1、等离子体的参数测量复旦大学物理教学试验中心FudanPhysics等离子体的参数测量（补充材料）等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应用，其主要原因在于等离子体具有两个突出的优点：同其它的方法（如化学方法）相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生更多的活性成分，从而引发用其它方法不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基，以及高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子，活性分子碎片。比如，工业等离子体工程已经发展成了一种更有效率的工业加工方法，不但能在减少副产品、废料，以及污染和有毒废物的情况下达到相关的工业结果
2、，甚至能完成其它方法不能实现的目标。等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，但国内关于等离子体技术的研究和教学还远远落后于等离子体技术在工程中的应用，比如，现在实用的很多科研和生产上的等离子体设备有很多是进口的，有关等离子体的教学课程开展得较少，而教学实验则更少。本实验以直流辉光等离子体为例，希望学生通过实验，能了解等离子体物理的基本知识和一些重要的应用领域，并掌握等离子体检测的常用方法，为今后的学习研究打下基础。等离子体物理基础随着温度的升高，物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。如果温度继续升高到10K4甚至更高，将会有越来越多的物质分子/原子被电离；这时，物质就变
3、成了一团由电子、离子和中性粒子组成的混合物，称为等离子体；也正因此，等离子体常被称作物质的第四态。等离子体（Plasma）一词来源于古希腊语“”，意为可塑物质或浆状物质，作为专业词汇，最早出现在生物学名词原生质proto plasma）中。1929年，朗缪尔（Langmuir）和汤克斯（Tonks）在研究气体放电时首次将“plasma”一词用于物理学领域，用来表征所观察到的放电物质。我国台湾学者将“plasma”翻译为“电浆”。由于常温下气体热运动的能量不大，不会自发电离，因而在我们生活的环境中物质都以固液气三态的形式存在。天体物理学家沙哈（Saha）给出了一个公式，说明在热平衡的气体中，电离
4、度，即电离部分粒子数占总粒子数的比（常温下可近似为电离部分粒子数与未电离部分粒子数的比）跟温度的依赖关系为：， （1）式中的ni代表电离的分子数密度，单位是个/cm3。n0代表未电离的中性分子数密度。T为气体温度，单位是K。k是玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K。Ui为气体电离能，单位是eV。我们以室温下普通气体为例，这时n0=3*1019/cm3，T=300K，对于氮气，Ui=14.5eV，将这些数字代入沙哈方程，得到ni/n010-122。可见，室温下气体中电离的成份微乎其微。若要使电离成份占千分之一，必须使温度T高于104K。图1：各类等离子体存在的参量空间。尽管在人类生活的环境中，
5、物质不会自发地以等离子体的形式存在，但根据沙哈的计算，宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际物质，到多变的电离层和高速的太阳风，它们都是等离子体。地球上，人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。随着科学技术的发展，各类人造等离子体在生活、生产和研究中的应用越来越广泛，如荧光灯、霓虹灯、等离子体显示屏中彩色的放电、电焊中的弧光放电和核聚变装置中燃烧的等离子体等等。从物质的状态空间来看，固液气三态仅存在于低温高密度的参数区域，而等离子体存在的参数空间非常宽广。从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密等离子体，离子的数密度ni从103m-3到1033m-
6、3，跨越了30个数量级；从火焰等的低温等离子体到核聚变实验的高温等离子体，温度T从10-1eV到106eV跨越了7个数量级。图1给出了各类等离子体存在的参量空间。等离子体物理研究领域广泛，学科交叉众多，应用前景广阔。在有些国家，等离子体物理已经发展成为仅此于凝聚态物理的重要分支学科。从国家重大需求来看，我国等离子体物理学科的发展空间还很大。在受控热核聚变研究方面，我国通过大科学工程和“863”高技术计划已经形成了较大规模的磁约束聚变和惯性约束研究基地，已经参加了国际热核实验反应堆（ITER）计划，并酝酿进行自己的点火工程。在空间资源开发和利用方面，随着“神舟”系列载人飞船的发射、“双星”计划以
7、及绕月工程等项目的实施，我国的空间探索活动日趋频繁。这些计划的进行都需要大量的掌握了丰富的等离子体物理知识的优秀专业人才。等离子体的定义等离子体是有电子、离子和中性粒子组成的，宏观上呈现准中性（quasineutrality），且具有集体效应的混合气体。准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等，系统在宏观上呈现电中性，但在小尺度上则呈现出电磁性。集体效应突出地反映了等离子体和中性气体的区别。理想气体模型中，中性气体分子之间的相互作用只在碰撞的时候才有。等离子体中带电粒子之间的相互作用是长程库仑力，任何带电离子的运动均受到其他带电粒子的影响。带电粒子的运动可以形成局域的电荷集中，从而产生电场，
