樂(lè)永康,趙在忠,謝寰彤

(1.復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,上海200433;2.上海寰彤科教設(shè)備有限公司,上海201806)

脈沖放電弧光等離子體演示儀

樂(lè)永康1,趙在忠1,謝寰彤2

(1.復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,上海200433;2.上海寰彤科教設(shè)備有限公司,上海201806)

介紹了一種脈沖放電弧光等離子體演示儀.該設(shè)備內(nèi)置的測(cè)量電路可以直接顯示放電電壓、電流的大小和放電的持續(xù)時(shí)間,放電電流也可以通過(guò)附帶的感應(yīng)線圈來(lái)測(cè)量;結(jié)合光柵光譜儀,可以測(cè)出發(fā)光光譜,進(jìn)而求出等離子體的溫度、密度等參數(shù).

脈沖放電弧光等離子體;放電參數(shù);感應(yīng)線圈;發(fā)光光譜

1 引 言

等離子體常被稱作物質(zhì)的第四態(tài),占宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的99%.日常生活中常見(jiàn)的等離子體如火焰、霓虹燈、電弧等.近年來(lái)低溫等離子體在生產(chǎn)研究各個(gè)方面的應(yīng)用越來(lái)越多,而最有希望解決人類(lèi)未來(lái)的能源危機(jī)的可控核聚變技術(shù)則是基于高溫等離子體.但在教學(xué)中,學(xué)生了解和接觸等離子體的機(jī)會(huì)很少,往往覺(jué)得相關(guān)物理內(nèi)容比較神秘.為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容,并集成盡量多的知識(shí)點(diǎn),是研制本設(shè)備的出發(fā)點(diǎn).

2 脈沖放電弧光等離子體演示儀

不同于目前的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里常見(jiàn)的低溫等離子體,如輝光放電等離子體[1-2]和潘寧放電等離子體[3],脈沖放電弧光等離子體演示儀能夠演示脈沖強(qiáng)電流放電產(chǎn)生弧光等離子體的過(guò)程.內(nèi)置的測(cè)量電路可以顯示放電時(shí)的電壓、電流大小和放電持續(xù)的時(shí)間,放電電流也可以通過(guò)附帶的感應(yīng)線圈來(lái)測(cè)量;結(jié)合光柵光譜儀,可以測(cè)出發(fā)射光譜,進(jìn)而求出等離子體的溫度、密度等參數(shù).

脈沖放電弧光等離子體演示儀的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.圓環(huán)型的真空放電管中充有壓強(qiáng)約為102Pa的氬氣(摻有少量汞),3個(gè)并聯(lián)的大電容首先由直流充電模塊充電,然后由控制模塊控制經(jīng)點(diǎn)火線圈放電.點(diǎn)火線圈在放電電路接通的瞬間能產(chǎn)生短時(shí)間的高壓以擊穿放電管中的氣體,激發(fā)等離子體.通過(guò)采樣電阻測(cè)得的放電電流在102A量級(jí).

圖1 脈沖放電弧光等離子體演示儀的電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 脈沖等離子體在350～960 nm波長(zhǎng)范圍的發(fā)光光譜

發(fā)射光譜分析常被用于等離子體的檢測(cè)[3-4].用復(fù)想光電PG4000型光柵光譜儀[5]測(cè)得的脈沖等離子體在350～960 nm波長(zhǎng)范圍的發(fā)射光譜如圖2所示.圖2中的光譜包含Ar原子和Ar離子的特征峰.而波長(zhǎng)在400～600 nm的連續(xù)譜成分表明我們得到的是基本上處于熱平衡的熱等離子,即弧光等離子體.發(fā)射譜中特征峰的相對(duì)強(qiáng)度可以用于計(jì)算等離子體的溫度和密度[4,6].

由于流過(guò)放電管的電流是隨時(shí)間變化的脈沖強(qiáng)電流(電流持續(xù)時(shí)間在ms量級(jí)),根據(jù)高斯定理,在放電時(shí),放電管外會(huì)形成環(huán)繞放電管的變化的磁場(chǎng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,可以在放電管外環(huán)繞一螺旋線圈,線圈兩端會(huì)形成感生電動(dòng)勢(shì),此感生電動(dòng)勢(shì)不但可以反映放電電流的大小,還可以反映電流隨時(shí)間的變化.這一方法在高溫等離子體研究中常被用來(lái)測(cè)量大至幾百萬(wàn)安培的脈沖電流,最早是由羅柯夫斯基提出來(lái)的,因而稱為羅氏線圈法[7].

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種放電電流可達(dá)102A量級(jí)的脈沖放電弧光等離子體演示儀的實(shí)現(xiàn)方法,并給出了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和可以進(jìn)一步拓展的方向。該儀器可以用于等離子體物理課程的演示實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生對(duì)弧光等離子體有直觀的了解,也可以用于近代物理實(shí)驗(yàn)課程,以改變目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中鮮有弧光等離子體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的狀況.

[1] 吳先球,熊予瑩.近代物理實(shí)驗(yàn)教程[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2009:171-178.

[2] 杭州大華儀器制造有限公司.DH2005型直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置使用說(shuō)明[Z].杭州,2008.

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[7] 朱士堯.等離子體物理基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1983:102-103.

Demonstration device for pulsed discharge arc plasma

L E Yong-kang1,ZHAO Zai-zhong1,XIE Huan-tong2
(1.Department of Physics,Fudan University,Shanghai 200433,China; 2.Shanghai Huantong Scientific Instrument Co.Ltd.,Shanghai 201806,China)

A demonstration device for pulsed discharge arc plasma is introduced.With built-in electronics,the device can display the discharge voltage,current and duration time.The discharge current can also be measured by an induction coil.The optical emission spectrum is measured with a grating spectrometer.The temperature and density of the arc plasma can be calculated from the obtained spectrum.

pulsed discharge arc plasma;discharge parameter;induction coil;optical emission spectrum

O531

A

1005-4642(2010)06-0037-02

[責(zé)任編輯:郭 偉]

“全國(guó)高等學(xué)校第9屆物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2009-08-27;修改日期:2009-11-04

樂(lè)永康(1973-),男,浙江舟山人,復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系高級(jí)講師,博士,主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.