樂永康,趙在忠,謝寰彤

(1.復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,上海200433;2.上海寰彤科教設(shè)備有限公司,上海201806)

脈沖放電弧光等離子體演示儀

樂永康1,趙在忠1,謝寰彤2

(1.復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,上海200433;2.上海寰彤科教設(shè)備有限公司,上海201806)

介紹了一種脈沖放電弧光等離子體演示儀.該設(shè)備內(nèi)置的測量電路可以直接顯示放電電壓、電流的大小和放電的持續(xù)時間,放電電流也可以通過附帶的感應(yīng)線圈來測量;結(jié)合光柵光譜儀,可以測出發(fā)光光譜,進而求出等離子體的溫度、密度等參數(shù).

脈沖放電弧光等離子體;放電參數(shù);感應(yīng)線圈;發(fā)光光譜

1 引 言

等離子體常被稱作物質(zhì)的第四態(tài),占宇宙中可見物質(zhì)的99%.日常生活中常見的等離子體如火焰、霓虹燈、電弧等.近年來低溫等離子體在生產(chǎn)研究各個方面的應(yīng)用越來越多,而最有希望解決人類未來的能源危機的可控核聚變技術(shù)則是基于高溫等離子體.但在教學(xué)中,學(xué)生了解和接觸等離子體的機會很少,往往覺得相關(guān)物理內(nèi)容比較神秘.為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容,并集成盡量多的知識點,是研制本設(shè)備的出發(fā)點.

2 脈沖放電弧光等離子體演示儀

不同于目前的教學(xué)實驗室里常見的低溫等離子體,如輝光放電等離子體[1-2]和潘寧放電等離子體[3],脈沖放電弧光等離子體演示儀能夠演示脈沖強電流放電產(chǎn)生弧光等離子體的過程.內(nèi)置的測量電路可以顯示放電時的電壓、電流大小和放電持續(xù)的時間,放電電流也可以通過附帶的感應(yīng)線圈來測量;結(jié)合光柵光譜儀,可以測出發(fā)射光譜,進而求出等離子體的溫度、密度等參數(shù).

脈沖放電弧光等離子體演示儀的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.圓環(huán)型的真空放電管中充有壓強約為102Pa的氬氣(摻有少量汞),3個并聯(lián)的大電容首先由直流充電模塊充電,然后由控制模塊控制經(jīng)點火線圈放電.點火線圈在放電電路接通的瞬間能產(chǎn)生短時間的高壓以擊穿放電管中的氣體,激發(fā)等離子體.通過采樣電阻測得的放電電流在102A量級.

圖1 脈沖放電弧光等離子體演示儀的電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 脈沖等離子體在350～960 nm波長范圍的發(fā)光光譜

發(fā)射光譜分析常被用于等離子體的檢測[3-4].用復(fù)想光電PG4000型光柵光譜儀[5]測得的脈沖等離子體在350～960 nm波長范圍的發(fā)射光譜如圖2所示.圖2中的光譜包含Ar原子和Ar離子的特征峰.而波長在400～600 nm的連續(xù)譜成分表明我們得到的是基本上處于熱平衡的熱等離子,即弧光等離子體.發(fā)射譜中特征峰的相對強度可以用于計算等離子體的溫度和密度[4,6].

由于流過放電管的電流是隨時間變化的脈沖強電流(電流持續(xù)時間在ms量級),根據(jù)高斯定理,在放電時,放電管外會形成環(huán)繞放電管的變化的磁場,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,可以在放電管外環(huán)繞一螺旋線圈,線圈兩端會形成感生電動勢,此感生電動勢不但可以反映放電電流的大小,還可以反映電流隨時間的變化.這一方法在高溫等離子體研究中常被用來測量大至幾百萬安培的脈沖電流,最早是由羅柯夫斯基提出來的,因而稱為羅氏線圈法[7].

3 結(jié)束語

本文介紹了一種放電電流可達102A量級的脈沖放電弧光等離子體演示儀的實現(xiàn)方法,并給出了初步的實驗結(jié)果和可以進一步拓展的方向。該儀器可以用于等離子體物理課程的演示實驗,讓學(xué)生對弧光等離子體有直觀的了解,也可以用于近代物理實驗課程,以改變目前教學(xué)實驗室中鮮有弧光等離子體實驗項目的狀況.

[1] 吳先球,熊予瑩.近代物理實驗教程[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2009:171-178.

[2] 杭州大華儀器制造有限公司.DH2005型直流輝光等離子體實驗裝置使用說明[Z].杭州,2008.

[3] 李慧玉,施蕓城,馮賢平,等.潘寧型放電等離子體的發(fā)射光譜分析[J].物理實驗,2005,25(7):15-17.

[4] Qayyum A,Ikram M,Zakaullah M,et al.Characterization of argon plasma by use of optical emission spectroscopy and Langmuir probemeasurements [J].International Journal of Modern Physics B, 2003,17(14):2 749-2 759.

[5] 上海復(fù)想光電科技有限公司.科研級PG4000光柵光譜儀使用說明[Z].2009.

[6] 過增元,趙文華.電弧和熱等離子體[M].北京:科學(xué)出版社,1986:296-312.

[7] 朱士堯.等離子體物理基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1983:102-103.

Demonstration device for pulsed discharge arc plasma

L E Yong-kang1,ZHAO Zai-zhong1,XIE Huan-tong2
(1.Department of Physics,Fudan University,Shanghai 200433,China; 2.Shanghai Huantong Scientific Instrument Co.Ltd.,Shanghai 201806,China)

A demonstration device for pulsed discharge arc plasma is introduced.With built-in electronics,the device can display the discharge voltage,current and duration time.The discharge current can also be measured by an induction coil.The optical emission spectrum is measured with a grating spectrometer.The temperature and density of the arc plasma can be calculated from the obtained spectrum.

pulsed discharge arc plasma;discharge parameter;induction coil;optical emission spectrum

O531

A

1005-4642(2010)06-0037-02

[責(zé)任編輯:郭 偉]

“全國高等學(xué)校第9屆物理演示實驗教學(xué)研討會”論文

2009-08-27;修改日期:2009-11-04

樂永康(1973-),男,浙江舟山人,復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系高級講師,博士,主要從事物理實驗教學(xué)研究.