8、带点离子的运动优惠产生电流，进而产生磁场，这些电磁场优惠影响其他带电粒子的运动。因此，等离子体呈现出集体效应。电离的主要方式1、热电离在高温下，气体质点的热运动速度很大，具有很大的动能，相互之间的碰撞会使原子中的电子获得足够大的能量，一旦超过电离能就会产生电离。2、光电离当气体受到光的照射时，原子也会吸收光子的能量，如果光子的能量足够大，也会引起电离。光电离主要发生在气体稀薄的情况下。3、碰撞电离气体中的带电粒子在电场中加速获得等量，这些能量大的带电粒子跟气体原子碰撞进行能量交换，从而使气体电离。碰撞电离中主要是电子的贡献。各种粒子间的相互作用等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类
9、型的相互作用。由于静电作用力的存在，使得问题比理想气体中粒子间的相互作用要复杂得多。总的来说，等离子体中粒子间的相互作用可分为两大类：一类是弹性碰撞，另一类是非弹性碰撞。（1）、弹性碰撞碰撞过程中粒子的总动能保持不变，碰撞粒子的内能不发生变化，也没有新的粒子或光子产生，碰撞只改变粒子的速度。（二）非弹性碰撞在碰撞过程中引起粒子内能的改变，或者伴随着新的粒子、光子的产生。非弹性碰撞可以导致激发、电离、复合、电荷交换、电子吸附，甚至核聚变。等离子体的密度和温度1、等离子体密度单位体积内（一般以cm3为单位）某带电粒子的数目。ni表示离子浓度，ne表示电子密度。2、等离子体温度对于平衡态等离子体（高
10、温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描述。一般用Ti表示离子温度，Te表示电子温度，经常用eV作单位。德拜长度等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体能保持的最小尺度。当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电的“鞘层”，其厚度可用德拜长度D来描述，。等离子体振荡等离子体中，发生了轻微的电荷分离形成电场。由于电子和离子间的静电吸引力，使得等离子体有强烈的回复宏观电中性的趋势。因为离子的质量远大于电子的质量，我们可以近似认为离子不动。当电子相对于离子往回运动时，在电场作用下不断加速
11、。由于惯性的原因它会越过平衡位置，又造成相反方向的点和分离，从而又产生相反方向的电场，使电子再次向平衡位置运动。这个过程不断重复就形成了等离子体内部电子的集体振荡，也叫做朗谬尔振荡。可以得到振荡的频率是 (2)等离子体辐射 等离子体中存在大量的以各种形式运动的带电粒子，因而由此引起的辐射过程也是多种多样的。等离子体除了会产生极光、闪电、霓虹灯等其一多彩的可见光辐射，还会发出肉眼看不见的紫外线，甚至X射线。根据光谱的不同，等离子体辐射可以分为连续光谱和线光谱（不连续的特征谱）两类。根据辐射过程的微观特性，等离子体辐射可以分为轫致辐射、复合辐射、回旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等。研究等离子体的
12、方法（1）单粒子轨道理论这种理论的出发点是把等离子体看作由大量独立的带电粒子所组成的一个系统。当然，实际上等离子体中的带电粒子之间存在着相互作用，本质上它是一种集体效应，因而，单粒子轨道理论是一种近似理论，只适用于非常稀薄的等离子体。但是它有明显的优点：处理问题简单明了，形象直观，有助于解释等离子体的许多性质。（2）磁流体力学描述当等离子体中离子运动的特征长度远大于带电粒子的平均自由程，特征时间远大于粒子间的平均碰撞时间时，我们可以等离子体看成是含由大量带电粒子的导电流体，即遵守电磁场的基本运动规律，又满足流体力学的运动规律，也即可以用磁流体力学（Magnetohydrodynamics，简写
13、为MHD）的方法来描述等离子体。（3）动力学描述如果既要考虑单个粒子的运动，又要考虑粒子间的相互作用即集体效应，则必须用动力学理论来描述等离子体，即用统计力学的方法求出大量微观粒子的平均行为来描述等离子体的宏观性质。这里，大量粒子的运动用分布函数来描述，带点离子间的相互作用归结为近距离作用和远距离作用两类。远距离作用用一个自洽的等效场来描述，即有等离子体运动产生的反过来又影响等离子体运动的电磁场，而近距离作用则由两个粒子间的碰撞项来描述，针对不同的研究对象和研究内容，可以对碰撞项作不同的假设，形成各种有用的简化模型。其他相关知识1. 等离子体的分类2. 各种常用等离子体的产生方法3. 等离子体
14、的主要应用4. 高温核聚变5. 等离子体的检测方法6. 气体放电理论实验仪器本实验采用DH2005型直流辉光等离子体实验装置，该仪器采用一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝电极，可用于朗缪尔探针技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在操作面板上，如图2所示。图2：DH2005直流辉光等离子体实验装置操作面板图各操作部件名称：1、总电源开关 2、冷却水电源开关3、真空泵电源开关4、电阻真空计开关5、高压电源开关6、工作选择开关7、高压调节粗调旋钮8、高压调节细调旋钮9、
