物理实验教程 一近代物理实稻 ( 实验5-4等离子体特性研究 1879年，克鲁克斯(W.Crookes)在研究气体放电的过程中指出物质可能以第四态形 式存在。1928年，朗缪尔(L.Langmuir)提出用“plasma”(等离子体)描述气体放电过程中 贴近放电管壁的区域，并提出了等离子体振荡理论。朝缨尔的研究开创了物理学的一个 新的分支 一等离子体物理。朗缪尔进一步发明了氢气焊接、灯泡充入气体的技术，并因 其在表面化学方面的贡献而获得1932年诺贝尔化学奖。 随着温度的升高，物质从固态到液态再到气态转化。当温度进一步升高时，物质受热 能的激发而全部电离，或者气态物质在较低的温度下由于放电而全部电离，电离后形成的 电子的总电荷量同所有的正离子的总电荷量在数值上相等，而在宏观上保持电中性，这就 是等离子体。20世纪30年代以后，人们认识到过去在放电管中的电离气体同处在 1×10°℃状态下的物质都属等离子体，只是电离度和温度有差别。在放电管中研究的等 离子体，因其温度低，所以称为低温等离子体：在热核反应中形成的电离气体，温度很高 称为高温等离子体。 等离子体是存在最广泛的一种物质，日前观测到的宇宙物质中99%是等离子体。太 空中的太阳风、行星际介质、星际介质、星系间介质等，地球上的闪电、极光、大气层中的电 离层等，荧光打、原虹打灯管中的电离气，核聚变实验中的高温电离气体以及电焊时产生 的高温电弧体等都是等离子体。随着对等离子体研究的逐步深入，形成了受控热核聚变 (controlled thermonuclear fusion,CTF)等离子物理、空间与天体等离子物理，低温等离子 物理三个相对独立的研究和应用领域，使得等离子体科学在能源，材料、信息，环保，国防 微电子、半导体，航空、航天、冶金、生物医学，造纸，化工、纺织、通信等诸多领域得到了 应用。 尽管等离子体和普通气体有很多相似之处，如没有确定的形状和体积、具有流动性 但两者也有很大的区别：①普通气体由分子构成，分子之间的相互作用力是短程力，当分 子碰撞时分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述；等离子体是 种电离气体，是电和热的良导体，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远 远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，且电磁力起主要作用，使原本普通的物质 内部出现新的运动形式，在无规则的热运动之外能产生某些类型的集体运动，如等离子体 振荡。②一般普通气体的速率分布满足麦克斯韦分布(Maxwell distribution),但等离子 体由于与电场的耦合可能偏离麦克斯韦分布。 本实验研究气体放电过程中的等离子体特性并利用等离子体诊断技术测定等离子体 的一此基本参量 【实验目的】 (1)理解气体放电过程中产生等离子体的基本原理和低温等离子体的基本特性。 (2)掌握探针法和霍尔效应法测量等离子体的原理和技术。 276
— ２７６ — 实验５Ｇ４ 等离子体特性研究 １８７９年,克鲁克斯(W．Crookes)在研究气体放电的过程中指出物质可能以第四态形 式存在.１９２８年,朗缪尔(I．Langmuir)提出用“plasma”(等离子体)描述气体放电过程中 贴近放电管壁的区域,并提出了等离子体振荡理论.朗缪尔的研究开创了物理学的一个 新的分支———等离子体物理.朗缪尔进一步发明了氢气焊接、灯泡充入气体的技术,并因 其在表面化学方面的贡献而获得１９３２年诺贝尔化学奖. 随着温度的升高,物质从固态到液态再到气态转化.当温度进一步升高时,物质受热 能的激发而全部电离,或者气态物质在较低的温度下由于放电而全部电离,电离后形成的 电子的总电荷量同所有的正离子的总电荷量在数值上相等,而在宏观上保持电中性,这就 是等离子体.２０ 世 纪 ３０ 年 代 以 后,人 们 认 识 到 过 去 在 放 电 管 中 的 电 离 气 体 同 处 在 １×１０８ ℃状态下的物质都属等离子体,只是电离度和温度有差别.在放电管中研究的等 离子体,因其温度低,所以称为低温等离子体;在热核反应中形成的电离气体,温度很高, 称为高温等离子体. 等离子体是存在最广泛的一种物质,目前观测到的宇宙物质中９９％是等离子体.