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8个区域的名称为
(1)阿斯顿区,
(2)阴极辉区,(3)阴极暗区,(4)负辉区,(5)法拉第暗区,(6)正辉区,(7)阳极暗区,(8)阳极辉区。
其中正辉区是等离子区。
三.单探针与双探针法测量原理
测试等离子体的方法被称为诊断。
等离子体诊断有探针法,霍尔效应法,微波法,光谱法等。
本次实验中采用探针法。
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,即探针伏安特性曲线,如图2所示。
对此曲线的解释为:
在AB段,探针的负电位很大,电子受负电位的排斥,而速度很慢的正离子被吸向探针,在探针周围形成正离子构成的空间电荷层,它把探针电场屏蔽起来。
等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针,形成探针电流,所以AB段为正离子流,这个电流很小。
过了B点,随着探针负电位减小,电场对电子的拒斥作用减弱,使一些快速电子能够克服电场拒斥作用,抵达探极,这些电子形成的电流抵消了部分正离子流,使探针电流逐渐下降,所以BC段为正离子流加电子流。
到了C点,电子流刚好等于正离子流,互相抵消,使探针电流为零。
此时探针电位就是悬浮电位
。
继续减小探极电位绝对值,到达探极电子数比正离子数多得多,探极电流转为正向,并且迅速增大,所以CD段为电子流加离子流,以电子流为主。
当探极电位
和等离子体的空间电位
相等时,正离子鞘消失,全部电子都能到达探极,这对应于曲线上的D点。
此后电流达到饱和。
如果UP进一步升高,探极周围的气体也被电离,使探极电流又迅速增大,甚至烧毁探针。
由单探针法得到的伏安特性曲线,可求得等离子体的一些主要参量。
对于曲线的CD段,由于电子受到减速电位(
-
)的作用,只有能量比e(
)大的那部分电子能够到达探针。
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子密度
,按玻耳兹曼分布应为
(1)
式中no为等离子区中的电子密度,Te为等离子区中的电子温度,k为玻耳兹曼常数。
在电子平均速度为ve时,在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数为:
(2)
将
(1)式代入
(2)式得探针上的电子电流:
(3)
其中
(4)
对(3)式取对数
故
可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。
作半对数曲线,如图3所示,由直线部分的斜率
,可决定电子温度
:
若取以10为底的对数,则常数11600应改为5040。
电子平均动能
和平均速度
分别为:
式中
为电子质量。
由(4)式可求得等离子区中的电子密度:
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。
(2)双探针法。
单探针法有一定的局限性,因为探针的电位要以放电管的阳极或阴极点位作为参考点,而且一部分放电电流对探极电流有所贡献,造成探极电流过大和特性曲线失真。
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4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。
双探针法有一个重要的优点,即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。
这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。
从而探针对等离子体的干扰大为减小。
由双探针特性曲线,通过下式可求得电子温度
式中e为电子电荷,k为玻耳兹曼常数,
,
为流到探针1和2的正离子电流。
它们由饱和离子流确定。
是U=0附近伏安特性曲线斜率。
电子密度
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。
是正离子饱和电流
1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移(如图3所示):
由电漂移速度公式
⑵
知,带电粒子漂移方向垂直于磁场B和电场E,漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关,因此,所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移,不会引起电荷分离,也就不会出现漂移电流。
图2:
均匀磁场中带电粒子的回旋图图3:
带电粒子电漂移
1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移(如图4所示):
它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。
重力漂移速度与粒子电荷符号有关,正负电荷朝相反的方向漂移,因此会产生电荷分离,引起漂移电流。
其他非电性力也有同样的性质。
另外,重力漂移速度大小与粒子质量有关,粒子质量越大,漂移速度越大。
在许多情况下,重力引起的漂移是可以忽略不计的。
图4:
重力漂移
1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】
变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化,这时粒子的运动方程为:
⑶
由于B是空间坐标和时间的函数,方程是非线性的,在一般情况下难于求得解析解。
然而,如果当回旋半径,螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度,带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间,即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。
