中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）等离子体特性研究.pdf

物理实验教程一近代物理实稻 ( 实验5-4等离子体特性研究 1879年，克鲁克斯(W.Crookes)在研究气体放电的过程中指出物质可能以第四态形式存在。1928年，朗缪尔(L.Langmuir)提出用“plasma”(等离子体)描述气体放电过程中贴近放电管壁的区域，并提出了等离子体振荡理论。朝缨尔的研究开创了物理学的一个新的分支一等离子体物理。朗缪尔进一步发明了氢气焊接、灯泡充入气体的技术，并因其在表面化学方面的贡献而获得1932年诺贝尔化学奖。随着温度的升高，物质从固态到液态再到气态转化。当温度进一步升高时，物质受热能的激发而全部电离，或者气态物质在较低的温度下由于放电而全部电离，电离后形成的电子的总电荷量同所有的正离子的总电荷量在数值上相等，而在宏观上保持电中性，这就是等离子体。20世纪30年代以后，人们认识到过去在放电管中的电离气体同处在 1×10°℃状态下的物质都属等离子体，只是电离度和温度有差别。在放电管中研究的等离子体，因其温度低，所以称为低温等离子体：在热核反应中形成的电离气体，温度很高称为高温等离子体。等离子体是存在最广泛的一种物质，日前观测到的宇宙物质中99%是等离子体。太空中的太阳风、行星际介质、星际介质、星系间介质等，地球上的闪电、极光、大气层中的电离层等，荧光打、原虹打灯管中的电离气，核聚变实验中的高温电离气体以及电焊时产生的高温电弧体等都是等离子体。随着对等离子体研究的逐步深入，形成了受控热核聚变 (controlled thermonuclear fusion,CTF)等离子物理、空间与天体等离子物理，低温等离子物理三个相对独立的研究和应用领域，使得等离子体科学在能源，材料、信息，环保，国防微电子、半导体，航空、航天、冶金、生物医学，造纸，化工、纺织、通信等诸多领域得到了应用。尽管等离子体和普通气体有很多相似之处，如没有确定的形状和体积、具有流动性但两者也有很大的区别：①普通气体由分子构成，分子之间的相互作用力是短程力，当分子碰撞时分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述；等离子体是种电离气体，是电和热的良导体，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，且电磁力起主要作用，使原本普通的物质内部出现新的运动形式，在无规则的热运动之外能产生某些类型的集体运动，如等离子体振荡。②一般普通气体的速率分布满足麦克斯韦分布(Maxwell distribution),但等离子体由于与电场的耦合可能偏离麦克斯韦分布。本实验研究气体放电过程中的等离子体特性并利用等离子体诊断技术测定等离子体的一此基本参量【实验目的】 (1)理解气体放电过程中产生等离子体的基本原理和低温等离子体的基本特性。 (2)掌握探针法和霍尔效应法测量等离子体的原理和技术。 276

— ２７６ — 实验５Ｇ４等离子体特性研究１８７９年,克鲁克斯(W．Crookes)在研究气体放电的过程中指出物质可能以第四态形式存在.１９２８年,朗缪尔(I．Langmuir)提出用“plasma”(等离子体)描述气体放电过程中贴近放电管壁的区域,并提出了等离子体振荡理论.朗缪尔的研究开创了物理学的一个新的分支———等离子体物理.朗缪尔进一步发明了氢气焊接、灯泡充入气体的技术,并因其在表面化学方面的贡献而获得１９３２年诺贝尔化学奖. 随着温度的升高,物质从固态到液态再到气态转化.当温度进一步升高时,物质受热能的激发而全部电离,或者气态物质在较低的温度下由于放电而全部电离,电离后形成的电子的总电荷量同所有的正离子的总电荷量在数值上相等,而在宏观上保持电中性,这就是等离子体.２０世纪３０年代以后,人们认识到过去在放电管中的电离气体同处在１×１０８ ℃状态下的物质都属等离子体,只是电离度和温度有差别.在放电管中研究的等离子体,因其温度低,所以称为低温等离子体;在热核反应中形成的电离气体,温度很高, 称为高温等离子体. 等离子体是存在最广泛的一种物质,目前观测到的宇宙物质中９９％是等离子体.太空中的太阳风、行星际介质、星际介质、星系间介质等,地球上的闪电、极光、大气层中的电离层等,荧光灯、霓虹灯灯管中的电离气,核聚变实验中的高温电离气体以及电焊时产生的高温电弧体等都是等离子体.随着对等离子体研究的逐步深入,形成了受控热核聚变 (controlledthermonuclearfusion,CTF)等离子物理、空间与天体等离子物理、低温等离子物理三个相对独立的研究和应用领域,使得等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通信等诸多领域得到了应用. 尽管等离子体和普通气体有很多相似之处,如没有确定的形状和体积、具有流动性, 但两者也有很大的区别:① 普通气体由分子构成,分子之间的相互作用力是短程力,当分子碰撞时分子之间的相互作用力才有明显效果,理论上用分子运动论描述;等离子体是一种电离气体,是电和热的良导体,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,且电磁力起主要作用,使原本普通的物质内部出现新的运动形式,在无规则的热运动之外能产生某些类型的集体运动,如等离子体振荡.② 一般普通气体的速率分布满足麦克斯韦分布(Maxwelldistribution),但等离子体由于与电场的耦合可能偏离麦克斯韦分布. 本实验研究气体放电过程中的等离子体特性并利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量. 【实验目的】 (１)理解气体放电过程中产生等离子体的基本原理和低温等离子体的基本特性. (２)掌握探针法和霍尔效应法测量等离子体的原理和技术