15、探针电流量程旋钮10、探针电压粗调旋钮11、探针电压细调旋钮12、放电管电压表13、击穿电压显示表14、辉光电流测量表15、辉光电流量程旋钮16、探针电流表17、探针电压表18、探针电流输入端19、探针电压输出端20、电压输出换向开关21、电阻真空计22、转子流量计23、总电源指示灯24、高真空微调阀25、高真空隔膜阀部分操作部件功能说明：6 作选择开关：此开关的功能分为“断”、“辉光放电测量”、“击穿电压测量”、“探针测量”四档。断：开关在此位置时，高压没有输出，在改变电极距离和在调试过程中应将开关置于“断”档位上。辉光放电测量：开关在此位置时，可以进行辉光放电的电流-电压（I-V）曲线测量
16、。击穿电压测量：开关在此位置时，可以进行击穿电压测量。其原理是：放电管中的气体被击穿时，会有电流流过；随着电流的增大，内部取样电阻上的电压降增大，导致二极管导通，此时电压表显示的是二极管的导通电位值。当电压在0.50.6V 时可以认为气体击穿，记录下此时放电管两端的电压。（实际的击穿电压值是放电管电压显示的电压值）。探针测量：开关在此位置时，可以进行探针电流-电压（I-V）曲线测量。9、15 量程选择开关。探针电流测量：分为20A20mA 4 档。辉光电流测量：分为2mA2A共4档。仪器主要配置及组成DH2005直流辉光等离子体实验装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统和水冷
17、系统等部分组成。气体放电管：采用玻璃烧结而成,内附两组钨丝探针。及两边采用不锈钢材料制成的水冷套及放电管固定托架。测量系统：包括辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压测量表。放电管电压表：三位半数显，测量范围02000V，测量精度2%。辉光电流表：三位半数显，测量范围02A，共分5档，测量精度0.5%。探针电压表：三位半数显，测量范围0200V，测量精度0.5%。探针电流表：三位半数显，测量范围020mA，测量精度0.5%。击穿电压测量表：三位半数显，测量范围02V，测量精度0.5%。系统电源：包括两组直流稳压稳流电源，一组放电管工作电压，调节范围01000V，另一组为探针测
18、量电源，调节范围0100V，稳定度0.5%。真空系统：采用2XZ-2型旋片真空泵，对密封容器抽除气体而获得真空，真空的测量采用电阻真空计，用于测量本底真空和工作时的工作气压。真空的密封采用丁腈橡胶O圈密封；真空调节采用隔膜阀粗调和微调阀精细调节。2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标：1）工作电压：AC220V/50 Hz 2）抽气速率：2L/S3）极限压力：6101 Pa 4）电机功率：0.37KW5）进气口内径：25mm 6）用油量：0.65L7）噪声：72LwdB(A)进气系统：进气通过金属管路联接，可通入不同的工作气体，通过转子流量计控制气体的流量。水冷系统：装置自带循环冷却水，通过自带水
19、箱、水泵对整个系统的冷却水进行循环，可保证系统正常运行对水温的要求。对实验室的水源无特别的要求。设备的基本操作及注意事项1）、检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。2）、接通总电源，打开总电源开关旋钮，确认冷却水箱水容量打开冷却水开关按钮。3）、打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，对放电管抽真空。4）、打开电阻真空计电源开关，测量放电管内的压强，抽真空约15分钟即可使放电管内真空达到所需要求。测量放电管内的本底真空，真空度要优于10Pa。6）、打开气体钢瓶高压阀，调节低压调节阀将低压调至0.1M以下，开启流量计开关，调节进气流量，同时调节隔膜阀使工作气压达到所需要求。
20、7）、将高压输出线加在放电管两端。注意：在实验过程中禁止用手去触摸高压电源线以及放电极杆，以免触电。将功能选择开关打在“放电电流测量”档，开启高压开关按钮，缓慢调节高压调节旋钮，调节到一定的电压时，放电管内将将产生辉光放电现象，便可开始各种实验内容。8）、实验结束时，关闭相关的测量系统，关闭真空计；将高压电源调至0，关闭高压开关按钮，关闭气路，关闭真空泵，关闭冷却水，关闭总电源，拔掉总电源线。实验原理气体放电气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射频等能量形式。其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。直流放电形成辉光等离子体的典型结构如图（3）所示。图3：气体放电管工作原理图
21、图4：汤森放电区的I-V特性曲线在电气击穿形成等离子体前要经历暗放电阶段，包括本底电离区、饱和区、汤森放电区和电晕放电区，如图4所示。非自持放电是指存在外致电离源的条件下放电才能维持的现象；若去掉外致电离源的条件下放电仍能维持,则为自持放电。放电从非自持放电转变到自持放电的过程称为气体的击穿。整个放电现象称为汤生放电。由于宇宙射线和地壳中放射性元素的辐射作用，气体中均具有一定量的电子和离子，这种现象称为剩余电离。当放电管两端加上较低电压时，这部分电子与离子会在外场作用下形成电流。如图4所示，这一电流会随着放电管两端的电压增加而增加，在T0区域形成的饱和电流i0，i0的面密度约为10-12A/c
