气体放电中等离子体的研究摘 要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别 使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行 了讨论。关键词：等离子体，等离子体诊断，单探针法，双探针法1. 引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研 究是从气体放电开始的。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、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用 受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。2 实验目的1.了解气体放电中等离子体的特性，2利用等离子体诊断技术测定等离子体中的一些基本参量。3. 等离子体的物理特性1.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的电离气 体。也就是说，等离子体中正负电荷的密度相等，整体上呈电中性。等离子体有一系列不同于普通气体的特性：（1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。（3）宏观上是电中性的。2. 描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子 碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关 联。（2）带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中nen j。（3）轴向电场强度EL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能Ee。5）空间电位分布。此外，由于等离子体中带电粒子之间的相互作用力是长程的库伦力，使他们 在无规则运动的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子震荡，其震 荡频率称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子震荡时辐射的电磁波称为等离子体 电磁辐射。3. 稀薄气体产生的辉光放电本实验研究的是辉光放电等离子体。辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10102Pa时， 在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区 域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。 8个区域的名称为 （1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区 （6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。1 2 3 4 56图1正辉区的特性是：气体高度电离；电场强度较小，且沿轴向有恒定值，这使 得带电粒子的无规则运动胜过定向运动，所以他们基本上遵从麦克斯韦分布。4. 等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断。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。探针法分单探针法和双探针法。（1）单探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以 是平板形、圆柱形、球形）。其接法如图二所示。以放电管的阳极或阴极作为参 考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系， 即探针伏安特性曲线，如图三所示。啥图二，单探针接法 图三，单探针 伏安特性对伏安特征曲线的解释为：在AB段，探针的负电位很大，电子受负电位的排斥，而速度很慢的正离子 被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，它把探针电场屏蔽起来。 等离子区中的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，电场对电子的拒斥作用减弱，使一些快速 电子能够克服电场拒斥作用，抵达探极，这些电子形成的电流抵消了部分正离子 流，使探针电流逐渐下降，所以BC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 针电位就是悬浮电位uF。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Up和等离子体的空间电位uS相等时，正离子鞘消失，全部电 子都能到达探极，这对应于曲线上的D点。此后电流达到饱和。如果Up进一步 升高，探极周围的气体也被电离，使探极电流又迅速增大，甚至烧毁探针。由单探针法得到的伏安特性曲线，可求得等离子体的一些主要参量。对于曲线的CD段，由于电子受到减速电位(Up-US)的作用，只有能量比e (uP-uS )大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子的速度服从麦克斯 韦分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度n e，按玻耳兹曼分布应为n = n expe0e(U - U )pskTe式中n。为等离子区中的电子密度，Te为等离子区中的电子温度，k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S的探针上电子数为:其中将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：其中对(3)式取对数所以ln Jo -誉二常数e可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。图四。单探针的半对数曲线作半对数曲线，如图四所示，由直线部分的斜率tg e，可决定电子温度Te：()若取以 10为底的对数，则常数 11600 应改为 5040。