用电子管做等离子体诊断实验

周 非,沙振舜

(南京大学物理学院,江苏 南京210093)

用电子管做等离子体诊断实验

周 非,沙振舜

(南京大学物理学院,江苏 南京210093)

用电子管代替气体放电管做等离子体诊断实验,分别使用X-Y自动记录仪和万用表进行测量,计算得出等离子体参量,并与使用放电管得出的等离子参量做比较,证明了用电子管代替气体放电管的可行性.

等离子体诊断;气体放电管;电子管

鉴于等离子体的应用日益广泛,以及等离子体诊断在等离子体研究中的重要地位,我们在近代物理实验中开设了静电探针法等离子体诊断的实验,用的是气体放电管,这种放电管是充汞和氩的玻璃管,长约25 cm,两端装有阳极和阴极,另有单探针、双探针和霍尔棎针.实验开设多年,效果较好,但是放电管的来源成了问题,因为这种放电管是手工做的,成品率低,致使售价越来越高,况且放电管的参量不齐,由于怕污染,很多厂家都生产了,于是我们只好寻找替代品.

国外文献[1-3]有用电子管做物理实验的报导,受到启发,于是进行探索,终于找到了适合做等离子体诊断实验的国产电子管,以及实验用的仪器设备和方法,并进行了广泛的实验.

1 电子管选型

国外文献上使用的是用OA 4-G型充氩三极管,但找不到,于是采用了国产商用ZQ1-0.3/1.3型充氙的闸流管,做朗谬尔探针法诊断,也许这不是最佳选择,但这种电子管市面上容易买到,价格便宜,大概是放电管的十分之一,而且体积小,接线方便.其参量如下:热丝电压6.3 V,热丝电流0.6 A,内充氙氪混合气,最大屏反峰电圧1.3 kV,最大屏极峰圧 650 V,最大屏极峰流500 m A,最大屏极平均电流100 m A,阴热丝极间最大电圧50 V,第一、二栅最大电圧-100 V,屏极表面积2.00 mm2,第一栅极表面积230 mm2.ZQ1-0.3/1.3型电子管管脚接线如图1所示.

图1 ZQ1-0.3/1.3型电子管管脚接线

2 仪器与线路

为了做等离子体诊断实验,制作了等离子体物理实验组合仪,提供实验所需的各种电源以及电流测试仪表,利用接线盒与电子管管座相连,并通过电脑化X-Y记录仪(A/D转换)与计算机连接,可以进行自动测试.另外用模拟万用电表进行手动测试,作为对照.

单探针法原理性线路如图2所示.

图2 单探针法原理性线路

3 测 试

将电路接通后从电子管顶端可以看到管顶有淡紫色辉光出现,说明产生了等离子体.

用电脑化X-Y记录仪与微机自动测试,获探针 I-Up特性曲线,如图3所示.

图3 自动测试的单探针I-U p特性曲线

用万用电表进行手动测试,获探针 I-U特性曲线,如图4所示.

图4 用万用电表测试的单探针I-U特性曲线

用自制的等离子体数据分析软件,按照朗谬尔静电探针法的计算公式,求得等离子体参量如表1所示,同时列出气体放电管中等离子体参量,以及国外类似电子管中等离子体参量,作为比较,发现它们在数量级上符合得较好.

表1 等离子体参量

实验表明,用电子管替代放电管是可行的.

用电子管做等离子体诊断实验的优点如下:

1)电子管价格便宜,容易获得.

2)机器生产的电子管参量比较一致,因此,测得的等离子体参量重复性好.

3)从特性曲线上看,拐点明显,容易确定,因此,测量较准确.

4)电子管体积小,重量轻,因有管座,故容易接线,不易断线.

缺点如下:

1)有局限性.不能改变管内压强和气体种类,不能动态测量.

2)测试过程中放电电流会改变,需要随时调整,使放电电流恒定.

3)探针面积(实际上是电子管的极)不容易精确计算,探针相对于等离子体空间大了些.

4)由于双探针不对称,做岀的特性曲线较差,用这种电子管做双探针法有困难.

改进意见:

1)寻找更合适的电子管或者请厂家做适合诊断用的电子管.

2)把电子管做成可以充气的,改变管内压强和气体种类,进行动态测量,这样应用更广.

4 结束语

总的说来,电子管可以部分地代替气体放电管做等离子体诊断实验,应急使用.其意义不仅如此,用电子管还可以做其他基础物理实验,如电子比荷测量、电离电位测量等.

[1]A lexeff I,Pytlinski J T,Oleson N L.New elementary experiments in p lasma physics[J].American Journal of Physics,1977,45(9):860-866.

[2]Pytlinski J T,A lexeff I.Some p lasma physics experiments on electrical conductivity and similarity law s[J].American Journal of Physics,1977,45(12):1 196-1 199.

[3]Pytlinski J T,Donnert H J,Alexeff I.Behavior of a single Langmuir p robe in a magnetic field[J].A-merican Journal of Physics,1978,46(12):1 276-1 278.

[4]李明,王叶,耿在斌.等离子体综合实验仪[J].物理实验,2009,29(11):12-14.

[5]俞哲,张芝涛,赵建森.Langmuir双探针诊断Ne辉光放电管电子密度[J].物理实验,2010,30(1):1-5.

[责任编辑:郭 伟]

Plasma diagnostic experiments with electron tube

ZHOU Fei,SHA Zhen-shun
(Physics School,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

The p lasma diagnostic experiments are introduced by rep lacing gas discharge tube w ith electron tube.The p lasma characteristic ismeasured by X-Y automatic recording instrument and the m ultimeter in the experiment.And then the p lasma parameters could be derived.The feasibility of using the electron tube in the experiment is p resented by comparing the parametersw ith those obtained using gas discharge tube.

p lasma diagnostic experiment;gas discharge tube;electron tube

O53

A

1005-4642(2010)11-0033-02

2010-03-08

周 非(1974-),男,江苏扬州人,南京大学物理学院实验教学中心工程师,主要从事近代物理实验教学及教学改革研究工作.