22、m2.从阴极发射的电子在电场的作用下获得足够的能量，可以在与气体分子碰撞时产生电离，使得放电电流增加。这一过程称为过程，由汤生第一电离系数来描述，表示一个电子经过单位路程与中性气体粒子发生非弹性碰撞产生的电子-离子数目。随着放电管两端电压的增加，正离子在电场中加速也能获得足够的能量，可以在与气体分子发生碰撞时使其电离。这一过程称为过程，由汤生第二电离系数来描述，表示一个正离子经过单位路程与中性气体作非弹性碰撞产生的电子-离子对数目。当用具有一定能量带电粒子轰击金属等物体时，也会引起电子从这些物体表面发射出来，这种物理现象称为二次电子发射。一个正离子撞击阴极表面时平均从阴极表面逸出的电子数目（二
23、次电子发射），称为汤生第三电离系数。一般的, 引起电子从阴极逸出的过程的总和都称为过程。在汤森放电区，当电压继续增加时，可能发生两种放电情况。如果是电源的内阻很高，从而只能提供很小的电流，放电管内不存在足够的电子以实现击穿气体，放电管仍处于只有很小电晕点的电晕区，或在电极上有出现扇形电晕放电；如果电源内阻很低，电流随电压快速增加，管内气体就会在击穿电压处被击穿，放电将从暗放电区转移到正常辉光放电区。辉光放电是一种自持放电, 其放电电流的大小为毫安数量级, 它是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持的, 即辉光放电的基本特性要借助汤生第三电离系数来描述. 辉光放电中的阴极位降是维持放电必不可
24、缺的区域. 辉光放电是汤生放电的进一步发展, 两者的一个主要差别在于辉光放电具有较大的放电电流密度, 而且空间电荷起着显著的作用.经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如图5所示，从左至右，其唯象结果如下：图5：辉光放电的唯相结构示意图阴极：阴极由导电材料制成，二次电子发射系数对放电管的工作有很大影响。阿斯顿(Aston)暗区：紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是个有强电场和负空间电荷的薄的区域。它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中。在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。阴极辉光区：紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区。这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色
25、，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进入的正离子向阴极移动形成的。这种阴极辉光有个相当高的离了密度。阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力。明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区。阴极暗区：这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度。阴极区阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区。大部分功率消耗在辉光放电的阴极区。在这个区域内，被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩。负辉光区：紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电中它的光强度最亮。负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极
26、侧最强。在负辉光区内，几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。法拉第暗区：这个区紧靠在负辉光区的右边，在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低。净空间电荷很低，轴向电场也相当小。正电柱：正电柱是准中性的，在正电柱中电场很小，一般约1V/cm。这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正电柱变长。正电柱是个长的均匀的辉光，除非触发了自发波动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波阳极辉光区：阳极辉光区是在正
27、电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有，它是阳极鞘层的边界。阳极暗区：阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。实验内容7. 等离子体的I-V特性测量8. 气体击穿电压与电极间距的关系研究9. 等离子体稳定条件研究10. 探针法测电子温度11. 实验数据的自动化采集（探索）12. 发光光谱研究（探索）13. 磁场对等离子体的影响（探索）参考文献14. DH2005型直流辉光等离子实验装置（附实验讲义）使用说明书，杭州大华仪器制造有限公司15. Introduction to Plasma Physics, F. F. Chen, Plenum Press, New York, 197416. Handbook of Plasma Physics Vol. 1-Basic Plasma Physics I, A. A. Galeev R.N. Suden
