《气体放电等离子体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气体放电等离子体（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、气体放电等离子体 单探针“”曲线拟合 双探针“”曲线的研究,物理学院：焦利光,一：引言等离子体是物质存在的第四状态由等量正负电荷离子和中性粒子组成，整体呈现电中性，他广泛存在于大自然中。现在，等离子体技术被广泛的应用于工程技术领域，例如：受控热核反应、空间技术、电子工业、金属加工及广播通讯中。因此，对等离子体特性的研究无论从理论上还是实践中都有重要意义。目前我们在实验上研究的是低温、高真空条件下氦气直流辉光放电等离子体，要想了解电子温度和电子密度等重要信息就要对其伏安特性进行测量，一般采用静电探针法。其又可分为“单探针”和“双探针”两种。单探针法中，探针的电压易破坏气体的放电状态，测量结果误差
2、较大。而双探针法的原理是在单探针的基础上实现的，因此要想深入的了解双探针法，我们有必要先“搞懂”单探针法。,二：单探针法静电探针的结构十分简单，就是一根细的金属丝，除端点工作部分外，其他都套上绝缘套。测量线路如图所示：,刚开始探针未加电压，等离子体内电子的平均热运动速度远大于正离子的速度，因而在单位时间内打在探针表面上的电子数目远大于离子数，探针表面累计起了负电荷，电位相对于附近未被扰动的等离子体电位的差为负值。这个负电位排斥电子吸收离子，使电子电流变小，离子电流变大，最后单位时间进入探针表面的正电荷数等于负电子数，探针电流为零。,这是一种动态平衡，探针与附近等离子体的电位差也不再改变，我们称
3、其为“悬浮电位”。记为：,当外加电源使得这个电位差 不等于 时，就会有电流流过探针。由于我们无法直接测量探针相对于等离子体内电位差 ，而只能测量探针相对于某一极（如阳极）的电位差 。再假设等离子体内的电位相对于阳极的电位为 ，则有如下关系式：,下面是以 为横坐标得到的 曲线：,（）当 时，如图中点，这时探针电位与附近的等离子体电位相同，他们中间不存在空间电荷壳层，此时电子和离子作无规则热运动打到探针表面而产生电流。设流出探针的电流为正，流入为负，因此，若电子碰撞产生电流为 ，离子碰撞产生电流为 ，则有：,（只代表大小）,（）当 时，如图中E点，此时探针电位远远高于附近等离子体的电位，正离子受到
4、排斥，打到探针上的离子电流将趋于零，负电子受到吸引，而在探针周围形成一层“电子壳层”，探针电流约等于电子电流,（）当 时，如图中点，探针电流为电子电流和离子电流之和，但由于电子要克服探针表面的负电位才能达到探针表面，因而电子电流将随着负电位绝对值的增大而减小，变化规律为：,（）当 时，如图中点探针电流为零，探针处于悬浮状态，原因我们已在前面讨论过了，不再叙述。应有：,（）当 时，如图中点， 探针电位很低，几乎所有的电子都受到排斥，电子电流趋向于零，正离子受到强烈的吸引，因而在其附近形成一个“离子鞘层”，收集全部飞向探针的正离子，探针电流等于饱和离子流,至此，我们已明白了单探针的特性曲线变化规律
5、了。,三：用单探针 曲线拟合双探针 曲线,双探针法是在气体等离子放电管的靠近阳极附近放置两个悬浮的探针，调节两探针之间的电压，从测得放电管处于稳定状态下的伏安特性曲线，即可推出电子温度和电子密度等重要信息。测量装置如图所示：,假设我们在此之前已得到两个探针分别作为单探针时的 特性曲线。,电路中：探针、等离子体、电源三者构成一个回路，等离子体流过探针的电流必然准确的等于由探针流出而达到等离子体的电流。即：,（）当 且较大时，有 ，为了保证电流大小相等方向相反，两探针应分别工作与下图所示的区域中。,设：,声明：电流表测量的是流出的电流。因此应同 一样。,随着 的增大处曲线较陡，处曲线平缓，因此为保
6、证共同的电流增量 ，必须得有很小的 （几乎不动），和很大的 ，此时： 。 的增大主要由 的减小来贡献，这样的结果使得 趋向于 （饱和离子流）。即： 。且变化较为平缓。,实际上等离子体内部有背底偏压： ，所以探针、间的实际电压差要高于 ，即：，实际电流要变得稍大一些，反映在图中如下：,（）当 减小时， 间距变小，他们都将趋于 ，导致有 减小，且减小速度较快，曲线较陡 当 时， ，探针间电压为零，此时电流为零，曲线交于横轴原点处。实际上，由于背底电压的存在， ，应继续减小 （电压表读数），直至 。此时 。反映在图中如下：,（）当 继续减小时， ，两探针工作点发生变化：,同（）的讨论相似，随着 的急
7、剧减小， 急剧左移，而几乎不动，电流趋向于探针的饱和离子流 ，电流是流入探针，因此为负值。变化也是较为平缓。,同样由于背底电压的存在，探针间实际电压差要稍小一些，即： 。实际电流绝对值要稍小些，曲线上抬。,至此，我们已拟合处双探针的“ ”曲线和它的大致走向，下面我们从实验角度来验证。,四：实验验证经以上推测，可得知双探针的“ ”曲线理论图与实验图应该如下：,多次试验曲线图也证实了我们的推测是正确的。,我们还可以从另外一个角度来证明：由推导过程我们可知，实验曲线的三个特点：（）横轴交点处 。（） 部分曲线斜率较大。（） 部分曲线斜率较小。这三个特点全部是由于探针所在部位的等离子体电位差，即背底电
8、压 造成的。因此，若我们将背底电压反转： ，则曲线会向相反方向变化：（）横轴交点处 。（） 部分曲线斜率较小。（） 部分曲线斜率较大。,我们改变放电管极性，测量“ ”曲线如下图所示：,至于 主要是改变放电极性后，两探针距阳极距离发生了变化，背底电压绝对值之差发生了变化，这是完全可以理解的。,五：实验感想由于我们得到的是“非中心对称”的“不完美”理论曲线，这就促使我们将仪器进行改进，试图得到“中心对称”理论曲线。首先：将背底差电压去掉；其次：由于探针表面积不等，有 曲线左右不等，我们可以改变探针。如下图所示：,不过由于断面面积较小，实验中电流可能会较小，这可以是用粗探针来避免。,“探针模型”的进一步简化,感谢大家能在百忙之中抽出时间参加这次论文报告会,感谢这半年来所有实验老师对我们的帮助,谢谢,
