張風(fēng)昀,羅壘壘,唐 立,王雪鵬

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

輝光放電等離子體特性實(shí)驗(yàn)研究

張風(fēng)昀,羅壘壘,唐 立,王雪鵬

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

介紹了朗繆爾探針法測等離子參量實(shí)驗(yàn)的基本原理。分別利用兩種方法對等離子參量進(jìn)行測量,對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)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(xué)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對等離子的研究是從氣體放電開始的,本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測量。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生對氣體放電等離子體特性有更全面,更深入的認(rèn)識[1-3]。

1 氣體放電等離子體實(shí)驗(yàn)原理

1.1 稀薄氣體產(chǎn)生的輝光放電

輝光放電是氣體導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)電。輝光放電的特征是電流強(qiáng)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?yàn)樵诘入x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(shí)驗(yàn)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(diǎn),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(biāo)原點(diǎn),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?biāo)诘牡入x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(shí)驗(yàn)儀器

等離子體物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)圖像可以看到單探針法的實(shí)驗(yàn)誤差較大,因?yàn)閳D像中沒有明顯的線性區(qū)以及飽和區(qū),因此由計算機(jī)得到的tanφ誤差比較大。這是因?yàn)閱翁结樀碾x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(dá)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(dá)不到飽和,所以在得到飽和電流的時候會存在誤差。實(shí)驗(yàn)測量中,為了盡量減小誤差,故采用雙探針法進(jìn)行測量。單探針法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)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(xué)報, 2003,52(9):2213-2217.

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[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(shí)驗(yàn),2006,26(7): 34-38.

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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