太 空中的太阳风、行星际介质、星际介质、星系间介质等,地球上的闪电、极光、大气层中的电 离层等,荧光灯、霓虹灯灯管中的电离气,核聚变实验中的高温电离气体以及电焊时产生 的高温电弧体等都是等离子体.随着对等离子体研究的逐步深入,形成了受控热核聚变 (controlledthermonuclearfusion,CTF)等离子物理、空间与天体等离子物理、低温等离子 物理三个相对独立的研究和应用领域,使得等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、 微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通信等诸多领域得到了 应用. 尽管等离子体和普通气体有很多相似之处,如没有确定的形状和体积、具有流动性, 但两者也有很大的区别:① 普通气体由分子构成,分子之间的相互作用力是短程力,当分 子碰撞时分子之间的相互作用力才有明显效果,理论上用分子运动论描述;等离子体是一 种电离气体,是电和热的良导体,带电粒子之间的库仑力是长程力,库仑力的作用效果远 远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果,且电磁力起主要作用,使原本普通的物质 内部出现新的运动形式,在无规则的热运动之外能产生某些类型的集体运动,如等离子体 振荡.② 一般普通气体的速率分布满足麦克斯韦分布(Maxwelldistribution),但等离子 体由于与电场的耦合可能偏离麦克斯韦分布. 本实验研究气体放电过程中的等离子体特性并利用等离子体诊断技术测定等离子体 的一些基本参量. 【实验目的】 (１)理解气体放电过程中产生等离子体的基本原理和低温等离子体的基本特性. (２)掌握探针法和霍尔效应法测量等离子体的原理和技术
原子物理与核物理实验第5章 (3)学会测量等离子体的主要基本参量。 【预习要求】 (1)什么是等离子体？ (2)等离子体有哪些基本特性？用哪些主要参量来描述？ (3)等离子体诊断方法有哪此？ (4)实验中用哪两种方法测量等离子体的参量？ 【实验原理】 一、气体辉光放电与等离子体产生 辉光放电(glow discharge)是气体导电的一种形态。图5-41是气体放电管的工作原 理图。气体放电管是置有板状电极的玻璃管，其内充入低压气体或蒸气，当两极间电压较 高（约1000V)时，气体放电产生电子和正离子。在放电管两极电场的作用下，电子和正 离子分别向阳极、阴极运动，在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷，因而形成明显 的电热隆蒸，分刚称为阳极压降和阴极压降。阴极压隆是电极间电势降落的主要成分 因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大 得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内，这是辉光放电的显著特 征，而且在正常辉光放电时两极间电压不随电流变化。 可调高压源 ⊙ 等子体 放电管 电了 图54-1气体放电管工作原理图 图5-4-2是辉光放电时气体放电管中各部分的光区分布。辉光放电的特征是电流强 度小，温度不高，故气体放电管内有特殊的亮区和暗区，由阴极表面开始依次为阿斯顿暗 区、阴极辉光区、阴极暗区、负极辉光区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区，其中 以负极辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所造 成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关。正柱区是等离子体区，其特征 是.气体高度电离：电场强度很小，且沿轴向有桓定值，这使得其中带电粒子的无规则热运 动胜过它们的定向运动，所以它们基本上遵从麦克斯韦分布：由于电子质量小，它在跟离 子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子大很多。 二、等离子体的主要参量 描述等离子体的主要参量有：①电子温度T,这是描述等离子体的一个重要参量 -277
