輝光放電等離子體特性實驗研究

張風昀,羅壘壘,唐 立,王雪鵬

(中國石油大學(華東),山東青島 266580)

輝光放電等離子體特性實驗研究

張風昀,羅壘壘,唐 立,王雪鵬

(中國石油大學(華東),山東青島 266580)

介紹了朗繆爾探針法測等離子參量實驗的基本原理。分別利用兩種方法對等離子參量進行測量,對實驗數(shù)據(jù)進行處理、計算,并對結(jié)果做了分析、討論。

等離子體;放電管;氣體放電

等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì),是繼固體、液體和氣體之后物質(zhì)的第四種聚集狀態(tài)。宏觀上是電中性的特性。等離子體物理學被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工、廣播通訊等部門。目前在大學物理實驗教學中對等離子的研究是從氣體放電開始的,本實驗通過對輝光放電中的等離子研究,通過朗繆爾單探針和雙探針法,對等離子電子溫度和電子密度等參量進行測量。通過該實驗學生對氣體放電等離子體特性有更全面,更深入的認識[1-3]。

1 氣體放電等離子體實驗原理

1.1 稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電

輝光放電是氣體導電的一種形態(tài),在置有板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓氣體或蒸氣,當兩極間電壓較高(1 000伏)時,稀薄氣體中的殘余正離子在電場中加速,有足夠的動能轟擊陰極,產(chǎn)生二次電子,經(jīng)簇射過程產(chǎn)生更多的帶電粒子,使氣體導電。輝光放電的特征是電流強度較小,溫度不高,因此放電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)[4]。

1.2 等離子體的主要參量

(1)電子溫度Te。它是等離子的一個主要參量,因為在等離子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)。

(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。

(5)空間電勢分布。

1.3 等離子體參量的測量

實驗中采用探針法。探針法分單探針法和雙探針法。

(1)單探針法。探針是封入等離子體中的一個小的金屬電極(其形狀可以是平板形、圓柱形、球形)。以放電管的陽極或陰極作為參考點,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,即單探針伏安特性曲線[5-6]。

圖1 單探針伏安特性曲線

假定等離子區(qū)內(nèi)電子的速度服從麥克斯韋分布,則減速電場中靠近探針表面處的電流I,按玻耳茲曼分布應(yīng)為

式中Te為等離子區(qū)中的電子溫度,k為玻耳茲曼常數(shù)。

圖2 探針電子電流的對數(shù)特性

作半對數(shù)曲線,如圖2所示,由直線部分的斜率tgφ,可決定電子溫度Te:

若取以 10為底的對數(shù),則常數(shù) 11600應(yīng)改為5040。

式中I0為UP=US時的電子電流,S為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積。

1.4 雙探針法

雙探針法是在放電管中裝兩根探針,相隔一段距離L。雙探針法的伏安特性曲線如圖3所示。在坐標原點,如果兩根探針之間沒有電位差,它們各自得到的電流相等,所以外電流為零。然而,一般說來,由于兩個探針所在的等離子體電位稍有不同,所以外加電壓為零時,電流不是零。隨著外加電壓逐步增加,電流趨于飽和。最大電流是飽和離子電流Is1、Is2。

圖3 雙探針法的伏安特性曲線

由雙探針特性曲線,通過下式可求得電子溫度Te:

電子密度ne為:

式中M是放電管所充氣體的離子質(zhì)量,S是兩根探針的平均表面面積。Is是正離子飽和電流。

2 實驗儀器

等離子體物理實驗組合儀(簡稱組合儀),接線板,等離子體放電管,電腦化X-Y記錄儀。

3 實驗內(nèi)容及步驟

單探針法測量等離子體參量:讓電腦X-Y記錄儀自動測量等離子體伏安特性曲線。采用輔助分析軟件,算出等離子體參量。

圖4 單探針伏安特性曲線

圖5 單探針下ln I-UP關(guān)系曲線圖

圖6 雙探針伏安特性曲線

圖7 雙探針下ln I-UP關(guān)系曲線圖

表1 單探針和雙探針下測得等離子參量

4 兩種方法的數(shù)據(jù)分析和比較

有表1可知:兩種方法診斷結(jié)果,略有差異。單探針和雙探針相比,數(shù)量級相同,但數(shù)值上相差一倍以上。根據(jù)單探針ln I-UP實驗圖像可以看到單探針法的實驗誤差較大,因為圖像中沒有明顯的線性區(qū)以及飽和區(qū),因此由計算機得到的tanφ誤差比較大。這是因為單探針的離子鞘層厚度隨Up增加而變化,使得較多的電子數(shù)較多的偏離理論值,而且由于離子鞘層厚度的變化是的探針的有效面積發(fā)生變化使得電流無法真正到達飽和。對于雙探針來說,離子鞘層對于平行板的影響可以忽略不計,但是電流仍然達不到飽和,所以在得到飽和電流的時候會存在誤差。實驗測量中,為了盡量減小誤差,故采用雙探針法進行測量。單探針法的優(yōu)點是可以通過伏安特性曲線得到雙探針無法獲得的懸浮電位和空間電位。雙探針法的優(yōu)點不需要參考電位,受放電系統(tǒng)接地情況的影響較小。

[1] 李書光,張亞萍,朱海豐.大學物理實驗[M].北京:科學出版社,2012.

[2] 張谷令,王久麗,楊武保,等.內(nèi)表面柵極等離子體源離子注入TiN薄膜及其特性研究[J].物理學報, 2003,52(9):2213-2217.

[3] 劉元富,張谷令,王久麗,等.脈沖高能量密度等離子體法制備TiN薄膜及其摩擦磨損性能研究[J].物理學報,2004,53(2):503-506.

[4] 張洪志,崔海峰.氣體放電等離子體特性測量I-U曲線不對稱的研究[J].物理實驗,2006,26(7): 34-38.

[5] 陳遠喜,劉祖黎.氣體放電等離子體參量診斷實驗[J].物理實驗,1983,13(2):49-52.

[6] 李玉.激光誘導空氣等離子體的實驗研究[J].大學物理實驗,2014(2):12-13.

Experimental Studies on Plasma Characteristics of Glow Discharge

ZHANG Feng-yun,LUO Lei-lei,TANG Li,WANG Xue-peng
(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

Briefly introduces the basic principles tomeasure plasma parameters by Langmuir probe.Plasma parameters ismeasured respectively in twomethods,with the experiment data processed and calculated,and the experiment result analyzed and discussed.

plasma;discharge;gas discharge

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.006

1007-2934(2015)05-0018-04

2015-04-24