等离子体性质的测量.doc

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1、等离子体性质的测量王玉萌（复旦大学物理学系上海）【摘要】：通过DH2005型直流辉光等离子体试验装置进行对等离子体性质的测量，包括直流辉光伏安特性的测量、帕邢定律的验证以及郎缪尔双探针法测等离子体参数。根据实验结果，讨论各种因素对等离子体性质的影响。【关键词】：等离子体性质一、引言等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，在国内关于等离子体技术的研究和教学远远落后于等离子体技术在工程中的应用，具体体现在很多领域如微电子、光学镀膜等领域。直流辉光等离子体教学实验装置在经典直流放电管的基础上加以改进，工作气体、工作气压、电极距离等参数均可单独或组合调控，从而利用该装置

2、可以系统研究等离子体的激发原理和影响因素。二、实验原理1、直流低压放电原理气体低压放电课分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异。经典的直流低气压放电在正常的辉光放电区示意图如图：从左至右，其唯象结果如下：阴极区：包括阴极，Aston暗区，阴极辉区和克洛克斯暗区。负辉光区：整个放电管中最亮的区域。其中电场相当低。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强爆发。法拉第暗区：在这个区域里，由于在负辉光区里的电离

3、和激发作用，电子能量很低。净空间电荷很低，轴向电场也很小。正电柱：正电柱是准中性的，电场很小，一般是1v/cm。这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。正电柱是一个长的均匀的辉光，是等离子体最均匀的部分，也是本实验中探针放置的位置。阳极辉光区：阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍亮一点，在各种低气压辉光放电中并不总有。它是阳极鞘层的边界。阳极暗区：阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，他是阳极鞘层，他有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。2、帕邢定律：直流气体放电中，气体的击穿电压由帕

4、邢定律决定：这表明特定气体的击穿电压仅仅取决于pd的乘积。3、等离子体参数与探针法原理等离子体参数：①等离子体密度：单位体积内某带电粒子的数目。ni代表粒子浓度，ne表示电子浓度②等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体），温度是各种热运动的平均量度；对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以表述。一般用Ti表示等离子体温度，Te表示电子温度。本实验的对象是低温等离子体。③徳拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。当正负电荷置于等离子体内部是就会在其周围形成一个异号电荷的“鞘层”。理想双探针实验曲

5、线朗谬尔双探针诊断原理：实验原理电路图对于插入等离子体的双探针，设A1，A2分别为探针1和探针2的表面积，则探针间的电压：V=V1-V2>0(1)V1，V2分别为探针1、2的电位。流过探针1和探针2的离子电流和电子流分别为i1+，i1-，i2+，i2-，则探针系统浮动的条件为：i1++i1--i2+-i2-=0(2)在整个闭路电路I=i1--i1+=i2+-i2-(3)令jr为随机电子流密度，则i1-=A1jrexp(eV1/kTe)i2-=A2jrexp(eV2/kTe)(4)由(1)、(3)式得(I+i1+)/(i2+-I)=A1/A2exp(eV/kTe)(5)当A1=A2

6、时，有i1+≡i2+≡i2+可得I=I+tanh(eV/2kTe)(6)对I求微分即可得到电子温度：三、实验内容1、辉光放电I-V曲线如图，随着两极板电压的增大，辉光电流增大，但非线性，电压越大，电流增大的速度越快。而在相同电压下压强越高电流越大，原因是压强越大管内气体浓度越高，等离子体导电性越好，因而电流越强。2、气体击穿电压与pd乘积的关系实验中令pd=4Pa*m,改变极板距离测量了5组数据，得到Vb=527V,误差<1.5%。在测量击穿电压与pd乘积关系时，固定极板距离d单调增加气压p测量7组数据，结果表明pd越大Vb越大。然而降低气压重复测量时发现击穿电压有明显降低。3、

7、双探针测量电子温度实验通过分别改变功率和压强，测量了（2w，20Pa）、（2w，40Pa）、（4w，40Pa）3组探针I-V曲线，计算得功率，气压Te/104K2w,20Pa6.752w,40Pa6.464w,40Pa7.16由数据来看，功率越大，压强越小，电子温度越高。需要说明的是，并非曲线越陡峭电子温度就越高。理想双探针曲线中电压升高探针电流有饱和值，而实验曲线中电流会一直增大。这是因为理想状态下探针拦截电子面积不变，电压增大到一定值探针周围电子浓度趋于饱和，电流也达到饱和；