葉 超，葛水兵，王海學(xué)，張書琪，韓王胤，孫江東

(1.蘇州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州大學(xué) 國家級物理實驗教學(xué)示范中心，江蘇 蘇州 215006；3.蘇州大學(xué) 東吳學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外的物質(zhì)第四種形態(tài)。它廣泛存在于宇宙中間，例如太陽日冕、地球北極上空的極光，也存在于人類活動中，例如微納電子器件加工、熱核聚變實驗、等離子體空間推進等。因此，等離子體對于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會的進步，發(fā)揮著極其重要的作用。

在大學(xué)的創(chuàng)新實驗中，等離子體的應(yīng)用也非常廣泛，例如薄膜材料的制備、納米材料的制備、材料表面改性、等離子體化學(xué)聚合、等離子體醫(yī)學(xué)應(yīng)用、環(huán)境廢物的等離子體處理，都需要利用等離子體。但是，在大學(xué)本科階段，等離子體方面的課程和實驗開設(shè)較少，學(xué)生的等離子體基礎(chǔ)知識比較薄弱，影響了大學(xué)生創(chuàng)新實驗課題的深入探索。

由于大部分等離子體的產(chǎn)生與應(yīng)用需要低真空實驗條件，等離子體的產(chǎn)生和測量設(shè)備比較復(fù)雜、昂貴，因此，在大學(xué)物理實驗中，等離子體方面的基礎(chǔ)實驗較少，常見的只有輝光球演示實驗和等離子體參數(shù)的探針測量實驗。為了豐富大學(xué)生的等離子體基礎(chǔ)知識，提高大學(xué)生創(chuàng)新實驗?zāi)芰?，需要在大學(xué)物理實驗中發(fā)展等離子體實驗。鑒于此目的，設(shè)計了磁場約束等離子體的演示實驗，直觀地展現(xiàn)了磁場約束對等離子體形態(tài)的影響，豐富了大學(xué)物理實驗中的等離子體實驗內(nèi)容。

1 實驗原理

在等離子體物理與技術(shù)中，采用磁場約束等離子體，對于等離子體的產(chǎn)生、維持和應(yīng)用具有重要作用。例如，在聚變等離子體的研究中，由于氘和氚原子核聚變反應(yīng)需要混合氣體的溫度達到1億度以上，因此需要采用磁場將等離子體約束在一個空間來獲得高溫等離子體[1]。而對于大氣壓放電等離子體，理論模擬表明外加磁場作用可以控制等離子體射流的偏轉(zhuǎn)特性[2]，有效提升等離子體射流的放電效果[3]，實驗結(jié)果也表明外加磁場可以改善大氣壓放電等離子體化學(xué)活性[4]。

磁場約束等離子體的基本過程如下：當一個帶電粒子在磁場中運動時，若帶電粒子的速度v和磁感強度B成任意夾角時，此帶電粒子受磁場作用，繞磁力線作螺旋運動，如圖1所示。帶電粒子螺旋運動的回旋半徑R與磁感強度B成反比，磁場越強，半徑越小。因此，在磁場作用下，每個帶電粒子的運動便被約束在一根磁力線附近的很小的范圍內(nèi)，帶電粒子回旋軌道的中心(即引導(dǎo)中心)只能沿磁力線縱向移動，而不能橫越它，只有當粒子發(fā)生碰撞時，引導(dǎo)中心才能由一根磁力線跳到另一根磁力線，結(jié)果，強磁場可以使帶電粒子的橫向輸運過程(如擴散、熱導(dǎo))受到很大的限制。同時，由于帶電粒子約束在磁力線附近作螺旋運動，因此帶電粒子在與其他粒子發(fā)生碰撞前的運動距離(即自由程)就會增大，帶電粒子受電場加速作用增強，在電場中獲得的能量增大，結(jié)果帶電粒子具有較高的能量，與其他粒子碰撞時的光發(fā)射強度增大。

圖1 帶電粒子在磁場中的運動過程

2 實驗方法

為了采用簡單、便捷、便宜的方法直觀地展現(xiàn)磁場約束等離子體的實驗現(xiàn)象，本實驗采用大氣壓放電產(chǎn)生等離子體，利用永磁體組合產(chǎn)生的軸向發(fā)散磁場來約束等離子體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自制雙介質(zhì)阻擋大氣壓放電等離子體裝置結(jié)構(gòu)圖

大氣壓放電等離子體是近十幾年發(fā)展迅速的等離子體技術(shù)，它主要采用介質(zhì)阻擋放電(DBD)技術(shù)，即采用兩個放電電極，將其中一個或兩個電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，在兩個放電電極之間充滿工作氣體(如氬氣)，然后在兩個電極間施加足夠高的電壓，使電極間的氣體擊穿放電形成等離子體束流。本實驗自制了雙介質(zhì)阻擋大氣壓放電等離子體裝置。將直徑3 mm、長15 mm的銀棒置于外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm的一端封口的細石英玻璃管內(nèi)形成高壓電極，高壓電極置于內(nèi)徑10 mm的粗石英玻璃管中間，粗石英玻璃管外側(cè)固定接地的外電極(用銅包裹銀箔制備)，形成雙DBD大氣壓放電結(jié)構(gòu)。在粗、細兩個石英玻璃管之間，通入高純氬氣(99.999%)作為放電氣體，用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)高純氬的流量為8 L/min。在內(nèi)、外兩個電極之間用CTP-2000K低溫等離子體實驗電源(南京蘇曼等離子科技有限公司)施加20 kHz的交流高壓，當交流電壓高于3.2 kV時，氣體擊穿放電，產(chǎn)生等離子體，等離子體從石英玻璃管一端噴出形成射流。

