《等离子体物理实验》课件.ppt
等离子体物理实验深入了解物质第四态的奥秘探索等离子体物理实验的基本原理与应用
课程介绍课程目标掌握等离子体基本特性课程内容概述十个核心实验考核方式实验报告与项目展示
什么是等离子体？定义带电粒子组成的气体物质的第四态固态、液态、气态之后的状态自然界存在太阳、闪电、极光中普遍存在
等离子体的基本特性准中性整体电中性，局部可带电集体行为粒子间相互作用，表现集体特性电磁场响应对外加电磁场敏感
等离子体的分类按温度分类高温、低温等离子体按密度分类高密度、低密度等离子体按磁化程度分类强磁化、弱磁化等离子体
等离子体的应用领域核聚变可控核聚变能源开发材料处理半导体制造与表面改性推进技术航天器推进系统等离子显示大屏幕显示技术
实验安全注意事项高压安全确保设备接地，避免带电操作辐射防护佩戴防护镜，避免直视强光个人防护装备实验服、手套和防护面罩
实验室设备介绍真空系统真空泵、压力计、气体供应维持实验所需低压环境电源系统直流电源、射频电源提供放电和加热能量诊断设备探针、光谱仪、示波器测量等离子体参数
实验一：气体放电实验目的观察不同气体放电现象原理介绍气体电离产生等离子体观测重点正负辉光区、暗区分布
实验一：气体放电（续）抽真空抽至10^-2Pa基压通入工作气体调节至所需工作压力施加电压调节电压，观察击穿电压记录数据测量不同条件下放电特性
实验一：气体放电（续）伏安特性曲线绘制电压-电流关系图观察放电区域标记并测量各区域长度计算电子温度基于汤森德系数估算注意事项避免过高电压造成设备损坏
实验二：朗缪尔探针实验目的测量等离子体基本参数电子温度等离子体密度等离子体电位探针工作原理基于荷电粒子收集理论探针电位对荷电粒子收集的影响电流-电压特性曲线鞘层形成机制
实验二：朗缪尔探针（续）
实验二：朗缪尔探针（续）半对数处理电子温度计算拐点分析等离子体电位确定离子饱和区粒子密度计算结果分析参数空间分布特性研究
实验三：电子回旋共振实验目的观察ECR等离子体产生与加热ECR原理电子在磁场中回旋运动共振条件微波频率与回旋频率匹配应用前景材料加工和聚变加热
实验三：电子回旋共振（续）磁场调节设置合适的磁场强度微波输入2.45GHz微波功率控制气压控制维持最佳工作气压等离子体观测通过窗口观察放电现象
实验三：电子回旋共振（续）磁场强度(高斯)875900925等离子体密度(cm^-3)5×10^108×10^107×10^10电子温度(eV)3.55.24.8放电稳定性一般优良
实验四：等离子体发射光谱实验目的分析等离子体中元素组成光谱分析原理激发态电子跃迁产生特征光谱温度诊断通过相对谱线强度计算温度成分分析依据特征谱线判断元素组成
实验四：等离子体发射光谱（续）光学系统调整确保等离子体光进入光谱仪波长校准使用标准光源校准光谱仪等离子体产生在不同条件下产生等离子体光谱采集记录不同条件下的发射光谱
实验四：等离子体发射光谱（续）
实验五：等离子体刻蚀实验目的掌握等离子体刻蚀工艺理解反应性离子刻蚀观察刻蚀效果刻蚀机理物理与化学刻蚀结合离子溅射作用自由基化学反应协同效应提高刻蚀速率
实验五：等离子体刻蚀（续）射频刻蚀设备13.56MHz射频电源和匹配网络刻蚀气体CF4、O2、Ar气体混合样品准备光刻胶图形化硅片
实验五：等离子体刻蚀（续）
实验六：磁化等离子体实验目的观察磁场对等离子体的影响2磁化等离子体特性带电粒子沿磁力线螺旋运动约束效应减小粒子向壁面的扩散损失
实验六：磁化等离子体（续）1设置螺线管调整线圈电流生成均匀磁场产生等离子体射频或直流放电产生等离子体调节磁场强度观察不同磁场下等离子体变化探针测量沿径向测量密度和温度分布
实验六：磁化等离子体（续）0.5T磁场强度最佳约束效果磁场30%密度提升相比非磁化情况4.5eV电子温度磁化条件下中心区域
实验七：等离子体波动实验目的观察等离子体中的波动现象波动理论简介朗缪尔波和离子声波色散关系波频率与波矢的关系波动阻尼朗道阻尼和碰撞阻尼
实验七：等离子体波动（续）波动激发通过栅极施加扰动电压探针定位移动探针测量不同位置信号波形采集示波器记录波动信号频率扫描测量不同频率下的响应
实验七：等离子体波动（续）波数(cm^-1)频率(MHz)
实验八：双等离子体装置实验目的研究两个等离子体区域的相互作用观察等离子体界面现象研究等离子体不稳定性双等离子体原理通过栅极分隔两个等离子体区域可控制两侧参数差异研究等离子体动力学过程模拟空间等离子体现象
实验八：双等离子体装置（续）抽真空准备基础真空度达到10^-4Pa分别点火调节两侧放电参数参数调节设置不同的电位和密度差诊断测量探针扫描界面区域参数分布
实验八：双等离子体装置（续）电势分布界面处形成双电层结构密度分布界面处密度陡变不稳定性观察到离子声波不稳定性
实验九：等离子体推进实