《气体放电中等离子体的研究》报告

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1、气体放电中等离子体的研究姓名＿＿＿＿＿学号＿＿＿＿＿院系＿＿＿＿＿气体放电中等离子体的研究一引言等离子体是由大量的自由电子和离子组成，在整体上表现为近似电中性的电离气体。由于等离子体有着许多独特的物理和化学性质，它已广泛应用于能源、航空、表面处理及垃圾焚烧等领域。准确测量等离子体的参数，是各领域研究及应用的关键环节。在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。郎缪尔探针法由伸入等离子体内的导体作为探针向它施加电压，通过测定探针电流得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参

2、数。本文主要介绍了探针法的工作原理，利用探针法测量等离子体的一些主要参量，并通过实验分析了影响实验结果的各种因素。二实验原理1等离子体定义及其物理特性等离子体是一种由等量正负电荷离子和中性粒子组成的电离气体，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。描述等离子体的一些主要参量有电子温度Ｔe、带电粒子密度、轴向电场强度ＥL、电子平均动能Ｅe、空间电位分布等。2气体放电原理气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射

3、频等能量形式。其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。直流放电形成辉光等离子体的典型结构如图1所示。图1气体放电管工作原理图图2辉光放电的唯相结构示意图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1０-1０2Pａ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2所示。正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中

4、带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为1０5Ｋ），但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。三等离子体诊断实验及数据处理测试等离子体的方法被称为诊断，它是等离子体物理实验的重要部分。本实验采用的诊断方法为探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极，以

5、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。本实验采用单探针法和双探针法。1）单探针法。单探针法实验原理图如图2.3-8所示。实验采用电脑化Ｘ-Ｙ记录仪和等离子体实验辅助分析软件，测量伏安特性曲线，算出等离子体参量。微机内已安装数据采集软件以及等离子体实验辅助分析软件。接通仪器主机总电源、探针单元电源和放电单元电源，显示开关置“电压显示”，调节输出电压使之为300Ｖ以上，再把显示开关置“电流显示”，迅速按下并松开“高压触发”按钮，使放电管触发并正常放电

6、。由于放电单元输出的是高压，应得所有的实验线路接好后才接通放电单元，一旦放电单元接通后，就不允再用手去碰任何电极，以免注意事项触电！随后将放电电流调到约90ｍＡ附近。将探针单元输出开关置“正向输出”，启动微机，运行电脑化Ｘ-Ｙ记录仪数据采集软件，选择合适的量程。在接线板上选择合适的电阻1000Ω。将选择开关置“自动”，则探针电压输出扫描电压，当需要回零时，按“清零”按钮，电压又从零开始扫描。让函数记录仪自动记录单探针的Ｕ-Ｉ特性曲线，并将数据保存。将保存的数据导入分析软件Origin8.0中，绘出单探针

7、伏安特性曲线，如图3所示。对该图的解释如下：图3单探针法伏安特性曲线及其局部放大在ＡＢ段，探针的负电位很大，电子受负电位的拒斥，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，即所谓“正离子鞘”，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，如图3中的左图所示。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

8、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