1、實用標準文檔南京大學物理系實驗報告題目 實驗2.3 氣體放電中等離子體的研究姓名 董佳婧學號141120021一、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始的。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發展，并被應用于電力工業、電子工業、金屬加工和 廣播通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控熱核反應，解決能源問題 提供了誘人的前景。、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基本參量。三、實驗原理1、等離子體及其物理特性等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電

2、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。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Te。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 ne,正離子密度為ni,在等離子體中neFi。（3）軸向電場強度El。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（4）電子平均動能Ee。（5）空間電位分布。3、稀薄氣體產生的輝光放電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

3、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。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（即正輝柱），（7）陽極暗區，（8）陰極輝 區。如圖1所示，其中正輝區是我們感興趣的等離子區。 其特征是：氣體高度電 離；電場強度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其中帶電粒子的無規則熱運動勝 過它們的定向運動。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 得到一個相應的溫度，即電子溫度。但是，由于電子質量小，它在跟離子或原子 作彈性碰撞時能量損失很小，所以電子的平均動能

4、比其他粒子的大得多。 這是一 種非平衡狀態。因此，雖然電子溫度很高（約為 105 K）,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。3. 等離子體診斷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。單探針法實驗原理圖如圖2所示卜11111 m L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，如圖3所示。對此曲線的解釋為：探針是封

5、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，如圖2所示。對此曲線的解釋為：在AE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AE 段為正離子流，這個電流很小。過了E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 電子能夠克服電場拒斥作用，抵達探極，這些電子形成的電流抵消了部分正

6、離子 流，使探針電流逐漸下降，所以EC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U F。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U P和等離子體的空間電位U S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。此后電流達到飽和。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 (U

7、P- U S)的作用，只有能量比 e (UP- US)大的那部分電子能夠到達探針。假定等離子區內電子的速度服從麥e(Up Us)ne no exp -kTe克斯韋分布，則減速電場中靠近探針表面處的電子密度ne，按玻耳茲曼分布應為式中n o為等離子區中的電子密度，T e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，在單位時間內落到表面積為S的探針上的電子數1 為：r得探針上的電子電流：噸宀y其中h二占吟耳Ep取對數其中In I。eUkTe常數eUIni竺常數kTe可見電子電流的對數和探針電位呈線性關系作半對數曲線，如圖4所示，由直線部分的斜率tg，可決定電子溫度Te：電子平

8、均動能E e和平均速度ve分別為:Ee 3kT式中m e為電子質量由(4)式可求得等離子區中的電子密度:eSve eSne4,0 Io式中10為U P=Us時的電子電流，S為探針裸露在等離子區中的表面面積。(2)雙探針法。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6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。圖6雙探針法有一個重要的優點，即流到系統的總電

9、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Te:Tee h 1 1 i 2 k Iii Ii2dUdi文案大全式中c為電子電荷，k為玻耳茲曼常數，Ii1、Ii2為流到探針1和2的正離dU子電流。它們由飽和離子流確定dI U 0是U=0附近伏安特性曲線斜率。電子密度ne為:2Is M eS kT；式中M是放電管所充氣體的離子質量，S是兩根探針的平均表面面積。Is是正離子飽和電流。由雙探針法可測定等離子體內的軸向電場強度E L。一種方法是分別測定兩 根探針所在處的等離子體電位U 1和U

10、2，由下式得ElUi U2式中I為兩探針間距另一種方法稱為補償法，接線如圖6所示。當電流表上的讀數為零時，伏特 表上的電位差除以探針間距 L,也可得到E L1四、實驗內容本實驗用等離子體物理實驗組合儀(以下簡稱組合儀)、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，管內充汞或氬。實驗參數：探針直徑(mm) :0.45探針軸向間距(mm) :30.00放電管內徑(mm) :6.00平行板面積(mmT) :28.00平行板間距(mm) :4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm) : 200.00亥姆霍茲線圈間距（mm） : 100.00亥姆霍茲線圈匝數：400放電電流（mA） :87單探針序

11、號：1取樣電阻值（Q）:1000 1.單探針法測等離子體參量本實驗采用的是電腦化X - Y記錄儀和等離子體實驗輔助分析軟件，測量伏安特性曲線，算出等離子體參量。實驗接線圖如下ant單兀單JL.Mtt攪軸Q6接好線路并檢查無誤后，使放電管放電，測量時采樣電阻設定為1000, 電電流設定為90mA，啟動計算機，運行電腦化X - Y記錄儀數據采集軟件,著探針電位自動掃描，電腦自動描出U -I特性曲線，將數據保存用 origin 和 mathematica 作圖如下：20000monx軸：電壓U/mV y 軸：電流1/mA圖9在做半對數曲線如圖10 :x軸：電壓U/mV y 軸：電流I/mA圖10做切

