等离子体参数测量实验数据自动采集的实现和相关实验的开发

  1. 用Keithley 236 Source Measure Unit完成探针测量中实验数据的自动采集:需要了解IEEE-488 GPIB卡的编程技术
  2. 辉光等离子体唯象结构的探针法研究

物理系05级本科生王淋生毕业论文相关内容

  • 等离子体参数测量实验数据自动采集
  • 等离子体发光光谱实验探索
  • 玻璃管的修理与调试

  第一次开真空泵几秒钟之后,玻璃管突然从中间碎裂。后来请来了原厂的工程师来修理。发现了真空泵的接法错误,进气口和出气口接反了。真空泵朝玻璃管吹气,导致内外气压差过大,于是玻璃管破裂。实际上真空泵的标示不清,容易引人误解。

  其后工程师擦拭了垫圈以及法兰盘,拧紧了玻璃管的支架,重新安装了玻璃管。

  但在调试过程中发现击穿电压的示数显示不正常,工程师认为这是由于漏电或杂波干扰导致的,不影响实验观测。

  • 关于仪器跳闸的问题

  其后,在做实验时,扭动工作选择旋钮时仪器可能会跳闸。而且这个问题有越来越严重的趋势。后来请来了乐永康老师帮忙修理。发现进气口和仪器表壳接触可能有漏电。 于是用绝缘胶皮隔开了。但是在后来的实验过程中,又有跳闸的问题。杭州大华的工程师后来又来了一次,据他说这是由于直流稳压电源中有一个电容器,突然加上市电后可能会产生一个 较大的电脉冲,超过了最大电流,于是仪器自动跳闸。因此这个问题可以不用修理,以后使用时注意就可以了。为避免跳闸出现,可以在打开高压开关之前先把工作选择旋钮打开。

  • 修水泵

使用过程中发现水泵不再工作了。杭州大华的工程师也对此进行了检查。他先用万用表测了水泵的开关是否断路,发现开关并未损坏。又观察了水泵外观,发现有蜡状物滴了下来。 因此怀疑水泵烧坏了。拆下水泵后发现果然线路发生了短路,整个水泵被烧毁,必须新换一个。至于水泵坏的原因尚不明了,因为水箱并未漏水,水泵也没有超负荷工作。暂时只能断定 是水泵质量不过关。

  • 外接钢瓶

由于空气实验容易发生电弧放电,而且活性大容易氧化电极。于是准备用氩气代替空气。请了汪仁甫老师在钢瓶和仪器间加了连接用的软管。但在后来的实验中发现由于软管不配套,管的两端 都有严重的漏气。为了解决这个问题先在仪器的进气口一端套上了一个垫圈,填补了进气口与软管之间的空隙,为了固定垫圈还在进气口上缠了一几圈透明胶。对于钢瓶出气口,不便于加垫圈, 而且软管和钢瓶配套的比较好,所以只是拧紧了螺丝;但是要注意的是这个地方的的漏气相对来说是比较严重的,近期争取能想办法改进一下。

  • 密封度的调节

为了进一步提高仪器的密封度,重新调节了仪器的接口。先是重新安装了仪器的进气口,擦拭了垫圈,并用钳子拧紧了螺母。又重新安装了气瓶的出气口,让软管和出气口贴的更紧密,拧紧了螺丝。其后简单地测量了气密性。在关闭转子流量计和气瓶出气口的情况下,抽真空可达0.1pa——已经到了电阻真空计的下限。说明仪器本身的漏气是极小的。为了看出软管接口的密封度,关上气瓶、隔膜阀也开到最大,抽取真空一段时间后,把转子流量计开到非常大(气压大约会升到200pa左右),然后继续抽真空。此时,气压下降得非常快,大约5分钟后便可以降到4.0pa以下;大约15分钟之后,真空度已经接近极限,约为2.4pa,40分钟后可达到1.5pa。据原厂工程师称,气压低于10pa就达到了设计标准,所以从此可以看出密封度已经达到了要求。但是由于此测试中没开气瓶,空气对空软管进行挤压,使软管收缩,密封度可能会比正常情况下要好一些。

  • 探针电路

为了实现自动测量与作图,可以在仪器外接入可存储数字示波器。
首先,探针回路的电路图可以由下图表示。

ps:所谓“电阻接口”是指在“电流输入”和“电压输出”间增加一条导线而多出来的一个并联接口,可用来接入电阻。
另外由于没有仪器电路图所以不知道“电压输出”的两端是否有接地。在后面得实验中可以考虑用万用表测量一下。

  • 示波器记录数据的优点

若用示波器“CH1”端测量“电压输出”、用“CH2”端测量回路的电流。然后按下示波器上的“display”按钮,然后在屏幕上选择“X—Y”。
则示波器上的的点的横轴表示探针两端电压,纵轴表示探针电流。在屏幕上选择“持续”到“无限”,然后从“-100V”到“+100V”逐渐改变“电压输出”
的大小,那么示波器会作出一条“I-V关系图”。此图保存到U盘后可以在电脑上直接分析处理,可以大大简化实验过程、方便数据处理、有效地节约时间。