— ２７７ — (３)学会测量等离子体的主要基本参量. 【预习要求】 (１)什么是等离子体? (２)等离子体有哪些基本特性? 用哪些主要参量来描述? (３)等离子体诊断方法有哪些? (４)实验中用哪两种方法测量等离子体的参量? 【实验原理】 一、气体辉光放电与等离子体产生 辉光放电(glowdischarge)是气体导电的一种形态.图５Ｇ４Ｇ１是气体放电管的工作原 理图.气体放电管是置有板状电极的玻璃管,其内充入低压气体或蒸气,当两极间电压较 高(约１０００V)时,气体放电产生电子和正离子.在放电管两极电场的作用下,电子和正 离子分别向阳极、阴极运动,在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷,因而形成明显 的电势降落,分别称为阳极压降和阴极压降.阴极压降是电极间电势降落的主要成分. 因正离子的漂移速度远小于电子,故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大 得多,使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内,这是辉光放电的显著特 征,而且在正常辉光放电时两极间电压不随电流变化. 图５Ｇ４Ｇ１ 气体放电管工作原理图 图５Ｇ４Ｇ２是辉光放电时气体放电管中各部分的光区分布.辉光放电的特征是电流强 度小、温度不高,故气体放电管内有特殊的亮区和暗区,由阴极表面开始依次为阿斯顿暗 区、阴极辉光区、阴极暗区、负极辉光区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区,其中 以负极辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体.这些光区是空间电离过程及电荷分布所造 成的结果,与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关.正柱区是等离子体区,其特征 是:气体高度电离;电场强度很小,且沿轴向有恒定值,这使得其中带电粒子的无规则热运 动胜过它们的定向运动,所以它们基本上遵从麦克斯韦分布;由于电子质量小,它在跟离 子或原子作弹性碰撞时能量损失很小,所以电子的平均动能比其他粒子大很多. 二、等离子体的主要参量 描述等离子体的主要参量有:① 电子温度 Te,这是描述等离子体的一个重要参量
物理实验教程 一近代物理实验 因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子能量有直接关系，即与 电子温度相关：②带电粒子密度。，在等离子体中电子密度与正离子密度相等：③轴向 电场强度E:,表征为维持等离子体存在所需的能量：④电子平均动能E。:⑤空间电势分 布U。 图54-2气体放电管中的光区分布 三、等离子体诊断 测量等离子体的方法称为等离子体诊断(plasma diagnostics),它是等离子体物理实 验的重要部分。等离子体诊断包括探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等。本实验采用 探针法和霍尔效应法。 1。探针法 测量等离子体的探针法分为单探针法和双探针法，本实验采用单探针法。单探针法 的实验原理如图5-4-3所示。探针(probe)是封人等离子 体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆料 形、球形)。以气体放电管的阴极（或阳极）作为参考点， 凸⊙ 逐渐改变探针电势U,测出相应的探针电流。理论上 由于电子热运动的平均速度远大于正离子，因此在开始 时打在探针表面上的电子数远大于正离子数，使探针表 面逐渐积累负电荷，从而使探针相对于其附近空间电势 ⊙ (spatial potential)为U、的等离子体的电势差为负值 这个负电势差排斥电子，吸引正离子，从而在探针附 形成带正电荷的空间电荷层（正离子鞘）。这个正离子 鞘逐渐增厚，直到单位时间进入探针表面的电子数与正 图54-3单探针法实验原理图 离子数相等为止，这时探针电流为零，其表面的负电势将不再改变，这时探针的电势称为 悬浮电势(floating potential)Ui。当外加电源使得探针相对于其附近空间电势的电势差 U,≠U,时，探针就会有电流。U,与电流1之间的关系即探针伏安特性曲线，如图5-4-4(a 所示。实际测量时，参考电极（阴极或阳极）与等离子体电势不相等[电极与等离子体接触 处形成一鞘层(sh©ath),图中I。表示离子饱和电流]，只能测出探针对参考电极的电势差 278
