磁控直流辉光等离子体放电特性

　　利用自制实验教学用的磁控直流辉光等离子体实验装置，如图1所示1，为我校理学院二年级学生开设研究性的实验课。旨在培养学生从事科学实验研究的动手能力。我们采取在学生初步掌握该实验装置放电方法后，由学生自己调研确定研究课题，这样每组同学的实验研究内容都不相同，基本上集中在下列几方面：

　　1、最佳的放电条件探索，内容包括：探索起辉电压与气体压强之间的关系；中心截面径向不同位置电子密度随气体压强之间的关系。

　　2、直流辉光等离子体放电特性，内容包括：等离子体参数与气体压强的关系；在不同的压强下放电电子密度的空间分布；

　　3、磁场对等离子体约束效果研究，内容包括：磁场对等离子体空间分布的影响--不同位置电子密度与约束磁场强度之间的关系。

实验装置：

　　实验装置如图1所示，有一个半径 R=15cm 球形玻璃泡制成的真空放电室，在真空室内相对安装两只半径为2.5cm 的圆形平板电极，在装置两端放置两只磁场线圈，一台抽速为 2L/s 的机械泵为系统真空抽气，极限真空度为 0.6pa，通过针阀充入Ar气，压强在0.6-300pa 之间可调，静电探针诊断测量系统布置在垂直的中心截面上，并可径向移动。

　　两只磁场线圈串联连接，由同一个电源供电。通过改变相互之间的接线方式来改变磁场位形。如果线圈供电电流由两只线圈同名端入，磁场位形如图2a 所示，通过改变流经线圈电流的大小中心磁场强度可在 0-1kGz 之间可调； 如果电流由两只线圈异名端入，磁场位形如图 2b所示。

实验内容：

1、探索系统最佳的放电条件：

　　为了确定运行控制参数范围，做了以下两个实验：Ar 气起辉实验：在不同气体压强下，改变放电压直至起辉放电，并记录最低的起辉电压，因此可以得到该装置起辉电压随气体压强变化关系，以便得到获取等离子体最佳气体压强条件;在不同位置测量电子密度与气体压强之间的关系：在稳定放电的情况下，固定放电电压，给静电探针加 50V 电压，调节气体压强直至放电终止。在不同气压下记录静电探针电流，该电流为电子饱和流，它的大小代表了电子密度的大小，从而得到电子密度（电子饱和流）与气体压强的关系；

2、电子密度的径向分布：

　　稳定放电情况下，在各种不同的气体压强条件下，用静电探针在不同径向位置测量电子饱和流，从而得到电子密度（电子饱和流）的径向分布。

3.电子密度随约束磁场强度的改变：

　　磁场线圈电流由同名端接入，改变线圈电流的大小，用静电探针在不同的径向位置测量电子饱和流，从而得到电子密度（电子饱和流）随约束磁场强度的变化。 磁场线圈电流由异名端接入，改变线圈电流的大小，用静电探针在不同的径向位置测量电子饱和流，从而得到电子密度（电子饱和流）随约束磁场强度的变化。

实验结果

　　图3为起辉电压与气体压强之间的关系，压强为 10pa 时起辉电压为330V，气压较低时，起辉电压比较高，随着气压的上升，起辉电压逐渐下降，当气压上升到34pa起辉电压降至不到100  V 为最低，随后起辉电压又随着气压的上升而升高；

　　图4在不同空间位置电子密度与气体压强之间的关系，在气体压强较低时，电子密度较低，随着气压的上升，电子密度逐渐上升，气压上升到 34pa时电子密度上升至最高，随后电子密度又随着气压的升高而下降； 图 4 是在装置放电起辉之后，把放电压固定在 280V，改变气压而得到的实验结果，与图3有明显的对应关系， 34pa起辉电压最低，而在相同的放电压下在该压强下可以获得最高的电子密度，表明此时放电最强烈，也就是说该磁控直流辉光等离子体实验装置最佳放电条件为34pa。

　　图5 为在稳定放电情况下，气体压强分别为 36、22、4pa 时，电子密度 ne的径向分布，气压高时中心电子密度最高，随着半径的增加电子密度逐渐下降，边缘电子密度最低；气压较低时中心电子密度已不是最高了，密度最高处略偏离中心，随后随着半径的增加电子密度逐渐下降，边缘电子密度最低；气压降至 4pa 时，电子密度几乎降低一个数量级，而边缘电子密度保持原数值不变。气压高时空间放电的范围小，气压低时空间放电的范围大，这是因为气压高时中性粒子密度高，电子与中性粒子的碰撞频率高，电子扩散范围小；气压低时中性粒子密度低，电子与中性粒子的碰撞频率低，电子扩散范围大之故。

　　图6所示在稳定放电的情况下，外加图 2a 位形约束磁场，在不同的径向位置上测得电子密度 ne 随约束磁感应强度 B 的变化曲线。中心电子密度随磁场增加而增加，边缘电子密度随磁场增加而减小。

　　图7所示在稳定放电的情况下，外加图2b位形约束磁场，在不同的径向位置上测得电子密度 ne 随约束磁感应强度B的变化曲线。中心电子密度随磁场增加而减小，边缘电子密度随磁场增加而增加。

　　带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用，围绕磁力线作螺旋运动，带电粒子在垂直磁场方向受到约束，即带电粒子不能横向穿越磁场运动。磁场位形为图2a时，放电空间限制在以半径为 2.5cm 两圆电极为鼓面，以与两电极边缘相切的磁力线所构成的腰鼓形空间之中。随磁场强度的增加约束效果会增强，因此中心密度随磁场强度的增加而增加，边缘密度随磁场强度的增加而减小。

　　磁场位形为图2b时， 带电粒子被磁力线引导到实验装置中垂面的边缘，因此中垂面上中心密度随磁场强度的增加而减小，边缘密度随磁场强度的增加而增加。虽然中心密度随磁场强度的增加而减小，但不会为零，原因有二：

　　1 放电特性不仅与磁场有关还与放电电场有关，带电粒子还会沿轴向电场运动，因此中心电子密度不会为零；

　　2 如图2b会切磁场，会切中心的磁场最小，带电粒子沿磁力线作螺旋运动时，磁场弱的方向带电粒子的旋转半径大，带电粒子沿磁场方向运动的同时，整体还会向会切中心漂移，带电粒子一旦到达会切中心就很难逃离该磁阱2。

结论

　　1.在该磁控直流辉光等离子体实验装置上，用 Ar 气放电获得直流辉光等离子体存在最佳放电压强 34pa，在此压强下起辉电压最低，同时可以获得电子密度最高的等离子体；

　　2.电子密度的空间分布随气体压强的不同而发生改变，密度中心随压强降低逐渐向外扩展，随中性粒子密度的减小，电子与中性粒子碰撞机会减小，碰撞频率减小，等离子体扩散范围大；

　　3.随磁场强度的增加约束效果会增强，因此中心密度随磁场强度的增加而增加，边缘密度随磁场强度的增加而减小。

　　4.中心电子密度随磁场的增加而减小， 边缘电子密度随磁场的增加开始稍有减小而后迅速增加。

　　3 和4 条说明在放电条件不变的条件下，约束磁场的作用并不能使等离子体参数得到整体提高，只会影响等离子体得空间分布。