12、線，找交點，如圖11 :-10000010000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000Ax軸：電壓U/mV y 軸：電流l/mA圖11讀出交點坐標為 X = 14911.0807, 丫 = 8.31140351，即 U=14.91 V,1=8311.40 uA,帶入公式;tgIn IUp0.1411600? =-82857 .14?= 8 29?+ 004? ?ne據41。Io 2 meeSVe eS，kTe 可算出?5=7.29*10a17而導入標準分析軟件，有結果為:U0 =23.57 V10 =6970.13 uA tg 二 0.29Te =

13、 3.97E+004 KVe = 1.24E+006 m/s可見計算結果有些微差別，但是數量級并沒有發生改變。關于 Te 的誤差：(8.29?+ 004? 597E+004 K ) /8.29?+ 004? 52.11%關于？的誤差19.2%2 雙探針法用自動記錄法測出雙探針伏安特性曲線，求Te和n e雙探針法實驗方法與單探針法相同，接線圖如圖12所示AMJtt就慄 ftlX F誦蛻記鍛血圖12實驗參數如下：探針直徑(mm) :0.45探針軸向間距(mm) :30.00放電管內徑(mm):6.00平行板面積(mmA2):28.00平行板間距(mm):4.00亥姆霍茲線圈直徑(mm) : 200

14、.00亥姆霍茲線圈間距(mm) : 100.亥姆霍茲線圈匝數：400放電電流(mA):114取樣電阻值(Q):1000實驗結果導入SciDAVis里作圖并擬合如下:Boitzirtann (Smoidal) Fit fit of data&et Tatle1_.2b using function: (A 1 -A2)/( 1 +xp(x*x0)/dxJ)+A2 Y jstandard errorsj UnknownScaled Leverrberg-Marquardl algorithm with tolerance 0.0001From X - -29,950.07 to x = 22.68

15、4.96Al (init value) = -473.514 +/- nanA2 in創 vaJu&) - 539 +/- nanx0 (center) = -1.&01.52 W- nandx (time constant) =? 1 W- nanChi*2/doF = 51,514.9299820424 RA2 = 0.705036159200195WMF R V EMM M W M ! *H V *K H = S WH V VK S V iterations = 0afiLL*xvSOO 一400 -200 -200 -400 -TitleTiula600 | | | | | | | |

16、 | | | ( | | | | | | |悴心 2&+O43e+(M-4e+D4 胡電 -2e+O4-1e+040X Axifi Titlex軸：電壓U/mV y 軸：電流l/mA圖13可以讀出，A1=473.514 , A2=539，即 I1=473.514uA,I2=539uA。實驗中用標準分析軟件得出的結果為：11 = 481.77 uA12 = 439.09 uAtg 二 1.9E-004Te = 1.38E+004 KNe = 6.09E+016 n/mA3可以看出11和12在同一個數量級且相差不大。而且雙探針法測出的電子溫度與單探針法也處于同一個數量級。我們用兩個單探針試進行了雙

17、探針實驗：五、誤差分析單探針法與雙探針法測出的數據在數量級上是一致的。實驗數據處理方法是 是在曲線兩邊各取一點做該點切線交與電流為零所對應的直線，交點的數值分別取為11和I2。單探針法是在實驗數據的半對數曲線的彎折前部與后部取切線相 交得到電壓電流，在取切線會產生較大誤差。通過計算可知，單探針法的實驗誤差為厶？?= 測?標=8.31 - 6.97 = 1.34 ,誤差達到19.2% ,可見單探針法誤差較大。雙探針法的實驗誤差計算：?= 標（標？標？、，標?一、 =（ 48177 473515 ）/ 4877 = 1.74% 可見雙探針法測 標）/ 標）/大大降低了實驗誤差。特別是采用波爾茲曼函

18、數擬合的方法來代替取點做切線法 更減小了誤差。雙探針法的優點：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。單探針法的優點：單探針法可以通過伏安特性曲線得到雙探針法無法獲得懸浮電位Uf及空間電位Us。由數據處理可以看到單探針法的誤差較大，因為沒有明顯的線性區以及飽和 區，因此在計算tg以及確定Us時誤差很大，這是因為單探針法因為探針的點位 要以放電管的陽極或陰極作為參考點，而且一部分放電電流會對談及電流有所貢 獻，造成探極電流過大和特性曲線失真。 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。但是我們仍然可以看出，無論是但探針法還是雙探針法，計算出的數據都 在同一數量級上。六、思考題1、氣體放電中的等離子體有什么特征？氣體高度電離；電場強度很小，且沿軸向有恒定值。這使得其中帶電粒子的 無規則熱運動勝過它們的定向運動。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相應的溫度，即電子溫度。但是，由于電子質量小，它 在跟離子或原子作彈性碰撞時能量損失很小， 所