磁场约束等离子体的实验演示

2022-10-20葛水兵王海学张书琪韩王胤孙江东

大学物理实验 2022年3期

叶超，葛水兵，王海学，张书琪，韩王胤，孙江东

(1.苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州 215006；2.苏州大学国家级物理实验教学示范中心，江苏苏州 215006；3.苏州大学东吴学院，江苏苏州 215006)

等离子体是物质存在的一种基本形态，是除固态、液态和气态以外的物质第四种形态。它广泛存在于宇宙中间，例如太阳日冕、地球北极上空的极光，也存在于人类活动中，例如微纳电子器件加工、热核聚变实验、等离子体空间推进等。因此，等离子体对于科学技术的发展和人类社会的进步，发挥着极其重要的作用。

在大学的创新实验中，等离子体的应用也非常广泛，例如薄膜材料的制备、纳米材料的制备、材料表面改性、等离子体化学聚合、等离子体医学应用、环境废物的等离子体处理，都需要利用等离子体。但是，在大学本科阶段，等离子体方面的课程和实验开设较少，学生的等离子体基础知识比较薄弱，影响了大学生创新实验课题的深入探索。

由于大部分等离子体的产生与应用需要低真空实验条件，等离子体的产生和测量设备比较复杂、昂贵，因此，在大学物理实验中，等离子体方面的基础实验较少，常见的只有辉光球演示实验和等离子体参数的探针测量实验。为了丰富大学生的等离子体基础知识，提高大学生创新实验能力，需要在大学物理实验中发展等离子体实验。鉴于此目的，设计了磁场约束等离子体的演示实验，直观地展现了磁场约束对等离子体形态的影响，丰富了大学物理实验中的等离子体实验内容。

1 实验原理

在等离子体物理与技术中，采用磁场约束等离子体，对于等离子体的产生、维持和应用具有重要作用。例如，在聚变等离子体的研究中，由于氘和氚原子核聚变反应需要混合气体的温度达到1亿度以上，因此需要采用磁场将等离子体约束在一个空间来获得高温等离子体[1]。而对于大气压放电等离子体，理论模拟表明外加磁场作用可以控制等离子体射流的偏转特性[2]，有效提升等离子体射流的放电效果[3]，实验结果也表明外加磁场可以改善大气压放电等离子体化学活性[4]。

磁场约束等离子体的基本过程如下：当一个带电粒子在磁场中运动时，若带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子受磁场作用，绕磁力线作螺旋运动，如图1所示。带电粒子螺旋运动的回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小。因此，在磁场作用下，每个带电粒子的运动便被约束在一根磁力线附近的很小的范围内，带电粒子回旋轨道的中心(即引导中心)只能沿磁力线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁力线跳到另一根磁力线，结果，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程(如扩散、热导)受到很大的限制。同时，由于带电粒子约束在磁力线附近作螺旋运动，因此带电粒子在与其他粒子发生碰撞前的运动距离(即自由程)就会增大，带电粒子受电场加速作用增强，在电场中获得的能量增大，结果带电粒子具有较高的能量，与其他粒子碰撞时的光发射强度增大。

图1 带电粒子在磁场中的运动过程

2 实验方法

为了采用简单、便捷、便宜的方法直观地展现磁场约束等离子体的实验现象，本实验采用大气压放电产生等离子体，利用永磁体组合产生的轴向发散磁场来约束等离子体，其结构如图2所示。

图2 自制双介质阻挡大气压放电等离子体装置结构图

大气压放电等离子体是近十几年发展迅速的等离子体技术，它主要采用介质阻挡放电(DBD)技术，即采用两个放电电极，将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，在两个放电电极之间充满工作气体(如氩气)，然后在两个电极间施加足够高的电压，使电极间的气体击穿放电形成等离子体束流。本实验自制了双介质阻挡大气压放电等离子体装置。将直径3 mm、长15 mm的银棒置于外径6 mm、内径4 mm的一端封口的细石英玻璃管内形成高压电极，高压电极置于内径10 mm的粗石英玻璃管中间，粗石英玻璃管外侧固定接地的外电极(用铜包裹银箔制备)，形成双DBD大气压放电结构。在粗、细两个石英玻璃管之间，通入高纯氩气(99.999%)作为放电气体，用转子流量计调节高纯氩的流量为8 L/min。在内、外两个电极之间用CTP-2000K低温等离子体实验电源(南京苏曼等离子科技有限公司)施加20 kHz的交流高压，当交流电压高于3.2 kV时，气体击穿放电，产生等离子体，等离子体从石英玻璃管一端喷出形成射流。

在等离子体技术中，用永磁体组合形成多种磁场形态是重要的方法，例如轴向多极场、发散场、磁镜场[5，6]，这种方法可以有效减小实验装置尺寸、降低制作费用和使用能耗。本实验采用3D打印制作磁环装配模具，在模具中装填尺寸为2 mm×5 mm×15 mm的NdFeB-M35的强磁体，形成中间为N极、外部为S极的磁环(如图3所示)，产生轴向发散场，作为约束等离子体的磁场装置。采用带横向探头和轴向探头的TM5100手持式特斯拉计，通过三维手动平移台精确调节探头在磁环中心平面沿轴向、径向移动位置，测量了磁环的径向磁场强度HR和轴向磁场强度Hz，每间隔2 mm测1个点。根据测量结果，计算得到空间各点的磁场大小与方向，利用Matlab描绘了磁环中心平面的磁场分布，如图3所示。

图3 自制的磁环结构及其磁场分布

3 实验结果

图4为双介质阻挡大气压放电时，放电管中等离子体射流光柱形态随磁环位置的变化，实验时放电管(长度为20 mm)的位置固定，通过磁环从右向左移动，改变磁场对等离子体的作用。

(a)

当磁环端面距放电管口3 mm时，放电管中等离子体射流由较短的中间亮区和均匀的等离子体余辉区组成，如图4(a)所示，这时磁场对等离子体的作用较弱，基本不影响射流光柱形态。当磁场端面位于放电管口时，射流中间的亮区被拉长，但有一定的径向发散，如图4(b)所示，表明磁场对等离子体的作用使等离子体开始约束在弱磁场的中间区域。当磁环端面继续向左移动5 mm，射流中间的亮区径向尺寸减小，亮度增加，如图4(c)所示，表明磁场对等离子体的约束作用增强，同时等离子体的能量有所增大。当磁环端面进一步向左移动4 mm，射流中间的亮区径向尺寸进一步减小，表明等离子体受磁场约束作用进一步增强，如图4(d)所示。这个过程清楚地展现了磁场强度增大对磁场约束等离子体形态的影响。

(a)

实验采用AvaSpec-2048八通道光纤光谱仪测量双介质阻挡大气压Ar放电等离子体的发射光谱，对放电等离子体性能进行了定量分析。收集等离子体光发射的光纤探头置于外电极外侧约5 mm处，如图4所示。图5(a)、5(b)分别为磁环位于图4(a)、4(d)位置时的大气压Ar放电等离子体发射光谱。可见Ar的763.5 nm、811.5 nm发射谱线强度明显增大，其中763.5 nm发射谱线强度增大约15%。

根据Ar放电等离子体发射光谱，采用光强比值法根据发射光的波长计算了电子激发温度[7，8]。根据发射光的波长λji、λkl和发射光强度Iji、Ikl，可以得到电子激发温度为

(1)

对于Ar发射谱线，激发能Ej和Ek、统计权重gj和gk、自发辐射的爱因斯坦系数Aji和Akl均可以从相关文献中查得，如表1所示。