— ２７８ — 因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的,而电子碰撞电离与电子能量有直接关系,即与 电子温度相关;② 带电粒子密度n０,在等离子体中电子密度与正离子密度相等;③ 轴向 电场强度EL,表征为维持等离子体存在所需的能量;④ 电子平均动能Ee;⑤ 空间电势分 布Us. 图５Ｇ４Ｇ２ 气体放电管中的光区分布 三、等离子体诊断 测量等离子体的方法称为等离子体诊断(plasmadiagnostics),它是等离子体物理实 验的重要部分.等离子体诊断包括探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等.本实验采用 探针法和霍尔效应法. １．探针法 测量等离子体的探针法分为单探针法和双探针法,本实验采用单探针法.单探针法 图５Ｇ４Ｇ３ 单探针法实验原理图 的实验原理如图５Ｇ４Ｇ３所示.探针(probe)是封入等离子 体中的一个小的金属电极(其形状可以是平板形、圆柱 形、球形).以气体放电管的阴极(或阳极)作为参考点, 逐渐改变探针电势Up,测出相应的探针电流.理论上, 由于电子热运动的平均速度远大于正离子,因此在开始 时打在探针表面上的电子数远大于正离子数,使探针表 面逐渐积累负电荷,从而使探针相对于其附近空间电势 (spatialpotential)为Us 的等离子体的电势差为负值. 这个负电势差排斥电子,吸引正离子,从而在探针附近 形成带正电荷的空间电荷层(正离子鞘).这个正离子 鞘逐渐增厚,直到单位时间进入探针表面的电子数与正 离子数相等为止,这时探针电流为零,其表面的负电势将不再改变,这时探针的电势称为 悬浮电势(floatingpotential)Uf.当外加电源使得探针相对于其附近空间电势的电势差 Up≠Uf时,探针就会有电流.Up与电流I 之间的关系即探针伏安特性曲线,如图５Ｇ４Ｇ４(a) 所示.实际测量时,参考电极(阴极或阳极)与等离子体电势不相等[电极与等离子体接触 处形成一鞘层(sheath),图中Ii０表示离子饱和电流],只能测出探针对参考电极的电势差
原子物理与核物理实验第5章 U(U=U,十U,),得到探针电流与外加电压U的伏安特性曲线，如图5-4-4(b)所示。 (a)理论曲线 (b)实际曲线 图544单探针伏安特性曲线 对于图5-44(b):在AB段时，探针电势比等离子体的空间电势U要低得多，所以电 子受到负电势的排斥作用，而速度很慢的正离子则被吸向探针，在探针周围形成正离子构 成的空间电荷层，即正离子鞘，它把探针电场屏蔽起来。等离子区中的正离子只能靠热运 动穿过鞘层到达探针，形成探针电流，所以AB段为正离子流，这个电流很小。过B点 后，随着探针电势增大，电场对电子的排斥作用减弱，使一些能量较大的电子能够克服电 场排斥作用到达探针，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐减小。 所以BC段为正离子流十电子流。到C点时，电子流刚好等于正离子流，两者相互抵消， 使探针电流为零。继续增大探针电势时，到达探针电极的电子数比正离子数多得多，探针 电流转为正向，并且迅速增大，所以CD段为电子流十正离子流，以电子流为主。当探针 电势U,和等离子体的空间电势U,相等时，正离子鞘消失，全部电子都能到达电极，这对应 于曲线上的D点，此后电流达到饱和。当探针电势U,进一步升高时，探针电极周围的气 体也被电离，使探针电流又迅速增大，直至烧毁探针。根据由单探针法得到的伏安特性曲 线图5-44(b),可求得等离子体的一些主要参量。 (1)等离子体的空间电势U, 从图5-4-4(b)中可以看出，等离子体的空间电势U,是曲线转折点D点对应的横坐 标，此时进人探针的电子数达到饱和。 (2)悬浮电势U。 悬浮电势U,是探针电流【为零时的探针电势，此时进入探针的电子数与离子数相 等。根据测出的单探针伏安特性曲线图54-4(b)找到1=0对应的横坐标U1-。,由U= U-。一U,即可得悬浮电势U。 (3)电子温度T。 在图5-4-4(b)中的CD段，由于电子受到减速电势(U。一U.)的作用，只有能量比 (U,一U)大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦-玻 耳兹曼分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度”。应为： .=epE,-2 kT。 (5-4-1) 式中，”。为等离子区中的电子密度（即带电粒子密度），T为等离子区中的电子温度，k。为 玻耳维经常数，当电子平均速度为位一一)时，在单位时间内春到表面积为S -279
