脉冲放电弧光等离子体演示仪

乐永康,赵在忠,谢寰彤

(1.复旦大学物理学系,上海200433;2.上海寰彤科教设备有限公司,上海201806)

脉冲放电弧光等离子体演示仪

乐永康1,赵在忠1,谢寰彤2

(1.复旦大学物理学系,上海200433;2.上海寰彤科教设备有限公司,上海201806)

介绍了一种脉冲放电弧光等离子体演示仪.该设备内置的测量电路可以直接显示放电电压、电流的大小和放电的持续时间,放电电流也可以通过附带的感应线圈来测量;结合光栅光谱仪,可以测出发光光谱,进而求出等离子体的温度、密度等参数.

脉冲放电弧光等离子体;放电参数;感应线圈;发光光谱

1 引 言

等离子体常被称作物质的第四态,占宇宙中可见物质的99%.日常生活中常见的等离子体如火焰、霓虹灯、电弧等.近年来低温等离子体在生产研究各个方面的应用越来越多,而最有希望解决人类未来的能源危机的可控核聚变技术则是基于高温等离子体.但在教学中,学生了解和接触等离子体的机会很少,往往觉得相关物理内容比较神秘.为了让学生了解这方面的内容,并集成尽量多的知识点,是研制本设备的出发点.

2 脉冲放电弧光等离子体演示仪

不同于目前的教学实验室里常见的低温等离子体,如辉光放电等离子体[1-2]和潘宁放电等离子体[3],脉冲放电弧光等离子体演示仪能够演示脉冲强电流放电产生弧光等离子体的过程.内置的测量电路可以显示放电时的电压、电流大小和放电持续的时间,放电电流也可以通过附带的感应线圈来测量;结合光栅光谱仪,可以测出发射光谱,进而求出等离子体的温度、密度等参数.

脉冲放电弧光等离子体演示仪的电路结构如图1所示.圆环型的真空放电管中充有压强约为102Pa的氩气(掺有少量汞),3个并联的大电容首先由直流充电模块充电,然后由控制模块控制经点火线圈放电.点火线圈在放电电路接通的瞬间能产生短时间的高压以击穿放电管中的气体,激发等离子体.通过采样电阻测得的放电电流在102A量级.

图1 脉冲放电弧光等离子体演示仪的电路结构图

图2 脉冲等离子体在350～960 nm波长范围的发光光谱

发射光谱分析常被用于等离子体的检测[3-4].用复想光电PG4000型光栅光谱仪[5]测得的脉冲等离子体在350～960 nm波长范围的发射光谱如图2所示.图2中的光谱包含Ar原子和Ar离子的特征峰.而波长在400～600 nm的连续谱成分表明我们得到的是基本上处于热平衡的热等离子,即弧光等离子体.发射谱中特征峰的相对强度可以用于计算等离子体的温度和密度[4,6].

由于流过放电管的电流是随时间变化的脉冲强电流(电流持续时间在ms量级),根据高斯定理,在放电时,放电管外会形成环绕放电管的变化的磁场,根据电磁感应原理,可以在放电管外环绕一螺旋线圈,线圈两端会形成感生电动势,此感生电动势不但可以反映放电电流的大小,还可以反映电流随时间的变化.这一方法在高温等离子体研究中常被用来测量大至几百万安培的脉冲电流,最早是由罗柯夫斯基提出来的,因而称为罗氏线圈法[7].

3 结束语

本文介绍了一种放电电流可达102A量级的脉冲放电弧光等离子体演示仪的实现方法,并给出了初步的实验结果和可以进一步拓展的方向。该仪器可以用于等离子体物理课程的演示实验,让学生对弧光等离子体有直观的了解,也可以用于近代物理实验课程,以改变目前教学实验室中鲜有弧光等离子体实验项目的状况.

[1] 吴先球,熊予莹.近代物理实验教程[M].2版.北京:科学出版社,2009:171-178.

[2] 杭州大华仪器制造有限公司.DH2005型直流辉光等离子体实验装置使用说明[Z].杭州,2008.

[3] 李慧玉,施芸城,冯贤平,等.潘宁型放电等离子体的发射光谱分析[J].物理实验,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] 上海复想光电科技有限公司.科研级PG4000光栅光谱仪使用说明[Z].2009.

[6] 过增元,赵文华.电弧和热等离子体[M].北京:科学出版社,1986:296-312.

[7] 朱士尧.等离子体物理基础[M].北京:科学出版社,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

[责任编辑:郭 伟]

“全国高等学校第9届物理演示实验教学研讨会”论文

2009-08-27;修改日期:2009-11-04

乐永康(1973-),男,浙江舟山人,复旦大学物理学系高级讲师,博士,主要从事物理实验教学研究.