等离子体性实验.doc

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1、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

2、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n       气体放电原理与实验装置l       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

3、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。l       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，。l       其次是空间电荷效应的限制。在中性原

4、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（De

5、bye）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。l       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

6、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。n       基本等离子体参数及测量方法l       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:l       稳–真空室材料为不锈钢和铝材，主体可设计成直径10～20

7、cm、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

8、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