— ２７９ — U(U＝Up＋Us),得到探针电流与外加电压U 的伏安特性曲线,如图５Ｇ４Ｇ４(b)所示. 图５Ｇ４Ｇ４ 单探针伏安特性曲线 对于图５Ｇ４Ｇ４(b):在AB 段时,探针电势比等离子体的空间电势Us要低得多,所以电 子受到负电势的排斥作用,而速度很慢的正离子则被吸向探针,在探针周围形成正离子构 成的空间电荷层,即正离子鞘,它把探针电场屏蔽起来.等离子区中的正离子只能靠热运 动穿过鞘层到达探针,形成探针电流,所以 AB 段为正离子流,这个电流很小.过 B 点 后,随着探针电势增大,电场对电子的排斥作用减弱,使一些能量较大的电子能够克服电 场排斥作用到达探针,这些电子形成的电流抵消了部分正离子流,使探针电流逐渐减小, 所以BC 段为正离子流＋电子流.到C 点时,电子流刚好等于正离子流,两者相互抵消, 使探针电流为零.继续增大探针电势时,到达探针电极的电子数比正离子数多得多,探针 电流转为正向,并且迅速增大,所以CD 段为电子流＋正离子流,以电子流为主.当探针 电势Up和等离子体的空间电势Us相等时,正离子鞘消失,全部电子都能到达电极,这对应 于曲线上的D 点,此后电流达到饱和.当探针电势Up进一步升高时,探针电极周围的气 体也被电离,使探针电流又迅速增大,直至烧毁探针.根据由单探针法得到的伏安特性曲 线图５Ｇ４Ｇ４(b),可求得等离子体的一些主要参量. (１)等离子体的空间电势Us. 从图５Ｇ４Ｇ４(b)中可以看出,等离子体的空间电势Us是曲线转折点 D 点对应的横坐 标,此时进入探针的电子数达到饱和. (２)悬浮电势Uf. 悬浮电势Uf是探针电流I 为零时的探针电势,此时进入探针的电子数与离子数相 等.根据测出的单探针伏安特性曲线图５Ｇ４Ｇ４(b)找到I＝０对应的横坐标UI＝０,由Uf＝ UI＝０－Us 即可得悬浮电势Uf. (３)电子温度Te. 在图５Ｇ４Ｇ４(b)中的 CD 段,由于电子受到减速电势(Up －Us)的作用,只有能量比 e(Up－Us)大的那部分电子能够到达探针.假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦Ｇ玻 耳兹曼分布,则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne 应为: ne ＝n０exp e(Up －Us) kBTe é ë ê ê ù û ú ú (５Ｇ４Ｇ１) 式中,n０为等离子区中的电子密度(即带电粒子密度),Te为等离子区中的电子温度,kB 为 玻耳兹曼常数.当电子平均速度为v － e(v － e ＝ ８kBTe πme )时,在单位时间内落到表面积为S
物理实验教程 —近代物理实验 的探针上的电子数为 N.=子.as (5-4-2) 将式(5-4-1)代入式(5-4-2)可得探针上的电子电流为 1=N.e=a.se=1exp「e二U.] (5-4-3) ksT。 式中，1。为饱和电流，有： 1.-tm.Se (5-4-4) 对式(5-4-3)取对数，则有： a1h1-欲+欲 (5-4-5) 式中，hl。一 ev. =常数，故有： 1一器+含数 (5-4-6) 可见探针上电子电流I的对数和探针电势U,呈线性关系， 如图5-4-5所示。 从图5-4-5中直线部分的斜率tan可以得到： (5-4-7) e 11600(K) T.-kstantan (5-4-8) 由此得到平均动能E。和平均速度⑦。为： E.-2T (5-4-9)图545探针上电子电流1的 对数与探针电势U,的关系曲线 BknTe (5-4-10) (4)等离子体区带电粒子密度。 等离子体区带电粒子密度。即探针上的电流饱和时的电子密度。由式(5-4-4)可得： (5-4-11) 则带电粒子密度。为： I。2m ≈4×105 。 (5-4-12) 2.霍尔效应(Hall effect)法 如图5-4-6所示，在等离子体中悬浮一对平行板，在与等离子体中带电粒子漂移垂直 的方向施加磁场，保持磁场方向、漂移方向和平行板法线方向三者互相垂直，则具有电荷 。和漂移速度的电子在磁场中受到的洛仑兹力为 280
