磁控直流輝光等離子體放電特性

　　利用自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的磁控直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示1，為我校理學(xué)院二年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)研究性的實(shí)驗(yàn)課。旨在培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的動(dòng)手能力。我們采取在學(xué)生初步掌握該實(shí)驗(yàn)裝置放電方法后，由學(xué)生自己調(diào)研確定研究課題，這樣每組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容都不相同，基本上集中在下列幾方面：

　　1、最佳的放電條件探索，內(nèi)容包括：探索起輝電壓與氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系；中心截面徑向不同位置電子密度隨氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系。

　　2、直流輝光等離子體放電特性，內(nèi)容包括：等離子體參數(shù)與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系；在不同的壓強(qiáng)下放電電子密度的空間分布；

　　3、磁場(chǎng)對(duì)等離子體約束效果研究，內(nèi)容包括：磁場(chǎng)對(duì)等離子體空間分布的影響--不同位置電子密度與約束磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)裝置：

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，有一個(gè)半徑 R=15cm 球形玻璃泡制成的真空放電室，在真空室內(nèi)相對(duì)安裝兩只半徑為2.5cm 的圓形平板電極，在裝置兩端放置兩只磁場(chǎng)線(xiàn)圈，一臺(tái)抽速為 2L/s 的機(jī)械泵為系統(tǒng)真空抽氣，極限真空度為 0.6pa，通過(guò)針閥充入Ar氣，壓強(qiáng)在0.6-300pa 之間可調(diào)，靜電探針診斷測(cè)量系統(tǒng)布置在垂直的中心截面上，并可徑向移動(dòng)。

　　兩只磁場(chǎng)線(xiàn)圈串聯(lián)連接，由同一個(gè)電源供電。通過(guò)改變相互之間的接線(xiàn)方式來(lái)改變磁場(chǎng)位形。如果線(xiàn)圈供電電流由兩只線(xiàn)圈同名端入，磁場(chǎng)位形如圖2a 所示，通過(guò)改變流經(jīng)線(xiàn)圈電流的大小中心磁場(chǎng)強(qiáng)度可在 0-1kGz 之間可調(diào)； 如果電流由兩只線(xiàn)圈異名端入，磁場(chǎng)位形如圖 2b所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1、探索系統(tǒng)最佳的放電條件：

　　為了確定運(yùn)行控制參數(shù)范圍，做了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：Ar 氣起輝實(shí)驗(yàn)：在不同氣體壓強(qiáng)下，改變放電壓直至起輝放電，并記錄最低的起輝電壓，因此可以得到該裝置起輝電壓隨氣體壓強(qiáng)變化關(guān)系，以便得到獲取等離子體最佳氣體壓強(qiáng)條件;在不同位置測(cè)量電子密度與氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系：在穩(wěn)定放電的情況下，固定放電電壓，給靜電探針加 50V 電壓，調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)直至放電終止。在不同氣壓下記錄靜電探針電流，該電流為電子飽和流，它的大小代表了電子密度的大小，從而得到電子密度（電子飽和流）與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系；

2、電子密度的徑向分布：

　　穩(wěn)定放電情況下，在各種不同的氣體壓強(qiáng)條件下，用靜電探針在不同徑向位置測(cè)量電子飽和流，從而得到電子密度（電子飽和流）的徑向分布。

3.電子密度隨約束磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變：

　　磁場(chǎng)線(xiàn)圈電流由同名端接入，改變線(xiàn)圈電流的大小，用靜電探針在不同的徑向位置測(cè)量電子飽和流，從而得到電子密度（電子飽和流）隨約束磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。 磁場(chǎng)線(xiàn)圈電流由異名端接入，改變線(xiàn)圈電流的大小，用靜電探針在不同的徑向位置測(cè)量電子飽和流，從而得到電子密度（電子飽和流）隨約束磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖3為起輝電壓與氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系，壓強(qiáng)為 10pa 時(shí)起輝電壓為330V，氣壓較低時(shí)，起輝電壓比較高，隨著氣壓的上升，起輝電壓逐漸下降，當(dāng)氣壓上升到34pa起輝電壓降至不到100  V 為最低，隨后起輝電壓又隨著氣壓的上升而升高；

