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等离子体参数测量.doc

上传人:泰山小桥流水 2024/4/15 文件大小:407 KB

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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。等离子体的参数丈量(增补资料)等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获取了愈来愈宽泛的应用,其主要原由在于等离子体拥有两个突出的长处:同其余的方法(如化学方法)对比,等离子体拥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,从而引起用其余方法不可以或难以实现的物理变化和化学反响。活性成分包含紫外和可见光子、电子、离子、自由基,以及高反响性的中性成分,如活性原子,受激原子,活性分子碎片。比方,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,不只好在减少副产品、废料,以及污染和有毒废物的状况下达到有关的工业结果,甚至能达成其余方法不可以实现的目标。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,但国内对于等离子体技术的研究和教课还远远落伍于等离子体技术在工程中的应用,比如,此刻适用的好多科研和生产上的等离子体设施有好多是入口的,有关等离子体的教课课程展开得较少,而教课实验则更少。本实验以直流辉光等离子体为例,希望学生经过实验,能认识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,为此后的学****研究打下基础。等离子体物理基础跟着温度的高升,物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。假如温度持续高升到10K4甚至更高,将会有愈来愈多的物质分子/原子被电离;这时,物质就变为了一团由电子、离子和中性粒子构成的混淆物,称为等离子体;也正所以,等离子体常被称作物质的第四态。等离子体(Plasma)一词根源于古希腊语“”,意为可塑物质或浆状物质,作为专业词汇,最早出此刻生物学名词原生质{protoplasma)中。1929年,朗缪尔(Langmuir)和汤克斯(Tonks)在研究气体放电时初次将“plasma”1一词用于物理学领域,用来表征所察看到的放电物质。我国台湾学者将“plasma”翻译为“电浆”。因为常温下气体热运动的能量不大,不会自觉电离,因此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,说明在热均衡的气体中,电离度,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)跟温度的依靠关系为:nini15T3/2Ui/kT,(1)*10nieni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。*10-23J/K。Ui为气体电离能,K单位是。我们以室温下一般气体为例,这时n0193,T,对于氮气,eV=3*10/cm=300KUi=,将这些数字代入沙哈方程,获取ni/n010-122。可见,室温下气体中电离的成份微不足道。若要使电离成份占千分之一,一定使温度T高于4。10K图1:各种等离子体存在的参量空间。只管在人类生活的环境中,物质不会自觉地以等离子体的形式存在,但依据沙哈的计算,宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。从火热的恒星、绚烂的气态星云、浩大的星际物质,到多变的电离层和高速的太阳风,它们都是等离2子体。地球上,人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。跟着科学技术的发展,各种人造等离子体在生活、生产和研究中的应用愈来愈宽泛,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焚烧的等离子体等等。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地区,而等离子体存在的参数空间特别宽广。从星际空间的稀疏等离子体到太阳核心的致密等离子体,离子的数密度ni从3-3到33-3,超越了个数目级;从火焰等的低10m10m30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超越了7个数目级。图1给出了各种等离子体存在的参量空间。等离子体物理研究领域宽泛,学科交错众多,应用远景广阔。在有些国家,等离子体物理已经发展成为仅仅于凝集态物理的重要分支学科。