— ２８０ — 的探针上的电子数为: Ne ＝ １ ４ nev － eS (５Ｇ４Ｇ２) 将式(５Ｇ４Ｇ１)代入式(５Ｇ４Ｇ２)可得探针上的电子电流为: I＝Nee＝ １ ４ nev － eSe＝I０exp e(Up －Us) kBTe é ë ê ê ù û ú ú (５Ｇ４Ｇ３) 式中,I０为饱和电流,有: I０ ＝ １ ４ n０v － eSe (５Ｇ４Ｇ４) 对式(５Ｇ４Ｇ３)取对数,则有: lnI＝lnI０ － eUs kBTe ＋ eUp kBTe (５Ｇ４Ｇ５) 式中,lnI０ － eUs kBTe ＝常数,故有: lnI＝ eUp kBTe ＋ 常数 (５Ｇ４Ｇ６) 图５Ｇ４Ｇ５ 探针上电子电流I 的 对数与探针电势Up的关系曲线 可见探针上电子电流I 的对数和探针电势Up呈线性关系, 如图５Ｇ４Ｇ５所示. 从图５Ｇ４Ｇ５中直线部分的斜率tanϕ 可以得到: tanϕ＝ lnI Up ＝ e kBTe (５Ｇ４Ｇ７) Te ＝ e kBtanϕ ＝ １１６００ tanϕ (K) (５Ｇ４Ｇ８) 由此得到平均动能E － e 和平均速度v － e 为: E － e ＝ ３ ２ kBTe (５Ｇ４Ｇ９) v － e ＝ ８kBTe πme (５Ｇ４Ｇ１０) (４)等离子体区带电粒子密度n０. 等离子体区带电粒子密度n０即探针上的电流饱和时的电子密度.由式(５Ｇ４Ｇ４)可得: I０ ＝ １ ４ v － en０Se＝ １ ４ n０eS ８kBTe πme (５Ｇ４Ｇ１１) 则带电粒子密度n０为: n０ ＝ I０ eS ２πme kBTe ≈４×１０１３ I０ S kBTe (５Ｇ４Ｇ１２) ２．霍尔效应(Halleffect)法 如图５Ｇ４Ｇ６所示,在等离子体中悬浮一对平行板,在与等离子体中带电粒子漂移垂直 的方向施加磁场,保持磁场方向、漂移方向和平行板法线方向三者互相垂直,则具有电荷 e和漂移速度vL 的电子在磁场中受到的洛仑兹力为:
0 原子物理与核物理实验第5章 FL=evLB (5-4-13) 式中，B为磁感应强度。 洛仑兹力使电子向平行板法线方向偏转，从而建立起 霍尔电场EH,这个电场将对电子产生作用力F。： F.=eEn (5-4-14) 当磁场力和电场力相等时，有： 图546霍尔效应法原理图 (5-4-15) 式中，d为平行板间距，U为霍尔电压。 实验证明，对于弱磁场，式(5-4-15)可修改为 (5-4-16 设电流密度为J,则通过气体放电管的电流为 I-ar =Jas (5-4-17) 设r是气体放电管半径，则有： dl =n.(r)evL2ardr (5-4-18) 只考虑数量级时，可假定n.(r)是常数，则有： I=n.e,2元r (5-4-19) 由式(5-4-16)和式(5-4-19)可求得电子密度为： IBd -er产8erU (5-4-20) 亥姆霍兹线圈的轴向磁感应强度B=0.724Ni/R,其中2。为真空磁导率，N为线 圈匝数，：为线圈电流，R为线圈半径。 【实验器材】 实验器材包括等离子体物理实验组合仪，接线板、气体放电管等。气体放电管的阳极 和阴极由不锈钢片制成，管内充汞或氩。用霍尔效应法测量时需外加一对亥姆霍兹线圈。 实验参数为：探针面积S=πD2/4,D=0.45mm:探针轴向间距为30mm:气体放电管内 径为6mm:平行板面积为4mm×7mm:平行板间距d=4mm:亥姆霍兹线圈直径为 200mm:亥姆霍兹线圈间距为100mm;亥姆蛋兹线圈匝数为400匝。 【实验内容】 一、基础性实验内容 L.单探针法测量等离子体参量 按图547所示连接线路绘制单探针伏安特性曲线，根据曲线计算空间电势、悬浮电势、电 子温度、电子密度、电子平均动能和平均速度等参量，分析实验误差产生原因并提出改进措施。 2.霍尔效应法测量等高子体参量 按图5-4-8所示连接线路，测量B-Um曲线，求出电子密度n和漂移速度v,分析实 验误差产生原因并提出改进措施。 -281—
