等离子体特性实验

实验简介

等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态体系，是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。等离子体有别于其他物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。气体放电是产生等离子体的一种常见形式，在低温等离子体材料表面改性、刻蚀、化学气相沉积、等离子体发光等方面有广泛的应用，同时也是实验室等离子体物态特性研究的重要对象。气体放电实现的方式可以千差万别，但产生放电的基本过程是利用外（电）场加速电子使之碰撞中性原子（分子）来电离气体。

本实验的目的是领会气体放电的基本原理和过程；掌握常规的静电探针诊断方法；了解等离子体中离子声波的激发、传播、阻尼等基本特性。

实验原理

⏹气体放电原理与实验装置

●利用电子对中性气体的轰击使气体电离是产生等离子体的一种

常见的方法。在直流放电情况下，当灯丝（钨、鉭）达到足够高

的温度时，许多电子会克服表面脱出功而被发射出来。这些初始

电子在外加的直流电场中加速，获得足够的能量与中性气体碰撞

并使之电离。室温下大多数常用气体的第一电离能在20eV左右，

故而施加于阴极（灯丝）与阳极（本实验中为真空室壁）之间的

电位差必须高于20V。遭轰击而被剥离的电子称为次级电子，与

初始电子相比，次级电子的能量较低。等离子体中大多数电子是

次级电子。电子碰撞电离截面在能量为几十电子伏左右达到最大，

通常在阴极与阳极之间施加30~100V电压就可以形成稳定的直流

放电。

●有几种因素限制了电极间产生的放电电流的大小。首先是阴极的

电子发射能力的限制，阴极表面的发射电流密度由理查森

（Richardson）定律给出：

（1）

其中T和W分别是灯丝的温度合材料的脱出功，k为波尔兹曼常数。A

的理论值为,实际中A的数值在,之间。

对钨来说，,W=4.5eV,在T=2000K（熔点3650K）时，。

●其次是空间电荷效应的限制。在中性原子稀少的情况下（如真空

管中），电极之间的电流不会太大，电流受到限制的原因是积累在

阴极附近的电子阻止了新的发射电子。在放电电极为平行板的模

型下，空间电荷限制的发射电流由查尔德－朗缪尔（Child－

Langmuir）定律给出：

（2）

其中是放电电压，d是电极之间的距离。若＝100V，d＝0.05m，

则。但在气体放电的情况下，等离子体中的离子会部分中和电子产生的空间电荷，从而可以允许较大的放电电流。最终在阴极附近形成（离子）鞘层，电极之间的大部分电场集中在鞘层之中。等离子体本身变成了等效的阳极，鞘层的厚度为几倍德拜（Debye）长度，德拜长度为：

（3）

、分别为等离子体电子德温度和密度，按习惯，等离子体德温度以

eV作单位。当,时,,（取

）,远大于灯丝的发射能力。所以，气体放电等离子体的放电电流取决于灯丝的发射电流，由式（1）可知它对灯丝的温度非常敏感。

●稳定状态的等离子体密度取决于等离子体的产生于损失的平衡。

等离子体主要由初始电子电离气体产生，等离子体的粒子（电子、

离子对）产生率与放电电流成正比，在中性气体密度不太大时，

与中性气体密度成正比。等离子体的主要损失机制可以分成表面

积损失和体积损失两种。表面积损失指离子在真空室壁和等离子

体中的探针、灯丝架等物体表面上的损失，与等离子体的密度和

损失表面积成正比；体积损失主要指等离子体中电子与离子的复

合损失，与等离子体密度的平方及等离子体体积成正比。通常情

况下，主要是表面损失，在装置表面安放永久磁体，形成表面磁

场可以有效减少损失表面积从而提高等离子体密度，只有在较高

密度和较大的等离子体线度时，体积的复合损失才起主要作用。

⏹基本等离子体参数及测量方法

●本实验所用的等离子体由气体直流放电方法产生，实验装置的原

理如图3.3－1所示:

●稳–真空室材料为不锈钢和铝材，主体可设计成直径10～20cm、

长30～50cm的圆柱形，灯丝置与一端，采用柱面布置与真实室

柱面平行，间距3～5cm。主要的实验空间用于布置离子声波激发

栅网、静电探针。一般左右各安置一个可轴向移动的，侧向安放

一个可径向移动的静电探针以诊断等离子体参数的空间分布。探

针收集极为不锈钢圆片（直径约1cm），探针杆用不锈钢或玻璃管

制作，用常规的橡胶圈实现动真空密封。本底真空要求气体低于

Pa，抽气系统可选择分子泵或扩散泵，用机械泵作为前极泵。

由针阀控制调节充气过程。灯丝可选用直径0.2mm的钨丝，多根

串联或并联使用，灯丝越多，所产生的等离子体密度越高。描述

完全热力学平衡态的等离子体体系只需要两个参数：等离子体密

度和温度。通常等离子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，，但由于等离子体内部宏观上保持准

电中性，故电子与离子的密度近似相等（设离子的电荷数

Z＝1）。等离子体的空间电位也是一个重要参数，在非磁化等离

子体中，电子的扩散系数远大于离子。不均与的等离子体会发生

扩散，但两者的扩散速度不同，会产生电荷分离，建立所谓的双

极电场。双极电场是自洽的，它加速离子、拖拽电子，使的两者

最终以相同的速率进行双极扩散。所以不均匀等离子体的内部必

然存在双极电场，等离子体密度n和空间电位一般符合波而兹

曼关系：

（4）

其中是＝0处的等离子体密度。

静电探针，也称朗缪尔探针（Langmuir），是常用的等离子体诊断工具，可以用于测量电子密度、离子密度和电子温度等等离子

体参数。简单的静电探针即是置于等离子体中的一个碟状或柱状

导体，对其施加不同的偏置电压，测量其收集电流，即可得

到探针的伏安特性曲线。理想的福安特性曲线如图3.3－2所示:

（5）

其中