在等離子體技術(shù)中，用永磁體組合形成多種磁場形態(tài)是重要的方法，例如軸向多極場、發(fā)散場、磁鏡場[5，6]，這種方法可以有效減小實驗裝置尺寸、降低制作費用和使用能耗。本實驗采用3D打印制作磁環(huán)裝配模具，在模具中裝填尺寸為2 mm×5 mm×15 mm的NdFeB-M35的強磁體，形成中間為N極、外部為S極的磁環(huán)(如圖3所示)，產(chǎn)生軸向發(fā)散場，作為約束等離子體的磁場裝置。采用帶橫向探頭和軸向探頭的TM5100手持式特斯拉計，通過三維手動平移臺精確調(diào)節(jié)探頭在磁環(huán)中心平面沿軸向、徑向移動位置，測量了磁環(huán)的徑向磁場強度HR和軸向磁場強度Hz，每間隔2 mm測1個點。根據(jù)測量結(jié)果，計算得到空間各點的磁場大小與方向，利用Matlab描繪了磁環(huán)中心平面的磁場分布，如圖3所示。

圖3 自制的磁環(huán)結(jié)構(gòu)及其磁場分布

3 實驗結(jié)果

圖4為雙介質(zhì)阻擋大氣壓放電時，放電管中等離子體射流光柱形態(tài)隨磁環(huán)位置的變化，實驗時放電管(長度為20 mm)的位置固定，通過磁環(huán)從右向左移動，改變磁場對等離子體的作用。

(a)

當磁環(huán)端面距放電管口3 mm時，放電管中等離子體射流由較短的中間亮區(qū)和均勻的等離子體余輝區(qū)組成，如圖4(a)所示，這時磁場對等離子體的作用較弱，基本不影響射流光柱形態(tài)。當磁場端面位于放電管口時，射流中間的亮區(qū)被拉長，但有一定的徑向發(fā)散，如圖4(b)所示，表明磁場對等離子體的作用使等離子體開始約束在弱磁場的中間區(qū)域。當磁環(huán)端面繼續(xù)向左移動5 mm，射流中間的亮區(qū)徑向尺寸減小，亮度增加，如圖4(c)所示，表明磁場對等離子體的約束作用增強，同時等離子體的能量有所增大。當磁環(huán)端面進一步向左移動4 mm，射流中間的亮區(qū)徑向尺寸進一步減小，表明等離子體受磁場約束作用進一步增強，如圖4(d)所示。這個過程清楚地展現(xiàn)了磁場強度增大對磁場約束等離子體形態(tài)的影響。

(a)

實驗采用AvaSpec-2048八通道光纖光譜儀測量雙介質(zhì)阻擋大氣壓Ar放電等離子體的發(fā)射光譜，對放電等離子體性能進行了定量分析。收集等離子體光發(fā)射的光纖探頭置于外電極外側(cè)約5 mm處，如圖4所示。圖5(a)、5(b)分別為磁環(huán)位于圖4(a)、4(d)位置時的大氣壓Ar放電等離子體發(fā)射光譜?？梢夾r的763.5 nm、811.5 nm發(fā)射譜線強度明顯增大，其中763.5 nm發(fā)射譜線強度增大約15%。

根據(jù)Ar放電等離子體發(fā)射光譜，采用光強比值法根據(jù)發(fā)射光的波長計算了電子激發(fā)溫度[7，8]。根據(jù)發(fā)射光的波長λji、λkl和發(fā)射光強度Iji、Ikl，可以得到電子激發(fā)溫度為

(1)

對于Ar發(fā)射譜線，激發(fā)能Ej和Ek、統(tǒng)計權(quán)重gj和gk、自發(fā)輻射的愛因斯坦系數(shù)Aji和Akl均可以從相關(guān)文獻中查得，如表1所示。

表1 發(fā)射光譜診斷使用的光譜數(shù)據(jù)

根據(jù)圖5中Ar的750.4nm、763.5nm發(fā)射譜線強度I1、I2，估算得到磁環(huán)位于圖4a位置時放電等離子體的電子激發(fā)溫度約為0.34eV，磁環(huán)位于圖4(d)位置時放電等離子體的電子激發(fā)溫度約為0.36eV。這個結(jié)果表明磁場約束能提升等離子體的放電效果，對Ar大氣壓放電等離子體性能具有增強作用。

4 結(jié) 語

本實驗采用大氣壓放電產(chǎn)生等離子體，利用永磁體組合產(chǎn)生的軸向發(fā)散磁場來約束等離子體，直觀地展現(xiàn)了磁場約束等離子體的實驗現(xiàn)象，實驗方法簡單、便捷，設(shè)備便宜，豐富了大學(xué)物理實驗中的等離子體實驗內(nèi)容，對于提高大學(xué)生的等離子體基礎(chǔ)知識，提高創(chuàng)新實驗?zāi)芰Γ哂兄匾饔谩?/p>