辉光放电等离子体特性实验研究

张风昀,罗垒垒,唐 立,王雪鹏

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

辉光放电等离子体特性实验研究

张风昀,罗垒垒,唐 立,王雪鹏

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

介绍了朗缪尔探针法测等离子参量实验的基本原理。分别利用两种方法对等离子参量进行测量,对实验数据进行处理、计算,并对结果做了分析、讨论。

等离子体;放电管;气体放电

等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,是继固体、液体和气体之后物质的第四种聚集状态。宏观上是电中性的特性。等离子体物理学被广泛应用于电力工业、电子工业、金属加工、广播通讯等部门。目前在大学物理实验教学中对等离子的研究是从气体放电开始的,本实验通过对辉光放电中的等离子研究,通过朗缪尔单探针和双探针法,对等离子电子温度和电子密度等参量进行测量。通过该实验学生对气体放电等离子体特性有更全面,更深入的认识[1-3]。

1 气体放电等离子体实验原理

1.1 稀薄气体产生的辉光放电

辉光放电是气体导电的一种形态,在置有板状电极的玻璃管内充入低压气体或蒸气,当两极间电压较高(1 000伏)时,稀薄气体中的残余正离子在电场中加速,有足够的动能轰击阴极,产生二次电子,经簇射过程产生更多的带电粒子,使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小,温度不高,因此放电管内有特殊的亮区和暗区[4]。

1.2 等离子体的主要参量

(1)电子温度Te。它是等离子的一个主要参量,因为在等离子中电子碰撞电离是主要的,而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系,即与电子温度相关。

(2)带电粒子密度。电子密度为ne,正离子密度为ni,在等离子体中ne=ni。

(5)空间电势分布。

1.3 等离子体参量的测量

实验中采用探针法。探针法分单探针法和双探针法。

(1)单探针法。探针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)。以放电管的阳极或阴极作为参考点,改变探针电位,测出相应的探针电流,得到探针电流与其电位之间的关系,即单探针伏安特性曲线[5-6]。

图1 单探针伏安特性曲线

假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦分布,则减速电场中靠近探针表面处的电流I,按玻耳兹曼分布应为

式中Te为等离子区中的电子温度,k为玻耳兹曼常数。

图2 探针电子电流的对数特性

作半对数曲线,如图2所示,由直线部分的斜率tgφ,可决定电子温度Te:

若取以 10为底的对数,则常数 11600应改为5040。

式中I0为UP=US时的电子电流,S为探针裸露在等离子区中的表面面积。

1.4 双探针法

双探针法是在放电管中装两根探针,相隔一段距离L。双探针法的伏安特性曲线如图3所示。在坐标原点,如果两根探针之间没有电位差,它们各自得到的电流相等,所以外电流为零。然而,一般说来,由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同,所以外加电压为零时,电流不是零。随着外加电压逐步增加,电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流Is1、Is2。

图3 双探针法的伏安特性曲线

由双探针特性曲线,通过下式可求得电子温度Te:

电子密度ne为:

式中M是放电管所充气体的离子质量,S是两根探针的平均表面面积。Is是正离子饱和电流。

2 实验仪器

等离子体物理实验组合仪(简称组合仪),接线板,等离子体放电管,电脑化X-Y记录仪。

3 实验内容及步骤

单探针法测量等离子体参量:让电脑X-Y记录仪自动测量等离子体伏安特性曲线。采用辅助分析软件,算出等离子体参量。

图4 单探针伏安特性曲线

图5 单探针下ln I-UP关系曲线图

图6 双探针伏安特性曲线

图7 双探针下ln I-UP关系曲线图

表1 单探针和双探针下测得等离子参量

4 两种方法的数据分析和比较

有表1可知:两种方法诊断结果,略有差异。单探针和双探针相比,数量级相同,但数值上相差一倍以上。根据单探针ln I-UP实验图像可以看到单探针法的实验误差较大,因为图像中没有明显的线性区以及饱和区,因此由计算机得到的tanφ误差比较大。这是因为单探针的离子鞘层厚度随Up增加而变化,使得较多的电子数较多的偏离理论值,而且由于离子鞘层厚度的变化是的探针的有效面积发生变化使得电流无法真正到达饱和。对于双探针来说,离子鞘层对于平行板的影响可以忽略不计,但是电流仍然达不到饱和,所以在得到饱和电流的时候会存在误差。实验测量中,为了尽量减小误差,故采用双探针法进行测量。单探针法的优点是可以通过伏安特性曲线得到双探针无法获得的悬浮电位和空间电位。双探针法的优点不需要参考电位,受放电系统接地情况的影响较小。

[1] 李书光,张亚萍,朱海丰.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2012.

[2] 张谷令,王久丽,杨武保,等.内表面栅极等离子体源离子注入TiN薄膜及其特性研究[J].物理学报, 2003,52(9):2213-2217.

[3] 刘元富,张谷令,王久丽,等.脉冲高能量密度等离子体法制备TiN薄膜及其摩擦磨损性能研究[J].物理学报,2004,53(2):503-506.

[4] 张洪志,崔海峰.气体放电等离子体特性测量I-U曲线不对称的研究[J].物理实验,2006,26(7): 34-38.

[5] 陈远喜,刘祖黎.气体放电等离子体参量诊断实验[J].物理实验,1983,13(2):49-52.

[6] 李玉.激光诱导空气等离子体的实验研究[J].大学物理实验,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