— ２８１ — 图５Ｇ４Ｇ６ 霍尔效应法原理图 FL ＝evLB (５Ｇ４Ｇ１３) 式中,B 为磁感应强度. 洛仑兹力使电子向平行板法线方向偏转,从而建立起 霍尔电场EH ,这个电场将对电子产生作用力Fe: Fe ＝eEH (５Ｇ４Ｇ１４) 当磁场力和电场力相等时,有: vL ＝ UH Bd (５Ｇ４Ｇ１５) 式中,d 为平行板间距,UH 为霍尔电压. 实验证明,对于弱磁场,式(５Ｇ４Ｇ１５)可修改为: vL ＝ ８UH Bd (５Ｇ４Ｇ１６) 设电流密度为J,则通过气体放电管的电流为: I＝∫dI＝∫JdS (５Ｇ４Ｇ１７) 设r 是气体放电管半径,则有: dI＝ne(r)evL２πrdr (５Ｇ４Ｇ１８) 只考虑数量级时,可假定ne(r)是常数,则有: I＝neevL２πr２ (５Ｇ４Ｇ１９) 由式(５Ｇ４Ｇ１６)和式(５Ｇ４Ｇ１９)可求得电子密度为: ne ＝ I eπr２vL ＝ IBd ８eπr２UH (５Ｇ４Ｇ２０) 亥姆霍兹线圈的轴向磁感应强度B ＝０７２４μ０Ni/R,其中μ０ 为真空磁导率,N 为线 圈匝数,i为线圈电流,R 为线圈半径. 【实验器材】 实验器材包括等离子体物理实验组合仪、接线板、气体放电管等.气体放电管的阳极 和阴极由不锈钢片制成,管内充汞或氩.用霍尔效应法测量时需外加一对亥姆霍兹线圈. 实验参数为:探针面积S＝πD２/４,D＝０４５mm;探针轴向间距为３０mm;气体放电管内 径为６mm;平行板面积为４mm×７mm;平行板间距d＝４mm;亥姆霍兹线圈直径为 ２００mm;亥姆霍兹线圈间距为１００mm;亥姆霍兹线圈匝数为４００匝. 【实验内容】 一、基础性实验内容 １．单探针法测量等离子体参量 按图５Ｇ４Ｇ７所示连接线路绘制单探针伏安特性曲线,根据曲线计算空间电势、悬浮电势、电 子温度、电子密度、电子平均动能和平均速度等参量,分析实验误差产生原因并提出改进措施. ２．霍尔效应法测量等离子体参量 按图５Ｇ４Ｇ８所示连接线路,测量BＧUH 曲线,求出电子密度ne和漂移速度vL,分析实 验误差产生原因并提出改进措施
物理实验教程 一近代物理实验 议界销 气体放电管 极 探 阳 图54-7单探针法接线图 仅器箱 接线板 气体放电曾 1一线圈12 极3 平板15一平板2：6一阳极。 图548霍尔效应法接线图 二、设计性实验内容 1.实验内容 根据现有实验条件，通过查阅文献资料自主设计实验方案，采用双探针法测量等离子 体参量。 2.实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实际实验测量， 选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)等离子体物理实验组合仪一定要按照操作规程操作，不可乱动旋钮 (2)在测量时如果发现探针处发红光，说明探针正在烧毁中，应立即关掉电源。 (3)放电单元输出的是高压，应使所有的实验线路接好后再接通放电单元，一旦放电 单元接通后不允许用手去碰任何电极，以免触电。 (4)气体放电管在放电前要把“显示开关”置于“电流显示”，然后才能进行触发。 (5)高压触发时间不要太长，一般可在数秒内，但可以重复多次，直至气体放电管启 辉放电。 -282-
— ２８２ — 图５Ｇ４Ｇ７ 单探针法接线图 １—线圈１;２—阴极;３—线圈２;４—平板１;５—平板２;６—阳极. 图５Ｇ４Ｇ８ 霍尔效应法接线图 二、设计性实验内容 １．实验内容 根据现有实验条件,通过查阅文献资料自主设计实验方案,采用双探针法测量等离子 体参量. ２．实验要求 阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实际实验测量, 选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)等离子体物理实验组合仪一定要按照操作规程操作,不可乱动旋钮. (２)在测量时如果发现探针处发红光,说明探针正在烧毁中,应立即关掉电源. (３)放电单元输出的是高压,应使所有的实验线路接好后再接通放电单元,一旦放电 单元接通后不允许用手去碰任何电极,以免触电. (４)气体放电管在放电前要把“显示开关”置于“电流显示”,然后才能进行触发. (５)高压触发时间不要太长,一般可在数秒内,但可以重复多次,直至气体放电管启 辉放电