原子物理与核物理实验第5章 (3)学会测量等离子体的主要基本参量。【预习要求】 (1)什么是等离子体？ (2)等离子体有哪些基本特性？用哪些主要参量来描述？ (3)等离子体诊断方法有哪此？ (4)实验中用哪两种方法测量等离子体的参量？【实验原理】一、气体辉光放电与等离子体产生辉光放电(glow discharge)是气体导电的一种形态。图5-41是气体放电管的工作原理图。气体放电管是置有板状电极的玻璃管，其内充入低压气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000V)时，气体放电产生电子和正离子。在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷，因而形成明显的电热隆蒸，分刚称为阳极压降和阴极压降。阴极压隆是电极间电势降落的主要成分因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内，这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时两极间电压不随电流变化。可调高压源 ⊙ 等子体放电管电了图54-1气体放电管工作原理图图5-4-2是辉光放电时气体放电管中各部分的光区分布。辉光放电的特征是电流强度小，温度不高，故气体放电管内有特殊的亮区和暗区，由阴极表面开始依次为阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负极辉光区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区，其中以负极辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关。正柱区是等离子体区，其特征是.气体高度电离：电场强度很小，且沿轴向有桓定值，这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动，所以它们基本上遵从麦克斯韦分布：由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子大很多。二、等离子体的主要参量描述等离子体的主要参量有：①电子温度T,这是描述等离子体的一个重要参量 -277

— ２７７ — (３)学会测量等离子体的主要基本参量. 【预习要求】 (１)什么是等离子体? (２)等离子体有哪些基本特性? 用哪些主要参量来描述? (３)等离子体诊断方法有哪些? (４)实验中用哪两种方法测量等离子体的参量? 【实验原理】一、气体辉光放电与等离子体产生辉光放电(glowdischarge)是气体导电的一种形态.图５Ｇ４Ｇ１是气体放电管的工作原理图.气体放电管是置有板状电极的玻璃管,其内充入低压气体或蒸气,当两极间电压较高(约１０００V)时,气体放电产生电子和正离子.在放电管两极电场的作用下,电子和正离子分别向阳极、阴极运动,在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷,因而形成明显的电势降落,分别称为阳极压降和阴极压降.阴极压降是电极间电势降落的主要成分. 因正离子的漂移速度远小于电子,故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多,使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内,这是辉光放电的显著特征,而且在正常辉光放电时两极间电压不随电流变化. 图５Ｇ４Ｇ１气体放电管工作原理图图５Ｇ４Ｇ２是辉光放电时气体放电管中各部分的光区分布.辉光放电的特征是电流强度小、温度不高,故气体放电管内有特殊的亮区和暗区,由阴极表面开始依次为阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负极辉光区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区,其中以负极辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体.这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果,与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关.正柱区是等离子体区,其特征是:气体高度电离;电场强度很小,且沿轴向有恒定值,这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动,所以它们基本上遵从麦克斯韦分布;由于电子质量小,它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小,所以电子的平均动能比其他粒子大很多. 二、等离子体的主要参量描述等离子体的主要参量有:① 电子温度 Te,这是描述等离子体的一个重要参量

