〕測量時電阻設為1000Ω，電流設為90mA,軟件自動測量的結果如下U0=27.26VtgΦ=1.27I0=5076.97uATe=9.13E+003KVe=5.93E+005m/sNe=1.34E+018n/m^3Ee=1.89E-019J伏安特性曲線如下2，雙探針法測量等離子體參量儀器聯線如下列圖所示。雙探針法實驗接線圖測量時采樣電阻設定為1000Ω，放電電流設定為90mA。軟件自動計算的測量結果如下：I1=506.85uAtgΦ=1.0E-004I2=413.78uATe=2.62E+004KNe=1.54E+017n/m^3由于實際實驗中和并不能到達飽和，因此對實驗數據處理時是在曲線兩邊各取一點做該點切線交于電壓為零所對應的直線，交點的數值分別取為和。伏安特性曲線如下可見單探針法與雙探針法測出的數據在數量級上是一致的。〔六〕思考題〔1〕氣體放電中的等離子體有什么特性？1.高度電離，是電和熱的良導體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。2.帶正電和帶負電的粒子密度幾乎相等。3．宏觀為電中性4.有輝光特性，電子的平均動能遠大于其他粒子，處于非平衡狀態〔2〕等離子體有哪些主要參量？1.電子溫度2.帶點粒子密度，電子密度，正離子密度軸向電場強度電子平均動能5.空間點位分布〔3〕探針法對探針有什么要求"1．電子和離子打到探針外表后被完全吸收，不會發生次級電子發射。2．探針熔點要較高，保證其不會在放電過程中熔化。3．探針不與等離子體發生化學反響。4．探針的線度適中：小于離子和電子的自由程，減