气体放电中等离子体的研究92664

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1、气体放电中等离子体的研究一．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。朗缪尔和汤克斯首先引入“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.等离子体及其物理特性等离子体（又称等离子区）定义为包含大量正负带点粒

2、子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相当，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。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。虽然等离子体宏观上是电中性的但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库伦相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电

3、中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。当系统尺度L>λD时，系统呈现电中性，当L<λD时，系统可能出现非电中性。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ne≈ni。（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

4、带电粒子间的相互作用是长程的库伦力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振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。8图1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，（3）阴

5、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。其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。1.单探针与双探针法测量原理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。探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的，又称朗缪尔探针法。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）。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

6、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，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8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

7、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

8、-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ne，按玻耳兹曼分布应为ne=n0exp⁡[e(Up-Us)kTe](1)式中n0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的探针上的电子数为：Ne=14neveS(2)将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：I=N