實(shí)驗(yàn)2。3

1、實(shí)驗(yàn)2.3氣體放電中等離子體的研究071242037姚路馳引言引言等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實(shí)驗(yàn)室中對等離子體的研究是從氣體放電開始的。朗繆爾（ＩＬａｎｇｍｕｉｒ）和湯克斯（ＬＴｏｎｋｓ）首先引入“等離子體”這個(gè)名稱。近年來等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展，并被應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工和廣播通訊等部門，特別是等離子體的研究，為利用受控?zé)岷朔磻?yīng)，解決能源問題提供了誘人的前景。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解氣體放電中等離子體

2、的特性。2.利用等離子體診斷技術(shù)測定等離子體的一些基本參量。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理1.等離子體及其物理特性等離子體(又稱等離子區(qū))定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣體。也就是說，其中正負(fù)電荷密度相等，整體上呈現(xiàn)電中性。等離子體可分為等溫等離子體和不等溫等離子體，一般氣體放電產(chǎn)生的等離子體屬不等溫等離子體。等離子體有一系列不同于普通氣體的特性：（1）高度電離，是電和熱的良導(dǎo)體，具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。（2）帶正電的

3、和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。（３）宏觀上是電中性的。雖然等離子體宏觀上是電中性的，但是由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，等離子體局部會(huì)偏離電中性。電荷之間的庫侖相互作用，使這種偏離電中性的范圍不能無限擴(kuò)大，最終使電中性得以恢復(fù)。偏離電中性的區(qū)域最大尺度稱為德拜長度λD。當(dāng)系統(tǒng)尺度L＞λD時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)電中性，當(dāng)L＜λD時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)非電中性。2.等離子體的主要參量描述等離子體的一些主要參量為：（1）電子溫度Ｔe。它是等離子體的一個(gè)主要參量，因?yàn)樵诘入x子

4、體中電子碰撞電離是主要的，而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系，即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。（2）帶電粒子密度。電子密度為ｎe，正離子密度為ｎi，在等離子體中ｎe≈ｎi。（３）軸向電場強(qiáng)度ＥL。表征為維持等離子體的存在所需的能量。（４）電子平均動(dòng)能Ｅe。（５）空間電位分布。此外，由于等離子體中帶電粒子間的相互作用是長程的庫侖力，使它們在無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之外，能產(chǎn)生某些類型的集體運(yùn)動(dòng)，如等離子振蕩，其振蕩頻率Fp稱為朗繆爾頻率或等離子體頻率。電子振

5、蕩時(shí)輻射的電磁波稱為等離子體電磁輻射。3.稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電本實(shí)驗(yàn)研究的是輝光放電等離子體。輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在1０～1０2Pａ時(shí)，在兩電極上加高電壓，就能觀察到管內(nèi)有放電現(xiàn)象。輝光分為明暗相間的8個(gè)區(qū)域，在管內(nèi)兩個(gè)電有（1）探針法，（2）霍爾效應(yīng)法，（３）微波法，（４）光譜法，等等。下面介紹前兩種方法。（1）探針法。探針法測定等離子體參量是朗繆爾提出的，又稱朗繆爾探針法。分單探針法和雙探針法。①單探

6、針法。探針是封入等離子體中的一個(gè)小的金屬電極(其形狀可以是平板形、圓柱形、球形)，其接法如圖2.32所示。以放電管的陽極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位，測出相應(yīng)的探針電流，得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針伏安特性曲線，如圖2.33所示。對此曲線的解釋為：在ＡＢ段，探針的負(fù)電位很大，電子受負(fù)電位的拒斥，而速度很慢的正離子被吸向探針，在探針周圍形成正離子構(gòu)成的空間電荷層，即所謂“正離子鞘”，它把探針電場屏蔽起來。等離子區(qū)中的正離子只能

7、靠熱運(yùn)動(dòng)穿過鞘層抵達(dá)探針，形成探針電流，所以ＡＢ段為正離子流，這個(gè)電流很小。過了Ｂ點(diǎn)，隨著探針負(fù)電位減小，電場對電子的拒斥作用減弱，使一些快速電子能夠克服電場拒斥作用，抵達(dá)探極，這些電子形成的電流抵消了部分正離子流，使探針電流逐漸下降，所以ＢＣ段為正離子流加電子流。到了Ｃ點(diǎn)，電子流剛好等于正離子流，互相抵消，使探針電流為零。此時(shí)探針電位就是懸浮電位ＵF。繼續(xù)減小探極電位絕對值，到達(dá)探極電子數(shù)比正離子數(shù)多得多，探極電流轉(zhuǎn)為正向，并且迅速增

8、大，所以ＣＤ段為電子流加離子流，以電子流為主。當(dāng)探極電位ＵP和等離子體的空間電位Ｕs相等時(shí)，正離子鞘消失，全部電子都能到達(dá)探極，這對應(yīng)于曲線上的Ｄ點(diǎn)。此后電流達(dá)到飽和。如果ＵP進(jìn)一步升高，探極周圍的氣體也被電離，使探極電流又迅速增大，甚至燒毀探針。由單探針法得到的伏安特性曲線，可求得等離子體的一些主要參量。對于曲線的ＣＤ段，由于電子受到減速電位（ＵP－Ｕｓ）的作用，只有能量比ｅ（ＵP－Ｕｓ）大的那部分電子能夠到達(dá)探針。假定等離子區(qū)內(nèi)電子