物理实验教程一近代物理实验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能量有直接关系，即与电子温度相关：②带电粒子密度。，在等离子体中电子密度与正离子密度相等：③轴向电场强度E:,表征为维持等离子体存在所需的能量：④电子平均动能E。:⑤空间电势分布U。图54-2气体放电管中的光区分布三、等离子体诊断测量等离子体的方法称为等离子体诊断(plasma diagnostics),它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断包括探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等。本实验采用探针法和霍尔效应法。 1。探针法测量等离子体的探针法分为单探针法和双探针法，本实验采用单探针法。单探针法的实验原理如图5-4-3所示。探针(probe)是封人等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆料形、球形)。以气体放电管的阴极（或阳极）作为参考点，凸⊙ 逐渐改变探针电势U,测出相应的探针电流。理论上由于电子热运动的平均速度远大于正离子，因此在开始时打在探针表面上的电子数远大于正离子数，使探针表面逐渐积累负电荷，从而使探针相对于其附近空间电势 ⊙ (spatial potential)为U、的等离子体的电势差为负值这个负电势差排斥电子，吸引正离子，从而在探针附形成带正电荷的空间电荷层（正离子鞘）。这个正离子鞘逐渐增厚，直到单位时间进入探针表面的电子数与正图54-3单探针法实验原理图离子数相等为止，这时探针电流为零，其表面的负电势将不再改变，这时探针的电势称为悬浮电势(floating potential)Ui。当外加电源使得探针相对于其附近空间电势的电势差 U,≠U,时，探针就会有电流。U,与电流1之间的关系即探针伏安特性曲线，如图5-4-4(a 所示。实际测量时，参考电极（阴极或阳极）与等离子体电势不相等[电极与等离子体接触处形成一鞘层(sh©ath),图中I。表示离子饱和电流]，只能测出探针对参考电极的电势差 278

— ２７８ — 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能量有直接关系,即与电子温度相关;② 带电粒子密度n０,在等离子体中电子密度与正离子密度相等;③ 轴向电场强度EL,表征为维持等离子体存在所需的能量;④ 电子平均动能E􀭺e;⑤ 空间电势分布Us. 图５Ｇ４Ｇ２气体放电管中的光区分布三、等离子体诊断测量等离子体的方法称为等离子体诊断(plasmadiagnostics),它是等离子体物理实验的重要部分.等离子体诊断包括探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等.本实验采用探针法和霍尔效应法. １．探针法测量等离子体的探针法分为单探针法和双探针法,本实验采用单探针法.单探针法图５Ｇ４Ｇ３单探针法实验原理图的实验原理如图５Ｇ４Ｇ３所示.探针(probe)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).以气体放电管的阴极(或阳极)作为参考点, 逐渐改变探针电势Up,测出相应的探针电流.理论上, 由于电子热运动的平均速度远大于正离子,因此在开始时打在探针表面上的电子数远大于正离子数,使探针表面逐渐积累负电荷,从而使探针相对于其附近空间电势 (spatialpotential)为Us 的等离子体的电势差为负值. 这个负电势差排斥电子,吸引正离子,从而在探针附近形成带正电荷的空间电荷层(正离子鞘).这个正离子鞘逐渐增厚,直到单位时间进入探针表面的电子数与正离子数相等为止,这时探针电流为零,其表面的负电势将不再改变,这时探针的电势称为悬浮电势(floatingpotential)Uf.当外加电源使得探针相对于其附近空间电势的电势差 Up≠Uf时,探针就会有电流.Up与电流I 之间的关系即探针伏安特性曲线,如图５Ｇ４Ｇ４(a) 所示.实际测量时,参考电极(阴极或阳极)与等离子体电势不相等[电极与等离子体接触处形成一鞘层(sheath),图中Ii０表示离子饱和电流],只能测出探针对参考电极的电势差

