气体放电中等离子体的研究

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1、气体放电中等离子体的研究摘要：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.等离子体的物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子

2、、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。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。（4）电子平均动能。（5）空间电位分布。本实验研究的是

3、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，（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。三.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。探针法分单探针法和双探针法。（1）

4、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，（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，

5、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Is1，Is2。图4双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对等离子体的干扰大为减小。由双探针特性曲线，通过下式可求得电子温度：(11)式中为电子电荷，为玻耳兹曼常数，，为流到探针1和2的正离子电流。它们由饱和离子流确定。是附近伏安特性曲线斜率。电子密度为：(12)式中是放电管所充气体的离子质量，是两根探针的平均表面面积。

6、是正离子饱和电流。四.实验仪器本实验用等离子体物理实验组合仪、接线板和等离子体放电管。放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成。相关的试验参数如下：探针直径(mm)：0.45亥姆霍兹线圈直径(mm)：200.00探针轴向间距(mm)：30.00亥姆霍兹线圈间距(mm)：100.00放电管内径(mm)：6.00亥姆霍兹线圈匝数：400平行板面积(mm^2)：8.00放电电流(mA)：90平行板间距(mm)：4.00取样电阻值(Ω)：1000六.用双探针法测量等离子体参量仪器联线如图7所示。图7测量时采样电阻设定为，放电电流设定为90mA。软件自动计

7、算的测量结果如下：I1=457.68uAI2=398.25uAtgΦ=1.7E-004Te=1.44E+004KNe=1.94E+017n/m^3作曲线如图8所示。图8可见单探针法与双探针法测出的数据在数量级上是一致的。需要注意的是由于实际实验中和并不能达到饱和，因此对实验数据处理时是在曲线两边各取一点做该点切线交与电流为零所对应的直线，交点的数值分别取为和，因此在取点时仍然会产生较大误差。但是我们观察图像发现和的误差均在正负10%左右，分析公式可计算误差范围为，其中，得相对误差为-10%-10%，可见双探针法大大降低了实验误差。七.用函

8、数拟合计算等离子体特性参数我们注意到在推到单探针测量公式时用到的波尔兹曼分布方程为，不难看出我们并没有考虑当接近并超过时，单探针电流趋向饱和的特性。为了能显示出这种特性，我们考虑这样一个函数：