从国家重要需求来看,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,我国经过大科学工程和“863”高技术计划已经形成了较大规模的磁拘束聚变和惯性拘束研究基地,已经参加了国际热核实验反响堆(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,跟着“神舟”系列载人飞船的发射、“双星”计划以及绕月工程等项目的实行,我国的空间探究活动日益屡次。这些计划的进行都需要大批的掌握了丰富的等离子体物理知识的优异专业人材。等离子体的定义等离子体是有电子、离子和中性粒子构成的,宏观上体现准中性(quasineutrality),且拥有集体效应的混淆气体。准中性是指等离子体中正负电荷的总数基真相等,系统在宏观上体现电中性,但在小尺度上则体现出电磁性。集体效应突出地反应了等离子体和中性气体的差异。理想气体模型中,中性气体分子之间的互相作用只在碰撞的时候才有。等离子体中带电粒子之间的互相作用是长程库仑力,任何带电离子的运动均遇到其余带电粒子的影响。带电粒子的运动能够形成局域的电荷集中,从而产生电场,带点离子的运动优惠产生电流,从而产生磁场,这些电磁场优惠影响其余带电粒子的运动。所以,等离子体体现出集体效应。3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,拥有很大的动能,互相之间的碰撞会使原子中的电子获取足够大的能量,一旦超出电离能就会产生电离。2、光电离当气体遇到光的照耀时,原子也会汲取光子的能量,假如光子的能量足够大,也会惹起电离。光电离主要发生在气体稀疏的状况下。3、碰撞电离气体中的带电粒子在电场中加快获取等量,这些能量大的带电粒子跟气体原子碰撞进行能量互换,从而负气体电离。碰撞电离中主假如电子的贡献。各样粒子间的互相作用等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各样种类的互相作用。由于静电作使劲的存在,使得问题比理想气体中粒子间的互相作用要复杂得多。总的来说,等离子体中粒子间的互相作用可分为两大类:一类是弹性碰撞,另一类是非弹性碰撞。(一)、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惹起粒子内能的改变,或许陪伴着新的粒子、光子的产生。非弹性碰撞可以致使激发、电离、复合、电荷互换、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、等离子体温度对于均衡态等离子体(高温等离子体)温度是各样粒子热运动的均匀量度;对于非均衡态等离子体(低温等离子体),因为电子、离子能够达到各自的均衡4态,故要用双温模型予以描绘。一般用Ti表示离子温度,Te表示电子温度,常常用eV作单位。德拜长度等离子体内电荷被障蔽的半径,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四周形成一个异号电的“鞘层”,其厚度可用德拜长度D来描绘,kTe4me2。等离子体振荡等离子体中,发生了稍微的电荷分别形成电场。因为电子和离子间的静电吸引力,使得等离子体有激烈的答复宏观电中性的趋向。因为离子的质量远大于电子的质量,我们能够近似以为离子不动。当电子相对于离子往回运动时,在电场作用下不停加快。因为惯性的原由它会超出均衡地点,又造成相反方向的点和分别,从而又产生相反方向的电场,使电子再次向均衡地点运动。这个过程不停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。能够获取振荡的频次是ne2(2)0me等离子体辐射等离子体中存在大批的以各样形式运动的带电粒子,因此由此惹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。依据光谱的不一样,等离子体辐射能够分为连续光谱和线光谱(不连续的特点谱)两类。依据辐射过程的微观特征,等离子体辐射能够分为轫致辐射、复合辐射、盘旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等。研究等离子体的方法1)单粒子轨道理论这类理论的出发点是把等离子体看作由大批独立的带电粒子所构成的一个5系统。自然,实质上等离子体中的带电粒子之间存在着互相作用,实质上它是一种集体效应,因此,单粒子轨道理论是一种近似理论,只合用于特别稀疏的等离子体。可是它有显然的长处:办理问题简单了然,形象直观,有助于解说等离子体的很多性质。(2)磁流体力学描绘当等离子体中离子运动的特点长度远大于带电粒子的均匀自由程,特点时间远大于粒子间的均匀碰撞时间时,我们能够等离子体当作是含由大批带电粒子的导电流体,即恪守电磁场的基本运动规律,又知足流体力学的运动规律,也即能够用磁流体力学(ohydrodynamics,简写为MHD)的方法来描绘等离子体。3)动力学描绘假如既要考虑单个粒子的运动,又要考虑粒子间的互相作用即集体效应,则一定用动力学理论来描绘等离子体,即用统计力学的方法求出大批微观粒子的平均行为来描绘等离子体的宏观性质。