气体放电中等离子体的研究

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1、第12页摘要：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，探针法正文一、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。二、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的一些基本参量。三、实验原理1、等离子体的物

2、理特性及描述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。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、等离子体的主要参量描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度。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，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的存在所需的能量。

3、（4）电子平均动能。（5）空间电位分布。3、稀薄气体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1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，第12页（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。图1辉光放电的光强、电位和场强分布4、等离子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

4、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。图2单探针伏安特性（1）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）。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2所示。对此曲线的解释为：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，第12页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

5、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。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。当探极电位和等离子体的空间电位相等时，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

6、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的作用，只有能量比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，按玻耳兹曼分布应为式中为等离子区中的电子密度，为等离子区中的电子温度，k为玻耳兹曼常数。在电子平均速度为时，在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数为：得探针上的电子电流：其中又其中第12页得到可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。作半对数曲线，如图3所示，

7、由直线部分的斜率，可决定电子温度图3单探针的半对数曲线若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。电子平均动能和平均速度分别为：式中为电子质量。另外式中为时的电子电流，S为探针裸露在等离子区中的表面面积。②双探针法第12页单探针法有一定的局限性，因为探针的电位要以放电管的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，造成探极电流过大和特性曲线失真。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，它们各自得到的电流相等，所以外电流为零。然而，一般说来，由

8、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。图4双探针伏安特性随着外