磁化等离子体测试小腔室中等离子体鞘层结构的实验研究

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自1923年Langmuir首先提出鞘的概念后,等离子体鞘层的研究就一直备受科研工作者的关注。无论在非磁化等离子体还是磁化等离子体中,都已有大量理论方面的工作。实验方面,有几个研究小组曾开展非磁化等离子体鞘层中电势分布以及离子速度分布函数的诊断工作。近年来,少数课题组曾利用激光诱导荧光法和发射探针法研究了磁化等离子体预鞘和鞘层的结构,然而磁化等离子体中平行和垂直磁场方向鞘层的对比以及不同磁场位形下鞘层的诊断等工作则鲜有报道。  在以往针对等离子体鞘层的研究中发现,金属平板(全吸收)或金属栅网(部分吸收)附近会形成厚度为几个Debye长度量级的鞘层。当分别给平板(或栅网)加负偏压或正偏压时,在金属平板的附近会分别形成离子鞘和电子鞘。研究表明,等离子体鞘层的特点主要受到中性气体的气压、等离子体密度、电子温度以及磁场强度等因素的影响。  本文工作在磁化等离子体测试小腔室中开展,在腔室外两侧放置两组线圈,用以产生磁场,在腔室中心实验区的磁场强度可以从0到740G变化。腔室中放置一个金属平板并加不同的偏压,在该平板的附近会形成等离子体鞘层。实验中,通过改变线圈的电流方向可改变产生磁场的位形(磁镜场或会切场),通过将真空室旋转一个角度则可以改变磁场与平板附近鞘层的夹角。本实验分别研究了磁场方向与鞘层方向平行或垂直时鞘层的结构特点,以及不同磁场位形(磁镜场、会切场)下磁化等离子体鞘层的结构特点,并分析了不同实验条件(平板偏压、磁场强度、气压)下,磁化等离子体鞘层的变化规律。  本文的主要工作内容及创新点有:  1.搭建了磁化等离子体测试小腔室,诊断表明磁场对装置中的等离子体状态有明显的影响:磁镜场中电子密度和温度随磁感应强度的增加而降低;会切场中电子密度随线圈电流的增加而增加,电子温度则随之降低。  2.研究了磁镜场位形下平行于磁场方向和垂直于磁场方向的等离子体鞘层结构,发现在该装置的放电条件下鞘厚随磁感应强度的增大先减小后增加。  3.首次测量了会切场位形下等离子体鞘层结构,结果表明鞘厚随线圈电流的增加而逐渐减小。
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