这里,大批粒子的运动用散布函数来描绘,带点离子间的互相作用归纳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绘,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绘,针对不一样的研究对象和研究内容,能够对碰撞项作不一样的假定,形成各样实用的简化模型。其余有关知识等离子体的分类各样常用等离子体的产生方法等离子体的主要应用高温核聚变等离子体的检测方法气体放电理论6实验仪器本实验采纳DH2005型直流辉光等离子体实验装置,该仪器采纳一体化设计,顶部是放电管及水冷部分,高压加在放电管两头,外面采纳聚四***乙烯绝缘资料绝缘,冷却水经过两头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。丈量及控制部分均部署在操作面板上,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零件名称: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、高压调理粗调旋钮8、高压调理细调旋钮9、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、辉光电流丈量表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725、高真空隔阂阀部分操作零件功能说明:6作选择开关:此开关的功能分为“断”、“辉光放电丈量”、“击穿电压丈量”、“探针丈量”四档。断:开关在此地点时,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。辉光放电丈量:开关在此地点时,能够进行辉光放电的电流-电压(I-V)曲线丈量。击穿电压丈量:开关在此地点时,能够进行击穿电压丈量。其原理是:放电管中的气体被击穿时,会有电流流过;跟着电流的增大,内部取样电阻上的电压降增大,致使二极管导通,此时电压表显示的是二极管的导通电位值。~,记录下此时放电管两头的电压。(实质的击穿电压值是放电管电压显示的电压值)。探针丈量:开关在此地点时,能够进行探针电流-电压(I-V)曲线丈量。9、15量程选择开关。探针电流丈量:分为20μA~20mA4档。辉光电流丈量:分为2mA~2A共4档。仪器主要配置及构成DH2005直流辉光等离子体实验装置包含可拆卸的气体放电管、丈量系统、真空系统、进气系统和水冷系统等部分构成。气体放电管:采纳玻璃烧结而成,内附两组钨丝探针。及两边采纳不锈钢资料制成的水冷套及放电管固定托架。丈量系统:包含辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压丈量表。放电管电压表:三位多半显,丈量范围0~2000V,丈量精度2%。辉光电流表:三位多半显,丈量范围0~2A,共分5档,%。探针电压表:三位多半显,丈量范围0~±200V,%。探针电流表:三位多半显,丈量范围0~20mA,%。8击穿电压丈量表:三位多半显,丈量范围0~2V,%。系统电源:包含两组直流稳压稳流电源,一组放电管工作电压,调理范围0~1000V,另一组为探针丈量电源,调理范围0~±100V,%。真空系统:采纳2XZ-2型旋片真空泵,对密封容器抽除气体而获取真空,真空的丈量采纳电阻真空计,用于丈量本底真空和工作时的工作气压。真空的密封采纳丁***橡胶O圈密封;真空调理采纳隔阂阀粗调解微调阀精美调理。2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标:1)工作电压:AC220V/50Hz2)抽气速率:2L/S3)极限压力:6×10-1Pa4)电机功率:)进气口内径:25mm6)用油量:)噪声:72LwdB(A)进气系统:进气经过金属管路联接,可通入不一样的工作气体,经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,经过自带水箱、水泵对整个系统的冷却水进行循环,可保证系统正常运转对水温的要求。对实验室的水源无特其余要求。设施的基本操作及注意事项1)、检查确认设施各零件完满,连结安全(注意接地)。2)、接通总电源,翻开总电源开关旋钮,确认冷却水箱水容量翻开冷却水开关按钮。3)、翻开隔阂阀,确认气路连结规范完满后翻开真空泵开关按钮,对放电管抽真空。4)、翻开电阻真空计电源开关,丈量放电管内的压强,抽真空约15分钟即可使放电管内真空达到所需要求。丈量放电管内的本底真空,真空度要优于10Pa。6)、翻开气体钢瓶高压阀,,开启流量计开关,调理进气流量,同时调理隔阂阀使工作气压达到所需要求。7)、将高压输出线加在放电管两头。注意:在实验过程中严禁用手去触摸高压电源线以及放电极杆,免得触电。将功能选择开关打在“放电电流丈量”档,开启高压开关按钮,迟缓调理高压调理旋钮,调理到必定的电压时,放电管9