  • 示波器接入探针电路的方法

首先,“CH1”端可以接到“电压输出”两端,直接测量电压输出的大小。
另外,为了让“CH1”端可以测量回路测量回路电流,方法就比较麻烦了。初步尝试了以下两种方法:

  1. “CH2”直接串联到“电阻接口”两端测电流

一般的示波器都没有测量电流的功能,但我手中的“TDS1001型数值存储示波器”的“探棒”选项(此选项可在“CH1菜单”或“CH2菜单”中找到)中有一个
电流选项;故而做这方向的尝试(由于我手中没有“TDS1001型数值存储示波器”的说明书所以不能明确地了解此选项的功能)。
按上述方法接入“CH1”端与“CH2”端,然后从示波器上读两端口呈现的波形。
“CH1”端可以得出正常的电压值,但与仪器本身的“探针电压读数有差异”(此差异可在表1(待补充)中体现)。
但对于“CH2”端,得出的电流值极为异常,即使在没有辉光放电(既电路可视为断路)并且“电压输出”为0.0V时,
仍有如下图所示的异常波形:

如图2可以看出,此时示波器测得了频率约50Hz、最大值约为2.6A的交变电流。这是正常电流表不可能
测得的,所以认为此型号示波器也不适合直接测量电流。

  1. 测电阻电压

串接电阻到“电阻接口”两端,然后“CH2”接在电阻两端。通过测量电阻两端电压间接地测得回路电流。
这种方法理论上是没问题的,但实测有几点问题:
首先,在辉光放电中测量时,不论是“CH1”接入电路还是“CH2”接入电路,都严重地影响了探针电流。例如
在40Pa、410V的条件下,原本在“输出电压”变化范围内,“探针电流”只作10μA左右的变化。但当接入“CH1”
和“CH2”后,即使在“输出电压”读数为0.0V的情况下,“探针电流”也有近100μA。为了讨论这个问题,
在不同条件下,分别测了各端口电压电流值,结果如表2(待补充):

其次,CH2接在电阻两端会测到一个直流和交流的混合信号,如下图:

这个信号用万用表也可测到,见表2(待补)。
从图3可以看到此信号的几个参数,一时还难以分析出此信号的出处。
由于这个信号的干扰,在“X-Y”表示下各点难以聚焦,导致无法作图。
而且“X-Y”表示下不能平均,“CH2”上的杂波干扰也会变得很明显。

  • 为什么回路中有大电流?

前面的实验中有发现“探针电流”中显示有近100µA的电流,而且用示波器
测量电阻两端发现有一个很大的高频交流信号和一个直流信号。为了搞清楚
这些异常电流和信号的来源,特地做了如下的讨论:
由表2可知,各个原件本身是没有问题的。只不过当它们构成回路时,就
会有这些异常值。为了搞清楚是哪些原件导致了这些问题,采用逐一排除法进行讨论:
将各个原件逐一从电路去除,观察对结果的影响。
在辉光放电并且“电压输出”为0的情况下:
如果只去掉电阻、电流表、电源(即短接它们),对异常信号都没有明显的影响。
如果任意取下“CH1”和“CH2”端之中的一个,电流会减小一点(但数量级不变)
将“CH1”和“CH2”都取下,大电流会消失。
如果没有辉光放电,不论如何接线,都不会有任何信号。
经过几次尝试后,得出了最简电路,在下图所示的线路下会有异常信号

考虑到示波器有接地线,可有如下推论:
由于探针通过示波器接地,正极板会通过等离子体放电与探针接通,于是
就有正极板的电流流入探针,即此时探针相当于负极板的作用,所以有大电流
通过。
为了验证这个推论,将“电流输入”的一端接在负极板上以接地。如下图所示:
图5
当时由图4测得的电流为-52.4µA由图5测得的电流为-58.8µA,两者的电流差异
很小,这说明这个推论是正确的。

  • 去掉异常信号

为了去掉异常信号,首先要防止示波器接地。为此去掉了示波器的接地端。
然后再接入回路做实验时发现大电流没有了,高频信号的振幅也减小了很多。
但是在“电压输出”为0的情况下,仍然有几个µA的电流。另外,高频交流信号也仍然
存在。而且再不同功率和电压以及极板距离的情况下这个高频交流信号仍然存在。

快开学了,这里怎么还没有动静啊? — 乐永康 2009/02/05 12:19
“由于空气实验容易发生电弧放电”——这句话是想表达什么意思? — 乐永康 2009/05/06 11:16
请尽快把已经测量的数据整理后更新上来,或者和我来讨论! — 乐永康 2009/05/06 11:18
有进展,很不错。 — 乐永康 2009/05/20 12:41
  • exp/plasma/data_collection.txt
  • 最后更改: 2010/05/16 11:54
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