实验原理

n        等离子体的产生

l        等离子体的产生有很多种方式，气体放电是产生等离子体的一种常见形式。本实验采取的是气体辉光放电。

l        气体放电实现的方式很多，但产生放电的基本过程都是利用外场加速电子使之碰撞中性原子来电离气体。

n        基本等离子体参数

l        等离子体密度和温度。

u      这两个参数就可以用来完整的描写热力学平衡态。电子和离子分别同时具有这两种参数。在平衡时电子和离子的对应参数应该是相同的

u      通常等离子体并不处于完全的热力学平衡态，电子与离子具有不同的热力学参数，而且其参数随空间位置变化，电子与离子温度往往不同，电子与离子的密度近似相等。

l        等离子体的空间电位也是一个重要参数

n        等离子体参数的诊断

l        等离子体中发生的一系列物理现象是等离子体诊断的依据。根据物理现象的性质不同，诊断的方法不同.

l        基于等离子体的电磁效应的静电探针和磁探针诊断方法。

l        基于电磁波在等离子体中传播特性的微光探针、激光探针等。

l        光谱分析方法等

n        静电探针法

l        本实验采用的是静电探针法。

l        静电探针也称郎谬尔探针，可以用于测量电子密度离子密度和电子温度等参数。

l        简单的静电探针是置于等离子体中的一个碟状或柱状导体，对其施加不同的偏压，测量其收集电流，即可得到探针的伏安特性曲线。

n        理想的伏安特性曲线

静电探针伏安特性曲线

 

n        直流气体放电等离子体装置

直流气体放电等离子体装置结构图

 

实验仪器

放电室.放电电源.探针质量系统.直流稳压电源.真空抽气系统.气体充入系统.电压表,电流表等

 

实验内容

n        连接电路，将探针与偏置电源接入电路中。

n        抽真空，瓶内气压降到一个较小值时，充氩气，待气压稳定，打开放电电源，调节放电电压，使等离子体稳定。

n        稳态下测量探针电压与探针电流的变化关系，作出伏安特性曲线。

n        接入磁场,改变磁场强度,测量不同磁场强度下饱和电子流与饱和离子流的大小，并改变探针到球心的距离R ,记录数据。

n        改变放电电压，改变氩气气压，测量多组稳态下的伏安特性曲线。

 

数据处理

n        数据

n        利用mathematics处理和拟合数据，得到关于放电电压、气压、空间位置与参数关系的图表1。

n        利用mathematics处理和拟合数据，得到电子饱和电流和磁场大小的关系图表2。

n        图表1分析

固定气压和R，讨论电子密度、电子温度与放电电压的关系，做出图线并拟合如右图：（上图为折线图，下图为拟合后的图）

可以看出，大体上，放电电压越高，电子温度越高。

这是因为，气体放电等离子体的放电电流取决于灯丝的发射电流，放电电压越高，灯丝的放电电流就会越高，电子的能量就会更高，因此电子温度更高。

 

l        电子密度与放电电压的关系图线（气压为38帕，距离为30毫米）（上面是折线图，下面是拟合后的图线）：

大体上，放电电压越高，电子密度越高，而且接近于一次比例。

这是因为，放电电压越高，就有更多的电子获得足够的能量碰撞中性气体使之电离，从而提高电离度，使电子密度增大

 

l        固定放电电压和距离，改变气压，观察电子温度与气压的关系：

做出的图线是一条有两个极大值的折线。

原因是：气压低时平均自由程大，电子平均能量比较高，所以电子温度应该比较高。而气压高时的电子温度升高，可能跟高气压下电子密度比较大，从而发生了其他的过程有关。

 

l        电子密度与气压的关系：

电子密度与气压的关系是一条折线。

因为在气压较小时，平均自由程大，电离度会高一些，而气压较大时总粒子数多所以中间出现极大值。

 

n        图表2分析

l        不管磁场有多大，都是越靠近中心电子密度越大，而且基本上是在同一距离处，磁场越强，电子密度越大。

l        我对上述现象的解释

u      不管同名端磁场还是异名端磁场都是一种类似于磁镜的装置，两侧磁场大，中间磁场小

u      根据电子在磁场中磁矩（W⊥/B）守恒，磁场较小的中间位置沿磁感线速度较大，磁场较大的两侧位置沿磁感线速度较小

u      所以，在磁场越大的地方就有越多的电子能量不够，沿磁感线速度降为0，被反射.

n        新的实验

l        所以我们改变了电极到中心的距离，以同名端为例，又做了三次实验，得到的图线如下：

l        新现象的解释:

改变了两极的距离后，再次测得的电子密度已经不是磁场最小处了，三张图线磁场依次朝最大方向靠近。所以在磁场大的地方，离中心远的地方，磁场越大，密度越小，而离中心近的地方，仍然是磁场越大，密度越大。这样就解释了所有的实验现象。

 

谢谢大家！
感谢等离子体实验室老师的指导！