用電子管做等離子體診斷實(shí)驗(yàn)

周 非,沙振舜

(南京大學(xué)物理學(xué)院,江蘇 南京210093)

用電子管做等離子體診斷實(shí)驗(yàn)

周 非,沙振舜

(南京大學(xué)物理學(xué)院,江蘇 南京210093)

用電子管代替氣體放電管做等離子體診斷實(shí)驗(yàn),分別使用X-Y自動(dòng)記錄儀和萬用表進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算得出等離子體參量,并與使用放電管得出的等離子參量做比較,證明了用電子管代替氣體放電管的可行性.

等離子體診斷;氣體放電管;電子管

鑒于等離子體的應(yīng)用日益廣泛,以及等離子體診斷在等離子體研究中的重要地位,我們?cè)诮锢韺?shí)驗(yàn)中開設(shè)了靜電探針法等離子體診斷的實(shí)驗(yàn),用的是氣體放電管,這種放電管是充汞和氬的玻璃管,長約25 cm,兩端裝有陽極和陰極,另有單探針、雙探針和霍爾棎針.實(shí)驗(yàn)開設(shè)多年,效果較好,但是放電管的來源成了問題,因?yàn)檫@種放電管是手工做的,成品率低,致使售價(jià)越來越高,況且放電管的參量不齊,由于怕污染,很多廠家都生產(chǎn)了,于是我們只好尋找替代品.

國外文獻(xiàn)[1-3]有用電子管做物理實(shí)驗(yàn)的報(bào)導(dǎo),受到啟發(fā),于是進(jìn)行探索,終于找到了適合做等離子體診斷實(shí)驗(yàn)的國產(chǎn)電子管,以及實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備和方法,并進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn).

1 電子管選型

國外文獻(xiàn)上使用的是用OA 4-G型充氬三極管,但找不到,于是采用了國產(chǎn)商用ZQ1-0.3/1.3型充氙的閘流管,做朗謬爾探針法診斷,也許這不是最佳選擇,但這種電子管市面上容易買到,價(jià)格便宜,大概是放電管的十分之一,而且體積小,接線方便.其參量如下:熱絲電壓6.3 V,熱絲電流0.6 A,內(nèi)充氙氪混合氣,最大屏反峰電圧1.3 kV,最大屏極峰圧 650 V,最大屏極峰流500 m A,最大屏極平均電流100 m A,陰熱絲極間最大電圧50 V,第一、二柵最大電圧-100 V,屏極表面積2.00 mm2,第一柵極表面積230 mm2.ZQ1-0.3/1.3型電子管管腳接線如圖1所示.

圖1 ZQ1-0.3/1.3型電子管管腳接線

2 儀器與線路

為了做等離子體診斷實(shí)驗(yàn),制作了等離子體物理實(shí)驗(yàn)組合儀,提供實(shí)驗(yàn)所需的各種電源以及電流測(cè)試儀表,利用接線盒與電子管管座相連,并通過電腦化X-Y記錄儀(A/D轉(zhuǎn)換)與計(jì)算機(jī)連接,可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試.另外用模擬萬用電表進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試,作為對(duì)照.

單探針法原理性線路如圖2所示.

圖2 單探針法原理性線路

3 測(cè) 試

將電路接通后從電子管頂端可以看到管頂有淡紫色輝光出現(xiàn),說明產(chǎn)生了等離子體.

用電腦化X-Y記錄儀與微機(jī)自動(dòng)測(cè)試,獲探針 I-Up特性曲線,如圖3所示.

圖3 自動(dòng)測(cè)試的單探針I(yè)-U p特性曲線

用萬用電表進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試,獲探針 I-U特性曲線,如圖4所示.

圖4 用萬用電表測(cè)試的單探針I(yè)-U特性曲線

用自制的等離子體數(shù)據(jù)分析軟件,按照朗謬爾靜電探針法的計(jì)算公式,求得等離子體參量如表1所示,同時(shí)列出氣體放電管中等離子體參量,以及國外類似電子管中等離子體參量,作為比較,發(fā)現(xiàn)它們?cè)跀?shù)量級(jí)上符合得較好.

表1 等離子體參量

實(shí)驗(yàn)表明,用電子管替代放電管是可行的.

用電子管做等離子體診斷實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)電子管價(jià)格便宜,容易獲得.

2)機(jī)器生產(chǎn)的電子管參量比較一致,因此,測(cè)得的等離子體參量重復(fù)性好.

3)從特性曲線上看,拐點(diǎn)明顯,容易確定,因此,測(cè)量較準(zhǔn)確.

4)電子管體積小,重量輕,因有管座,故容易接線,不易斷線.

缺點(diǎn)如下:

1)有局限性.不能改變管內(nèi)壓強(qiáng)和氣體種類,不能動(dòng)態(tài)測(cè)量.

2)測(cè)試過程中放電電流會(huì)改變,需要隨時(shí)調(diào)整,使放電電流恒定.

3)探針面積(實(shí)際上是電子管的極)不容易精確計(jì)算,探針相對(duì)于等離子體空間大了些.

4)由于雙探針不對(duì)稱,做岀的特性曲線較差,用這種電子管做雙探針法有困難.

改進(jìn)意見:

1)尋找更合適的電子管或者請(qǐng)廠家做適合診斷用的電子管.

2)把電子管做成可以充氣的,改變管內(nèi)壓強(qiáng)和氣體種類,進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,這樣應(yīng)用更廣.

4 結(jié)束語

總的說來,電子管可以部分地代替氣體放電管做等離子體診斷實(shí)驗(yàn),應(yīng)急使用.其意義不僅如此,用電子管還可以做其他基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn),如電子比荷測(cè)量、電離電位測(cè)量等.

[1]A lexeff I,Pytlinski J T,Oleson N L.New elementary experiments in p lasma physics[J].American Journal of Physics,1977,45(9):860-866.

[2]Pytlinski J T,A lexeff I.Some p lasma physics experiments on electrical conductivity and similarity law s[J].American Journal of Physics,1977,45(12):1 196-1 199.

[3]Pytlinski J T,Donnert H J,Alexeff I.Behavior of a single Langmuir p robe in a magnetic field[J].A-merican Journal of Physics,1978,46(12):1 276-1 278.

[4]李明,王葉,耿在斌.等離子體綜合實(shí)驗(yàn)儀[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(11):12-14.

[5]俞哲,張芝濤,趙建森.Langmuir雙探針診斷Ne輝光放電管電子密度[J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(1):1-5.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Plasma diagnostic experiments with electron tube

ZHOU Fei,SHA Zhen-shun
(Physics School,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

The p lasma diagnostic experiments are introduced by rep lacing gas discharge tube w ith electron tube.The p lasma characteristic ismeasured by X-Y automatic recording instrument and the m ultimeter in the experiment.And then the p lasma parameters could be derived.The feasibility of using the electron tube in the experiment is p resented by comparing the parametersw ith those obtained using gas discharge tube.

p lasma diagnostic experiment;gas discharge tube;electron tube

O53

A

1005-4642(2010)11-0033-02

2010-03-08

周 非(1974-),男,江蘇揚(yáng)州人,南京大學(xué)物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心工程師,主要從事近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及教學(xué)改革研究工作.