直流辉光放电中等离子体诊断实验指导手册(教师用)-东北大学

近代物理实验系列-等离子体诊断实验实验指导手册(教师用书)

东北大学

2017.6.30

等离子体是由中性粒子、电子、离子、光子等基本粒子组成的各向异性运动的物质形态，被称为除了固态、液态、气态外物质第四态，等离子体应用广泛，也是近代物理、材料研究的重要领域之一。因此，也是大学物理以及相近专业的近代物理实验课程的必修内容。改变插入到放电管的正柱区内的朗缪尔探针的电压（一般-100V 到+100V 变化），使之吸收等离子体内的离子和电子，并分析探针上的电流 I 和电压 V 的关系可以对等离子体进行诊断分析。本实验的实际操作有助于更加深刻的理解老师在课堂上讲授的相关理论。朗缪尔探针是研究等离子体特性的主要工具，要求学生通过本次实验了解朗缪尔探针的测量等离子体的基本原理；熟练测量朗缪尔探针的 I-V 特性曲线；能够通过 I-V 特性曲线计算分析出等离子体的有关参数。通过本实验应使学生充分理解如下内容：

①等离子体空间电位

②等离子体悬浮电位

③等离子体密度(电子密度=离子密度)

④电子温度

⑤朗缪尔探针(单探针)进行等离子体诊断的理论

SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪 1 台(如图 1 所示);实验报告；实验指导手册；记录笔和记录纸；可拍照手机。

图 1 SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪

3.考察知识点

⑴等离子体参数

等离子体空间电位：等离子体相对于地的电位(差)。

等离子体密度：等离子体由电子和正离子组成，宏观呈现电中性的物质状态，因此宏观的电子密度和离子密度相等也等于等离子体密度。电子温度：等离子体中大量电子做运动具有的动能的宏观表现即温度。

探针悬浮电位：朗缪尔探针悬浮在等离子体中(由于是悬浮状态探针电流为零）时探针相对于地的电位差

德拜长度：德拜长度描述等离子体最小尺度，只有大于德拜长度的尺度才可以认为是等离子体，小于德拜长度区域内存在的电子离子的局部不稳定运动或者说局部空间电荷不为 0，不能认为是等离子体。因此德拜长度是等离子体重要的指标，一般朗缪尔探针的针尖尺度应该小于德拜长度以致于接触式测量不至于对等离子体产生干扰。

图 2 SSV-40型放电与等离子体诊断仪放电与诊断电路简图

⑵朗缪尔探针诊断

图 2 所示，朗缪尔探针插入放电管中(真空密封)，接触等离子体；另一端与驱动电源(输出±100V 电压)相连，而驱动电源另一端则与放电管的

阳极和地相连。数字电压表 V2 和电流表 A2 分别实时显示朗缪尔探针的

电压和电流值。这里假定阳极位降可以忽略(因为阳极位降很小，有时正有

时负有时为 0)。

结构上朗缪尔探针是一个高熔点金属丝(0.2mm 钨丝)并做真空密封处

理，如下图 3 所示。一般用钨丝或钼丝或钽丝，真空还原环境也可以用石

墨丝。

图 3 朗缪尔单探针

图 4 朗缪尔双探针

图 5 朗缪尔探针安装位置图

注：详尽的朗缪尔探针诊断理论见“近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础。部分”参考文献：

ngmiur Probe Diagnostics F.F Chen University of California 2003

2.Hiden langmuir Probe manual 2003

3.Plasmart Probe system manual 2004

4.SmartProbe manual 2002

5.近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础2017

4.实验步骤

实验前的准备：

设备检查包括电源位置、设备是否接地、真空泵油量以及其它影响实

验或给实验带来隐患的因素。

确保微调阀已关闭(顺时针拧到底)。

打开气瓶，并调节减压阀到 0.5 个大气压左右。

限流电阻调节开关 R1，R2 和 R3,以及档位开关是否拨到最左侧。检

查实验报告，实验指导手册，实验记录本、实验记录笔、手机等必要实验

工具是否备齐。

实验前必须经过必要的培训或在老师指导下进行操作。注意安全。具

体实验操作步骤参考图 1 所示。

5.调节放电管正常辉光放电：

步 1：打开“总电源”开关，再打开放电管驱动器“电源”开关。(先

不要打开朗缪尔探针电源)。

步 2：打开“真空泵”开关，启动真空泵开始抽真空，同时观察真空

计读数，直到真空度大于 10Pa

步 3：打开微调阀，并缓慢调节“压力调节按钮”，同时观察真空度

直到稳定在设定值为止,(压力在 20-100Pa，在 30-50Pa 为宜)。

步 4：打开“总电压调节”开关，直到 1100V 左右。

步 5：“档位”开关打到 1，拨动“限流电阻调节开关”1 由左向右

旋动，每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而电压不变位置，为正常辉光放电。若没有出现正常辉光放电，则继续，直到“限流电阻调节开关”1 被拨动到最右边为止，这时拨

动“档位”开关打到 2，并拨动“限流电阻调节开关”2 由左向右旋动，

每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，观察放电管外型，出现电流

增大而电压不变位置，为正常辉光放电，若没有出现正常辉光放电，则继续。直到“限流电阻调节开关”2 被拨动到最右边为止，这时拨动“档位”

开关打到 3，并拨动“限流电阻调节开关”3 由左向右旋动，每旋动一次

限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而

电压不变位置，为正常辉光放电。若没有出现正常辉光放电，则继续。本

实验仪器在20Pa-100Pa 以内又可以获得正常辉光放电形貌。其它同学可以

改变放电压力如20Pa，30Pa，40Pa， 50Pa 重复上述步骤；观察不同的压

力下的放电管正常辉光放电形貌。

步 6：这时微微调整“压力调节钮”调整压力，目的使朗缪尔探针刚

好处于正柱区（注：正柱区有时也会出现明暗相间也属正常，这时要保证

探针在正柱区的明亮处，或者继续增加压力是正柱区变成均匀）。

步 7：打开朗缪尔探针驱动电源的“开关”按钮。

步 8:调节朗缪尔探针电压调节按钮，使之在-100V，然后缓慢从-100V，步长<0.5V，增加直到+100V，同时及时记录此时的探针电流。

步 9：关闭朗缪尔探针电源，气体放电电源。

步 10：结束实验

步 11：课后，整理朗缪尔探针数据在坐标纸或计算机上独立绘出朗缪

尔探针 I-V（-100V----+100V）特性曲线。

步 12：根据 I-V 特性曲线求解等离子体参数