原子物理与核物理实验第5章 U(U=U,十U,),得到探针电流与外加电压U的伏安特性曲线，如图5-4-4(b)所示。 (a)理论曲线 (b)实际曲线图544单探针伏安特性曲线对于图5-44(b):在AB段时，探针电势比等离子体的空间电势U要低得多，所以电子受到负电势的排斥作用，而速度很慢的正离子则被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，即正离子鞘，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到达探针，形成探针电流，所以AB段为正离子流，这个电流很小。过B点后，随着探针电势增大，电场对电子的排斥作用减弱，使一些能量较大的电子能够克服电场排斥作用到达探针，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐减小。所以BC段为正离子流十电子流。到C点时，电子流刚好等于正离子流，两者相互抵消，使探针电流为零。继续增大探针电势时，到达探针电极的电子数比正离子数多得多，探针电流转为正向，并且迅速增大，所以CD段为电子流十正离子流，以电子流为主。当探针电势U,和等离子体的空间电势U,相等时，正离子鞘消失，全部电子都能到达电极，这对应于曲线上的D点，此后电流达到饱和。当探针电势U,进一步升高时，探针电极周围的气体也被电离，使探针电流又迅速增大，直至烧毁探针。根据由单探针法得到的伏安特性曲线图5-44(b),可求得等离子体的一些主要参量。 (1)等离子体的空间电势U, 从图5-4-4(b)中可以看出，等离子体的空间电势U,是曲线转折点D点对应的横坐标，此时进人探针的电子数达到饱和。 (2)悬浮电势U。悬浮电势U,是探针电流【为零时的探针电势，此时进入探针的电子数与离子数相等。根据测出的单探针伏安特性曲线图54-4(b)找到1=0对应的横坐标U1-。,由U= U-。一U,即可得悬浮电势U。 (3)电子温度T。在图5-4-4(b)中的CD段，由于电子受到减速电势(U。一U.)的作用，只有能量比 (U,一U)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-玻耳兹曼分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度”。应为： .=epE,-2 kT。 (5-4-1) 式中，”。为等离子区中的电子密度（即带电粒子密度），T为等离子区中的电子温度，k。为玻耳维经常数，当电子平均速度为位一一)时，在单位时间内春到表面积为S -279

— ２７９ — U(U＝Up＋Us),得到探针电流与外加电压U 的伏安特性曲线,如图５Ｇ４Ｇ４(b)所示. 图５Ｇ４Ｇ４单探针伏安特性曲线对于图５Ｇ４Ｇ４(b):在AB 段时,探针电势比等离子体的空间电势Us要低得多,所以电子受到负电势的排斥作用,而速度很慢的正离子则被吸向探针,在探针周围形成正离子构成的空间电荷层,即正离子鞘,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到达探针,形成探针电流,所以 AB 段为正离子流,这个电流很小.过 B 点后,随着探针电势增大,电场对电子的排斥作用减弱,使一些能量较大的电子能够克服电场排斥作用到达探针,这些电子形成的电流抵消了部分正离子流,使探针电流逐渐减小, 所以BC 段为正离子流＋电子流.到C 点时,电子流刚好等于正离子流,两者相互抵消, 使探针电流为零.继续增大探针电势时,到达探针电极的电子数比正离子数多得多,探针电流转为正向,并且迅速增大,所以CD 段为电子流＋正离子流,以电子流为主.当探针电势Up和等离子体的空间电势Us相等时,正离子鞘消失,全部电子都能到达电极,这对应于曲线上的D 点,此后电流达到饱和.当探针电势Up进一步升高时,探针电极周围的气体也被电离,使探针电流又迅速增大,直至烧毁探针.根据由单探针法得到的伏安特性曲线图５Ｇ４Ｇ４(b),可求得等离子体的一些主要参量. (１)等离子体的空间电势Us. 从图５Ｇ４Ｇ４(b)中可以看出,等离子体的空间电势Us是曲线转折点 D 点对应的横坐标,此时进入探针的电子数达到饱和. (２)悬浮电势Uf. 悬浮电势Uf是探针电流I 为零时的探针电势,此时进入探针的电子数与离子数相等.根据测出的单探针伏安特性曲线图５Ｇ４Ｇ４(b)找到I＝０对应的横坐标UI＝０,由Uf＝ UI＝０－Us 即可得悬浮电势Uf. (３)电子温度Te. 在图５Ｇ４Ｇ４(b)中的 CD 段,由于电子受到减速电势(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Ｇ玻耳兹曼分布,则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne 应为: ne ＝n０exp e(Up －Us) kBTe é ë ê ê ù û ú ú (５Ｇ４Ｇ１) 式中,n０为等离子区中的电子密度(即带电粒子密度),Te为等离子区中的电子温度,kB 为玻耳兹曼常数.当电子平均速度为v － e(v － e ＝８kBTe πme )时,在单位时间内落到表面积为S