所以,只要弄清引导中心的漂移运动的性质,就能了解粒子运动的整体特性。
这样一种近似处理方法叫做漂移近似。
人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。
带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移,曲率漂移:
1.31由磁场梯度引起的梯度漂移(如图5所示)
梯度漂移速度与粒子横向动能w⊥有关,同时,与电荷符号有关,正负电荷将沿相反方向漂移,引起电荷分离,并产生漂移电流。
图5:
梯度漂移
1.32带电粒子的曲率漂移(图6所示)
设磁力线有轻微的弯曲,磁力线的曲率半径R远大于粒子的回旋半径,且满足缓变条件,带电粒子以速度υ沿磁力线运动,同时绕着磁力线做回旋运动。
所以粒子将感受到一个惯性离心力
⑷
的作用,其方向沿曲率半径向外。
由一般力场的漂移公式可得漂移速度为:
⑸
即曲率漂移速度与粒子纵向动能和电荷符号有关。
正负带电粒子朝相反的方向漂移,导致电荷分离,且产生漂移电流。
1.4带电粒子在随时间缓变均匀电磁场中的漂移:
(如图7所示)
1.41磁场B随时间缓变,根据法拉第定律,变化的磁场产生感应电场E,带电粒子在磁场B和电场E的作用下作漂移运动【13】,感应电场的力线是轴对称区域中的圆周。
E的方向是圆周的切线方向,于是粒子沿半径方向漂移
图6:
曲率漂移图7:
磁场随时间缓变
1.42磁场B随空间坐标缓变,磁矩μ是守恒的(如图8)
1.43变化电场中的极化漂移【14】
(如图9所示):
设均匀恒定磁场沿z轴,电场E指向x轴方向,它在y轴方向按余弦方式变化
⑹
这里E0为电场振幅,它是常量;
k为波数,相应的波长为:
⑺
这种空间分布的电场是由相同波长的电荷密度扰动所造成的。
等离子体中常常会出现这种形式的扰动。
即粒子开始静止时,突然加一电场E,则只有当粒子被加速到一定速度后才感受到洛伦磁力的作用并向下运动,如果E为常数,则无进一步的极化漂移速度,只剩下电漂移速度VE.如果E突然改变方向,则回旋轨道的左右两半大小也突然改变,回旋中心就会产生向左的位移,即产生突然向左的极化漂移速度。
图8:
磁场随空间坐标缓变图9:
随粒子在随时间缓变电场中的漂移
四、实验仪器
本实验用等离子体物理实验组合仪、接线板和等离子体放电管。
放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成。
相关的试验参数如下:
探针直径(mm):
0.45
亥姆霍兹线圈直径(mm):
200.00
探针轴向间距(mm):
30.00
亥姆霍兹线圈间距(mm):
100.00
放电管内径(mm):
6.00
亥姆霍兹线圈匝数:
400
平行板面积(mm^2):
8.00
放电电流(mA):
90
平行板间距(mm):
4.00
取样电阻值(Ω):
1000
五、用单探针法测量等离子体参量
本实验我们采用的是电脑化X-Y函数记录仪直接记录探针电位和探针电流,自动绘出伏安特性曲线,并使用等离子体实验辅助分析软件算出等离子体参量。
仪器连线如图所示
测量时采样电阻设定为1000Ω,放电电流设定为98mA。
软件计算得结果为
U0=30.06V
I0=4732.49uA
tgΦ=0.67
Te=1.72E+004K
Ve=8.15E+005m/s
Ne=9.12E+017n/m^3
Ee=3.56E-019J
下图为单探针的对数曲线图
下面进行手动计算。
取图像上(25703.44,5.36704)点所在处为第一切点
求斜率得
tgφ=0.755
取(43602.2,9.12846)为第二切点,切线斜率为0.033
故由两线交点可求得
所以电子平均动能
分别为
所以电子密度
为
上述结果与软件求得结果相差不大。
六、用双探针法测量等离子体参量
仪器连线如下图所示
测量时放电电流为90mA,取样电阻值为1000Ω,由软件计算得实验结果为
I1=265.04uA
I2=267.64uA
tgΦ=1.3E-004
Te=1.19E+004K
Ne=1.33E+017n/m^3
下图为双探针伏安特性图
从图中可以明显看出曲线可以分成三个部分。
曲线两边各取一点做该点切线交与电流为零所对应的直线,交点的数值分别取为I1和I2。
如图取得I1=265μA,I2=265μA,tg=1.3
七、误差分析
从上述实验中可以看到两种方法的优缺点:
双探针法的优点:
双探针法不需要参考电位,受放电系统接地情况的影响较小。
另外由于流到探针的总电流不会大于饱和离子电流,从而探针对等离子体的干扰大为减小。
单探针法的优点:
单探针法可以通过伏安特性曲线得到双探针法无法获得的悬浮电位
及空间电位
双探针法测中,对实验数据处理时是在曲线两边各取一点做该点切线交与电流为零所对应的直线,因此在取点时仍然会产生较大误差。
观察图像可知I1,I2的误差在正负10%左右,分析公式
可计算误差
故相对误差在正负10%。
八、思考题
1.气体放电中的等离子体有什么特性?
答:
1.高度电离,是电和热的良导体,具有比普通气体大几百倍的比热容。
2.带正电和带负电的粒子密度几乎相等。
3.宏观为电中性
4.有辉光特性,电子的平均动能远大于其他粒子,处于非平衡状态
2.等离子体有哪些主要参量?
1.电子温度
2.带点粒子密度n,电子密度
,正离子密度
3.轴向电场强度
4.电子平均动能
5.空间点位分布
3.探针法对探针有什么要求?
1.电子和离子打到探针表面后被完全吸收,不会发生次级电子发射。
2.探针熔点要较高,保证其不会在放电过程中熔化。
3.探针不与等离子体发生化学反应。
4.探针的线度适中:
小于离子和电子的自由程,减小对等离子体的干扰;
同时要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度,以减少离子鞘层的厚度的变化造成的影响。
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- 等离子体 分析