　　圖4在不同空間位置電子密度與氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系，在氣體壓強(qiáng)較低時(shí)，電子密度較低，隨著氣壓的上升，電子密度逐漸上升，氣壓上升到 34pa時(shí)電子密度上升至最高，隨后電子密度又隨著氣壓的升高而下降； 圖 4 是在裝置放電起輝之后，把放電壓固定在 280V，改變氣壓而得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與圖3有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 34pa起輝電壓最低，而在相同的放電壓下在該壓強(qiáng)下可以獲得最高的電子密度，表明此時(shí)放電最強(qiáng)烈，也就是說(shuō)該磁控直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置最佳放電條件為34pa。

　　圖5 為在穩(wěn)定放電情況下，氣體壓強(qiáng)分別為 36、22、4pa 時(shí)，電子密度 ne的徑向分布，氣壓高時(shí)中心電子密度最高，隨著半徑的增加電子密度逐漸下降，邊緣電子密度最低；氣壓較低時(shí)中心電子密度已不是最高了，密度最高處略偏離中心，隨后隨著半徑的增加電子密度逐漸下降，邊緣電子密度最低；氣壓降至 4pa 時(shí)，電子密度幾乎降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而邊緣電子密度保持原數(shù)值不變。氣壓高時(shí)空間放電的范圍小，氣壓低時(shí)空間放電的范圍大，這是因?yàn)闅鈮焊邥r(shí)中性粒子密度高，電子與中性粒子的碰撞頻率高，電子擴(kuò)散范圍�。粴鈮旱蜁r(shí)中性粒子密度低，電子與中性粒子的碰撞頻率低，電子擴(kuò)散范圍大之故。

　　圖6所示在穩(wěn)定放電的情況下，外加圖 2a 位形約束磁場(chǎng)，在不同的徑向位置上測(cè)得電子密度 ne 隨約束磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的變化曲線(xiàn)。中心電子密度隨磁場(chǎng)增加而增加，邊緣電子密度隨磁場(chǎng)增加而減小。

　　圖7所示在穩(wěn)定放電的情況下，外加圖2b位形約束磁場(chǎng)，在不同的徑向位置上測(cè)得電子密度 ne 隨約束磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化曲線(xiàn)。中心電子密度隨磁場(chǎng)增加而減小，邊緣電子密度隨磁場(chǎng)增加而增加。

　　帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用，圍繞磁力線(xiàn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在垂直磁場(chǎng)方向受到約束，即帶電粒子不能橫向穿越磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)位形為圖2a時(shí)，放電空間限制在以半徑為 2.5cm 兩圓電極為鼓面，以與兩電極邊緣相切的磁力線(xiàn)所構(gòu)成的腰鼓形空間之中。隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加約束效果會(huì)增強(qiáng)，因此中心密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，邊緣密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小。

　　磁場(chǎng)位形為圖2b時(shí)， 帶電粒子被磁力線(xiàn)引導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)裝置中垂面的邊緣，因此中垂面上中心密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小，邊緣密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。雖然中心密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小，但不會(huì)為零，原因有二：

　　1 放電特性不僅與磁場(chǎng)有關(guān)還與放電電場(chǎng)有關(guān)，帶電粒子還會(huì)沿軸向電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，因此中心電子密度不會(huì)為零；

　　2 如圖2b會(huì)切磁場(chǎng)，會(huì)切中心的磁場(chǎng)最小，帶電粒子沿磁力線(xiàn)作螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)弱的方向帶電粒子的旋轉(zhuǎn)半徑大，帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，整體還會(huì)向會(huì)切中心漂移，帶電粒子一旦到達(dá)會(huì)切中心就很難逃離該磁阱2。

結(jié)論

　　1.在該磁控直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置上，用 Ar 氣放電獲得直流輝光等離子體存在最佳放電壓強(qiáng) 34pa，在此壓強(qiáng)下起輝電壓最低，同時(shí)可以獲得電子密度最高的等離子體；

　　2.電子密度的空間分布隨氣體壓強(qiáng)的不同而發(fā)生改變，密度中心隨壓強(qiáng)降低逐漸向外擴(kuò)展，隨中性粒子密度的減小，電子與中性粒子碰撞機(jī)會(huì)減小，碰撞頻率減小，等離子體擴(kuò)散范圍大；

　　3.隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加約束效果會(huì)增強(qiáng)，因此中心密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，邊緣密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小。

　　4.中心電子密度隨磁場(chǎng)的增加而減小， 邊緣電子密度隨磁場(chǎng)的增加開(kāi)始稍有減小而后迅速增加。

　　3 和4 條說(shuō)明在放電條件不變的條件下，約束磁場(chǎng)的作用并不能使等離子體參數(shù)得到整體提高，只會(huì)影響等離子體得空間分布。