实验十 气体放电中等离子体的研究

云南大学物理实验教学中心

实验报告

课程名称：普通物理实验

实验项目：实验十 气体放电中等离子体的研究

学生姓名：马晓娇 学号：[1**********]

物理科学技术 学院 物理 系 2013 级 天文菁英班 专业

指导老师：何俊

试验时间：2015 年 10 月 16 日 12 时 00 分至 2 时 00 分

实验地点：物理科学技术学院

实验类型：教学 (演示□ 验证□ 综合□ 设计□) 学生科研□

课外开放□ 测试□ 其它□

一、引言

随着温度的不断升高, 构成气体分子的原子将发生分裂, 形成为独立的原子, 如氮分子(N 2) 会分裂成两个氮原子(N),这种过程被称为气体分子的离解. 如果再

就能一步升高温度, 原子中的电子就会从原子中剥离出来, 成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子, 这个过程称为原子的电离. 当这种电离过程频繁发生, 使电子和离子的浓度达到一定的数值时, 物质的状态也就起了根本变化, 它的性质也就变得与气体完全不同. 为区别于固体/液体和气体这三种状态, 我们称物质的这种状态为物质的第四态, 又起名等离子体. 电离出的自由电子总的负电离与正离子总的正电量相等. 等离子体宏观上称电中性.

等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质, 它呈现出高度激发的不稳定态, 其中包括离子/原子/电子和分子. 等离子体是宇宙中常见的物质, 在太阳/恒星/闪电中都存在等离子体, 它占整个宇宙的99%.

实验中对等离子体的研究是从放电开始的. 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的发展为材料/能源/信息/环境空间, 物理空间/地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺.

二、实验目的

1. 了解气体放电中等离子体的特性;

2. 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

（一）等离子体及物理特性

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；在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。 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。

（二）等离子体的主要参量

（1）电子温度T e 。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n e ，正离子密度为n i ，在等离子体中n e n i 。

（3）轴向电场强度N L 。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 e 。

（5）空间电位分布。

（三）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。

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。

（四）等离子体诊断

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）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：

图1 图2

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-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 ⎡e (U p -U s ) ⎤n e =n 0exp ⎢⎥kT e ⎣⎦ (1)

式中ｎo 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：

(2)

将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：

其中

(3)

(4)

对(3)式取对数

其中

ln I o -eU s =常数kT e (5)

故

ln I =eU p

kT e +常数 (6)

可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。

图3 图4

作半对数曲线，如图3所示，由直线部分的斜率tg φ，可决定电子温度Te ：

(7)

若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。

电子平均动能Ｅe 和平均速度ve 分别为： E e =3kT 2 (8)

v e =8kT e

πm e (9)

式中ｍe 为电子质量。

由(4)式可求得等离子区中的电子密度：

4I o I 2πm e =o

eS v e eS kT e (10)

式中I0为ＵP ＝Ｕｓ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。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。

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Ｔe ： n e =

T e =e I i 1⋅I i 2dU ⋅k I i 1+I i 2dI U =0 (11)

式中ｅ为电子电荷，ｋ为玻耳兹曼常数，Ii1、Ii2为流到探针1和2的正dU

离子电流。它们由饱和离子流确定。dI U =0是Ｕ＝０附近伏安特性曲线斜率。

电子密度ne 为： n e =2I s

eS M kT e (12)

式中Ｍ是放电管所充气体的离子质量，Ｓ是两根探针的平均表面面积。Is 是正离子饱和电流。

四、实验仪器

等离子体物理实验组合仪、接线板、电脑化X_Y记录仪和等离子体放电管。

五、实验内容

（一）单探针法

1、仪器联线如图5所示。

2. 放电管放电产生等离子体

3. 运行电脑化X_Y记录仪数据采集软件描出U_I特性

4. 运行等离子体实验辅助分析软件求得电子温度等主要参数。

图5

（二） 双探针法

仪器联线如图6所示，操作过程与单探针法一致

图6

六、实验数据及处理

（一）双探针法

测量时采样电阻设定为500 ，放电电流设定为60mA 。计算机自动生成的测量结果如下。

（二）双探针法

测量时采样电阻设定为500 ，放电电流设定为60mA 。计算机自动生成的测量结果如下。

七、思考题

1、气体放电等离子体有什么特性？

等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质, 它呈现出高度激发的不稳定态, 其中包括离子/原子/电子和分子.

2、等离子体有哪些主要参量？

（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。

（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。

八、习题

（1）探针法对探针有什么要求?

对探针的一般要求是：

1）电子和离子打到探针表面后被完全吸收，不会发生次级电子发射。

2）探针熔点较高，不会在放电过程中熔化。

3）探针不会与等离子体发生化学反应。

4）探针的线度适中：既要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度，以减少正离子

鞘层的厚度在测量过程中的变化造成的影响；又要小于离子和电子的自由程，减小对等离子体的干扰。

另外使用双探针法时，两探针应垂直于放电电流方向放置，使两个探针所在的等离子体电位尽量相同。两个探针的间距不宜过近，以免两个探针表面的离子鞘相互干扰。

（2）分析误差原因，提出改进措施。

从实验数据来看，单探针法与双探针法的测量结果存在一定差异。单探针法存在明显的误差。明显的线性增大区和拐点，并且电流不能达到饱和，持续增加。其原因是离子鞘层的厚度随ＵP 增大而改变，造成探针等效表面积改变，从而使到达探针表面的电子数偏离理论值。另外当探极电位ＵP 接近等离子体的空间电位ＵS 时，由于探针的边缘效应，事实上离子鞘层的厚度随ＵP 增大而增大，其结果是探针等效表面积增大，探针电流也持续增大，在本实验条件下不能达到饱和。

对于双探针法，由于探针为平行板，离子鞘层的厚度对探针等效表面积的影响不大，因此离子鞘层的厚度改变对实验结果的影响也不明显。

综上，双探针法的测量结果更准确。对于单探针法，

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可作如下改进：适当选取探针的表面积，同时减小离子和电子的浓度，增大其平均自由程。

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