等离子体实验报告.doc

等离子体分析实验报告摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体得特性及其测试方法,分别使用单探针法与双探针法测量了等离子体参量,并简要介绍了等离子体得应用,最后对实验结果进行讨论。关键词:等离子体、单探针、双探针(一) 引言等离子体作为物质得第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体得研究就是从气体放电开始得。朗缪尔与汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展,并被应用于电力工业、电子工业、金属加工与广播通讯等部门，特别就是等离子体得研究,为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人得前景。（二）实验目得 ,了解气体放电中等离子体得特性。 2,利用等离子体诊断技术测定等离子体得一些基本参量。(三)实验原理 ,等离子体得物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷得电离气体。等离子体有一系列不同于普通气体得特性:()高度电离，就是电与热得良导体,具有比普通气体大几百倍得比热容。（)带正电得与带负电得粒子密度几乎相等。（)宏观上就是电中性得。描述等离子体得一些主要参量为:（1)电子温度。它就是等离子体得一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离就是主要得，而电子碰撞电离与电子得能量有直接关系,即与电子温度相关联。（2）带电粒子密度。电子密度为,正离子密度为,在等离子体中。(3）轴向电场强度。表征为维持等离子体得存在所需得能量。（4)电子平均动能。(5)空间电位分布。本实验研究得就是辉光放电等离子体。辉光放电就是气体导电得一种形态。当放电管内得压强保持在0102a时,在两电极上加高电压,就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间得8个区域，在管内两个电极间得光强、电位与场强分布如图一所示。8个区域得名称为（1)阿斯顿区，（)阴极辉区,(3）阴极暗区,(4)负辉区,(5）法拉第暗区，()正辉区,(7)阳极暗区,（8)阳极辉区。其中正辉区就是等离子区。辉光放电得光强、电位与场强分布2，单探针与双探针法得测量原理测试等离子体得方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法,霍尔效应法，微波法,光谱法等。本次实验中采用探针法。探针法分单探针法与双探针法。（)单探针法。探针就是封入等离子体中得一个小得金属电极(其形状可以就是平板形、圆柱形、球形)。以放电管得阳极或阴极作为参考点,改变探针电位,测出相应得探针电流,得到探针电流与其电位之间得关系,即探针伏安特性曲线,如下图所示。对此曲线得解释为： 单探针伏安特性在A段，探针得负电位很大,电子受负电位得排斥,而速度很慢得正离子被吸向探针,在探针周围形成正离子构成得空间电荷层,它把探针电场屏蔽起来。等离子区中得正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针,形成探针电流,所以AB段为正离子流,这个电流很小。过了B点,随着探针负电位减小,电场对电子得拒斥作用减弱，使一些快速电子能够克服电场拒斥作用,抵达探极,这些电子形成得电流抵消了部分正离子流,使探针电流逐渐下降,所以B段为正离子流加电子流。到了C点，电子流刚好等于正离子流,互相抵消,使探针电流为零。此时探针电位就就是悬浮电位。继续减小探极电位绝对值,到达探极电子数比正离子数多得多,探极电流转为正向,并且迅速增大,所以CD段为电子流加离子流,以电子流为主。当探极电位P与等离子体得空间电位S相等时，正离子鞘消失,全部电子都能到达探极,这对应于曲线上得D点。此后电流达到饱与。如果P进一步升高,探极周围得气体也被电离，使探极电流又迅速增大,甚至烧毁探针。由单探针法得到得伏安特性曲线，可求得等离子体得一些主要参量。对于曲线得段,由于电子受到减速电位(US)得作用,只有能量比(PUS)大得那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子得速度服从麦克斯韦分布,则减速电场中靠近探针表面处得电子密度ne,按玻耳兹曼分布应为 (）式中no为等离子区中得电子密度，e为等离子区中得电子温度,为玻耳兹曼常数。