电子平均动能E e和平均速度ve分别为:E = 3 kTe2.8kFe 兀me式中me为电子质量。由(4)式可求得等离子区中的电子密度：41I 2兀 m oe-eSv eS kT ee式中I0为U p=U$时的电子电流，s为探针裸露在等离子区中的表面面积。(2)双探针法。双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离L。双探针法的伏安特性曲线如图五所示。在坐标原点，如果两根探针之间没有电位差， 它们各自得到的电流相等，所以外电流为零。然而，一般说来，由于两个探针所 在的等离子体电位稍有不同，所以外加电压为零时，电流不是零。随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流ls1、ls2。双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电 流。这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对等离 子体的干扰大为减小。由双探针特性曲线，通过下式可求得电子温度Te：e I -1 dU |T i1 -e k I + I dI U - 0i1i2式中e为电子电荷，k为玻耳兹曼常数，|订、li2为流到探针1和2的正离子电流。它们由饱和离子流确定。电子密度 ne 为：dUdI0附近伏安特性曲线斜率。21 I Mn = re eS kTe式中M是放电管所充气体的离子质量，S是两根探针的平均表面面积。Is是正离子饱和电流。5. 实验仪器本实验用的是等离子体实验组合仪，接线板和等离子体放电管。放电管的阳极和阴极由不锈钢制成，霍尔电极由不锈钢或镍钢制成。管内充满汞或氩。6. 用单探针法测量等离子体参量仪器联线如图六所示。图六 单探针实验接线图测量时采样电阻设定为1000。，放电电流设定为90mA。计算机自动生成的 测量结果如下。实验参数:探针直径(mm):0.45探针轴向间距(mm):30.00放电管内径(mm)：6.00平行板面积(mm 2):8.00平行板间距(mm)：4.00亥姆霍兹线圈直径(mm)：200.00亥姆霍兹线圈间距(mm):100.00亥姆霍兹线圈匝数：400放电电流(mA):90单探针序号：1取样电阻值(Q)：1000实验结果:U0 = 32.82 VI0=4397.59 uAtg 炉 0.82Te = 1.41E+004 KVe = 7.38E+005 m/sNe = 9.36E+017 n/mEe = 2.92E-019 J图6现依据公式计算如下：在实验数据中选择两点(30.16 809.923)和(45.711 7774.758)计算tg4/p与计算机计算出的结果基本相等。7. 用双探针法测量等离子体参量仪器联线如图 7 所示。图八，双探针实验接线图测量时采样电阻设定为1000 ，放电电流设定为90mA。计算机自动生成的 测量结果如下。其中实验参数与单探针法相同，参见上页。作半对数曲线如图 8 所示。实验参数:探针直径(mm):0.45探针轴向间距(mm):30.00放电管内径(mm)：6.00平行板面积(mm 2):8.00平行板间距(mm)：4.00亥姆霍兹线圈直径(mm)：200.00亥姆霍兹线圈间距(mm):100.00亥姆霍兹线圈匝数：400放电电流(mA):90实验结果:I1= 223.40 uAI2= 164.55 uAtg0 = 1.2E-004Te = 8.85E+003 KNe = 1.12E+017 n/m图8同样可以取出两点 数据进行 手动 计算 比较，发现和计算机计算的结果相 近。可见单探针法与双探针法测出的数据在数量级上是一致的。8. 对实验的讨论双探针法与单探针法相比的优点是：流到探针的总电流决不可能大于饱和离 子电流。这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对 等离子体的干扰大为减小。另外双探针法不需要参考电位，受放电系统接地情况 的影响较小。单探针法与双探针法相比的优点是：单探针法可以通过 I-U 曲线得 到悬浮电位UF及空间电位Us，而双探针法不能。从实验数据来看，单探针法与双探针法的测量结果存在一定差异。单探针法电流不能达到饱和，电压增大时会出现电离现象，随着电压的增大，电流会持续 增加。这样就很难准确求出tg。其原因是离子鞘层的厚度随Up增大而改变， 造成探针等效表面积改变，从而使到达探针表面的电子数偏离理论值。另外当探 极电位Up接近等离子体的空间电位US时，由于探针的边缘效应，事实上离子 鞘层的厚度随Up增大而增大，其结果是探针等效表面积增大，探针电流也持续 增大，在本实验条件下不能达到饱和。对于双探针法，由于探针为平行板，离子鞘层的厚度对探针等效表面积的影 响不大，因此离子鞘层的厚度改变对实验结果的影响也不明显。综上，双探针法的测量结果比较而言更为准确。对于单探针法，可作如下改 进：适当选取探针的表面积，同时减小离子和电子的浓度，增大其平均自由程。9. 实验思考（1）等离子体有什么特性?1高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 2带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。3宏观上是电中性的。（2）描述等离子体的主要参量有哪些?1 电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰 撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关 联。2带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中neniO3.轴向电场强度El。表征为维持等离子体的存在所需的能量。4电子平均动能Ee。5空间电位分布。（3）探针法对探针有什么要求?对探针的一般要求是：1）电子和离子打到探针表面后不会发生次级电子发射。2）探针熔点较高，不会在放电过程中熔化。3）探针不会与等离子体发生化学反应。4）探针的线度适中：既要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度，以减少正 离子鞘层的厚度在测量过程中的变化造成的影响；又要小于离子和电子的自由