原子物理与核物理实验第5章 )磁场单元的“显示开关”一般置于“电流显示”，只有在接上负载后才能置于“电压 显示”。 (7)磁场单元切换“显示开关”和“换向开关”时，一定要在切断电源后进行，否则会烧 坏开关。 (8)应用不同的诊断方法测量同一个等离子体参量时一般会有较大差别，这是测量 等离子体的困难之处。 【思考与讨论】 (1)辉光放电的特征如何？气体放电管中的光区分布如何？ (2)单探针法测得的伏安特性曲线如何解释？ (3)霍尔效应法为何能测量电子密度和电子漂移速度？ 【参考文献】 [1]李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验[M门.北京：科学出版社，2012. [2]沙振舜，黄润生.新编近代物理实验[M们.南京：南京大学出版社，2014. [3]彭国资.气体放电一等离子体物理的应用[M们.北京：知识出版社，1988 [4]李定，陈银华，马锦秀.等离子体物理学[M门.北京：高等教有出版社，2006 实验5-5y能谱测量 Y射线是激发态的原子核退激时发出的高能光子流，人的眼睛是看不到的，要测量必 须借助特殊的仪器，即Y射线核探测器(nuclear detector)。Y射线的强度按能量的分布即 Y能谱。研究Y能谱可确定原子核激发态的能级等，对放射性分析、同位素应用及鉴定核 素等方面都有重要的意义。 1947年，美国物理学家科尔特曼(J.W.Coltman)和美籍德国物理学家卡尔曼(H Kallmann)证实，由闪烁体(scintillator)、光电倍增管(photomultipler tube,PMT)和核电 子学(nuclear electronics)仪器组成的闪烁计数器(scintillation counter)可用于探测射线 且效率比盖革计数器高。在闪烁计数器基础上发展而来的闪烁能谱仪广泛应用于核物 理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中。本实验使用Nal(T1)单晶闪烁能谱仪(scim tillation spectrometer)测量放射源产生的y射线的能谱。 【实验目的】 (1)了解闪烁探测器的基本结构和工作原理。 (2)掌握NI(T1)单品闪烁能谱仪的主要性能指标和测量方法。 (3)观测及分析Y全能谱。 (4)了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。 -283-
— ２８３ — (６)磁场单元的“显示开关”一般置于“电流显示”,只有在接上负载后才能置于“电压 显示”. (７)磁场单元切换“显示开关”和“换向开关”时,一定要在切断电源后进行,否则会烧 坏开关. (８)应用不同的诊断方法测量同一个等离子体参量时一般会有较大差别,这是测量 等离子体的困难之处. 【思考与讨论】 (１)辉光放电的特征如何? 气体放电管中的光区分布如何? (２)单探针法测得的伏安特性曲线如何解释? (３)霍尔效应法为何能测量电子密度和电子漂移速度? 【参考文献】 [１] 李书光,张亚萍,朱海丰．大学物理实验[M]．北京:科学出版社,２０１２． [２] 沙振舜,黄润生．新编近代物理实验[M]．南京:南京大学出版社,２０１４． [３] 彭国贤．气体放电———等离子体物理的应用[M]．北京:知识出版社,１９８８． [４] 李定,陈银华,马锦秀．等离子体物理学[M]．北京:高等教育出版社,２００６． 实验５Ｇ５ γ能谱测量 γ射线是激发态的原子核退激时发出的高能光子流,人的眼睛是看不到的,要测量必 须借助特殊的仪器,即γ射线核探测器(nucleardetector).γ射线的强度按能量的分布即 γ能谱.研究γ能谱可确定原子核激发态的能级等,对放射性分析、同位素应用及鉴定核 素等方面都有重要的意义. １９４７年,美国物理学家科尔特曼(J．W．Coltman)和美籍德国物理学家卡尔曼(H． Kallmann)证实,由闪烁体(scintillator)、光电倍增管(photomultiplertube,PMT)和核电 子学(nuclearelectronics)仪器组成的闪烁计数器(scintillationcounter)可用于探测射线, 且效率比盖革计数器高.在闪烁计数器基础上发展而来的闪烁能谱仪广泛应用于核物 理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中.本实验使用 NaI(Tl)单晶闪烁能谱仪(scinＧ tillationspectrometer)测量放射源产生的γ射线的能谱. 【实验目的】 (１)了解闪烁探测器的基本结构和工作原理. (２)掌握 NaI(Tl)单晶闪烁能谱仪的主要性能指标和测量方法. (３)观测及分析γ全能谱. (４)了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理