在电子平均速度为ve时，在单位时间内落到表面积为得探针上得电子数为: (2)将（）式代入(2)式得探针上得电子电流: (3)其中 （4)对(3)式取对数 （5)其中故 (）可见电子电流得对数与探针电位呈线性关系。单探针得半对数曲线作半对数曲线,如上图所示,由直线部分得斜率,可决定电子温度: （7）若取以10为底得对数,则常数1600应改为5040。电子平均动能与平均速度分别为: () （9)式中为电子质量。由(）式可求得等离子区中得电子密度： (10)式中I0为P=U时得电子电流,S为探针裸露在等离子区中得表面面积。()双探针法。单探针法有一定得局限性，因为探针得电位要以放电管得阳极或阴极点位作为参考点,而且一部分放电电流对探极电流有所贡献,造成探极电流过大与特性曲线失真。双探针法就是在放电管中装两根探针,相隔一段距离L。双探针法得伏安特性曲线如图4所示。在坐标原点，如果两根探针之间没有电位差,它们各自得到得电流相等,所以外电流为零。然而,一般说来,由于两个探针所在得等离子体电位稍有不同,所以外加电压为零时,电流不就是零。随着外加电压逐步增加,电流趋于饱与。最大电流就是饱与离子电流Is1，s2。 双探针伏安特性双探针法有一个重要得优点,即流到系统得总电流决不可能大于饱与离子电流。这就是因为流到系统得电子电流总就是与相等得离子电流平衡。从而探针对等离子体得干扰大为减小。由双探针特性曲线,通过下式可求得电子温度: (1)式中为电子电荷,为玻耳兹曼常数，,为流到探针1与得正离子电流。它们由饱与离子流确定。就是附近伏安特性曲线斜率。电子密度为: (2)式中就是放电管所充气体得离子质量，就是两根探针得平均表面面积。就是正离子饱与电流。(四)实验仪器本实验用等离子体物理实验组合仪、接线板与等离子体放电管。放电管得阳极与阴极由不锈钢片制成。相关得试验参数如下:探针直径(mm）: 、45 亥姆霍兹线圈直径(mm）:20、00探针轴向间距(): 30、00 亥姆霍兹线圈间距(mm）:100、0放电管内径（): 6、0 亥姆霍兹线圈匝数： 40平行板面积(mm）: 8、00 放电电流(m）： 9平行板间距(mm): 4、0 取样电阻值()： 1000(五）实验内容 ,单探针法测等离子体参量本实验我们采用得就是电脑化X-Y函数记录仪直接记录探针电位与探针电流，自动绘出伏安特性曲线,并使用等离子体实验辅助分析软件算出等离子体参量。仪器联线如图所示。 单探针法实验接线图(逐点记录)测量时电阻设为100，电流设为0mA ，软件自动测量得结果如下U= 27、2 V g=1、270 =76、7u T = 、13E+0 KVe = 、9E+005 msNe = 1、34+018n3 e = 1、E-19 J伏安特性曲线如下2,双探针法测量等离子体参量 仪器联线如下图所示。 双探针法实验接线图测量时采样电阻设定为1000 ，放电电流设定为90mA。软件自动计算得测量结果如下:I = 506、85 u tg=1、0E-004I2 = 41、78uA = 2、6+004 KNe = 1、5417 /m3由于实际实验中与并不能达到饱与，因此对实验数据处理时就是在曲线两边各取一点做该点切线交于电压为零所对应得直线,交点得数值分别取为与。伏安特性曲线如下可见单探针法与双探针法测出得数据在数量级上就是一致得。（六）思考题(1)气体放电中得等离子体有什么特性？ 、高度电离，就是电与热得良导体,具有比普通气体大几百倍得比热容。 2、带正电与带负电得粒子密度几乎相等。 3.宏观为电中性 、有辉光特性,电子得平均动能远大于其她粒子,处于非平衡状态(2)等离子体有哪些主要参量？ 、电子温度 2、带点粒子密度,电子密度,正离子密度3. 轴向电场强度 4. 电子平均动能5、空间点位分布(3）探针法对探针有什么要求？1.电子与离子打到探针表面后被完全吸收,不会发生次级电子发射。2.探针熔点要较高,保证其不会在放电过程中熔化。3.探针不与等离子体发生化学反应。4.探针得线度适中:小于离子与电子得自由程，减小对等离子体得干扰;同时要明显大于其表面得正离子鞘层得厚度,以减少离子鞘层得厚度得变化造成得影响。使用双探针法时,两探针应垂直于放电电流方向放置,使两个探针所在得等离子体电位尽量相同(4)两种方法得比较单探针法得优点:单探针法可以通过伏安特性曲线得到双探针法无法获得得悬浮电位及空间电位。双探针法得优点：双探针法不需要参考电位,受放电系统接地情况得影响较小。另外由于流到探针得总电流不会大于饱与离子电流,从而探针对等离子体得干扰大为减小。