近代实验备课笔记--等离子

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1、近代物理实验备课笔记实验2.3气体放电中等离子体的研究预习课前言目前，等离子体电视己在各大商店上市，并将逐渐进入寻常百姓家，这种新颖电视的亮度和清淅度，比普通显像管电视机要高好儿倍，颇受人们青睞.如果你的亲戚朋友想买等离子体电视，问你什么是等离子体时，你该如何回答呢？这里给你一点关于等离子体的入门知识.等离子体作为物质的笫四态在宇宙屮普遍存在。在实验室屮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

2、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.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。实验原理1.等离子体及其物理特性等离子体（乂称等离子区）定义为包含大量正负带电粒子、而乂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。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，具有比普通气体大儿百倍的比热容。（2）带正电的和带

3、负电的粒子密度儿乎相等。（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。电荷之间的库仑相互作用，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。偏离电屮性的区域最大尺度称为德拜长度入°。当系统尺度L>X1｝时，系统呈现电中性，当L

4、电粒子密度。电子密度为正离子密度为Hi,在等离子体屮ne^nio（3）轴向电场强度Eg表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能E。。（5）空间电位分布。此外，由于等离子体中带电粒子I'可的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动Z外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率F?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。等离子体诊断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。等离子体诊断有（1）探针法，（2）霍尔效应法，（3）微波法，（4）光谱法，等等

5、。下面介绍前两种方法。（1）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°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，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。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。，按玻耳兹曼分布应为%=%expf%；"')L°」(2.3-1)式中n。为

6、等离子区中的电子密度，T。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：(2.3-2)将(2.3-1)式代入(2.3-2)式得探针上的电子电流:(2.3-3)其中(2.3-4)对(2.3-3)式取对数血―竺+吧°kTekTe其中叭一讣常数+常数(2.3-5)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2.3-4所示,由直线部分的斜率tg4）,可决定电子温度Te(2.3-6)若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040o电子平均动能E°和平均速度

7、叫分别为:(2.3-7)(2.3-8)式中为电子质量。由（2.3-4）式可求得等离子区中的电子密度:(2.3-9)式中I。为Up=U$时的电子电流，S为探针裸諜在等离子区中的表面面积。②双探针法。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电位作为参考点，而II一部分放电电流会对探极电流有所贡献，造成探极电流过大和特性曲线失真。图2.3-5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2.3~5所示。熟悉了单探针法的理论后，对双探针的特性曲线是不难理解的。在坐标原点，如果两根探针之问没

8、有电位差，它们各自得到的电流相等，所以外电流为零。然而，一般说來，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Ii】、Ii2.双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可