實驗名稱：氣體放電等離子體特性實驗(一)

1、實驗名稱：氣體放電等離子體特性實驗(一)實驗原理: 等離子體是物質存在的第四種形態(tài)，與物質三態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)相提并論。等離子體由帶正負電荷的粒子和中性原子組成，并在宏觀上保持電中性。氣體輝光放電現(xiàn)象分析：當放電管內(nèi)的氣壓降低到幾十個毫米汞柱以下，兩極加以適當?shù)碾妷簳r，管內(nèi)氣體開始輝光放電，輝光由細到寬，布滿整個管子。當壓力再降低時，輝光便分為明暗相間的八個區(qū)域，而大多數(shù)的區(qū)域集中在陰集附近。八個極分別是：I阿斯頓暗區(qū)，II陰極光層，III陰極暗區(qū)，IV負輝區(qū)，V法拉第暗區(qū)，VI正輝區(qū)，VII陽極暗區(qū)和VIII陽極輝光。I阿斯頓暗區(qū)(Aston dark space):這是緊靠陰極的一個極薄的

2、區(qū)域。電子剛從陰極發(fā)出，能量很小，不能使氣體分子電離和激發(fā)，因此就不能發(fā)光，所以是暗區(qū)。長度約有1毫米。II陰極光層(Cathode layer):在阿斯頓暗區(qū)之后，很微薄的發(fā)光層。因為電子經(jīng)過區(qū)域I被加速，具有了較大的能量，當這些電子遇到氣體分子時，發(fā)生碰撞，電子的一部分能量使氣體分子的價電子激發(fā)，當它們跳回到基態(tài)時，便輻射發(fā)光。III陰極暗區(qū)(Cathode dark space):緊靠陰極光層，兩者不易區(qū)分。由于電子經(jīng)過區(qū)域II時，絕大部分沒有和氣體分子碰撞，因此它所具有的能量是比較大的，但電子激發(fā)氣體分子的能量又必須是在一定的范圍內(nèi)，能量超過這一范圍那么激發(fā)的兒率是很小的。因此形成了一

3、個暗區(qū)。在這一區(qū)域中，形成了極強的正空間電荷，結果絕大部分的管壓都集中在這一區(qū)域和陰極之間。于是正離子以很大的速度打向陰極，因此從陰極又脫出電子，而這些電子又從陰極向陽極方向運動，再產(chǎn)生如上所述的激發(fā)和電離的過程。實驗已經(jīng)確定，陰極暗區(qū)的長度d與氣體壓強P的乘積是一個常數(shù)。即：Pd=常數(shù)因此當氣體壓強降低時，陰極暗區(qū)的長度增加。IV負輝區(qū)(Negative glow):它是陰極暗區(qū)后面一個最亮堂的區(qū)域，并與陰極暗區(qū)有明顯的分界。這一區(qū)域，形成了較強的負空間電荷，也就形成了負電場。由于這些電子速度小，很容易附著在氣體分子上，形成負離子，并與從陰極暗區(qū)擴散出來的正離子復合而發(fā)光。負輝區(qū)中分開陰極越

4、遠，光的強度也越來越弱，最后消失。V法拉第暗區(qū)(Faraday dark space):它由負輝區(qū)過渡而來，比上述各區(qū)厚。它的形成是由于電子在負輝區(qū)中已損失了大部分能量，進入這一區(qū)域內(nèi)已經(jīng)沒有足夠的動能來使氣體分子激發(fā)，所以形成暗區(qū)。法拉第暗區(qū)與負輝區(qū)界限不明顯，與陽輝區(qū)之間有明顯的界限。以上I至N區(qū)是陰極位降區(qū)，I至V區(qū)稱為陰極部分。 VU陽極暗區(qū)(Anode dark space：VM陽極輝光(Anode glow：正輝區(qū)VI與陽極之間是陽極區(qū)(Anode region).有時在其中可以看見陽極暗區(qū)Vd(Anode dark space，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽極上陽極輝光VIfl (An

5、ode glow).陽極暗區(qū)與陽極輝光兩區(qū)其存在與否取決于外線路電流的大小、陽極面積和形狀等。二用試探電極法研究等離子區(qū)：所謂試探電極就是在放電管里引入的一個金屬導體，導體的形狀有圓柱的、平面的、球形的等等。試探電極是研究等離子區(qū)的有力工具，利用探極的伏特-安培曲線，可以決定等離子區(qū)各種參量。測量線路如圖1所示。在測量時保持管子的溫度和管內(nèi)氣體壓強不變。圖1圖2實驗所測得的探極電壓和電流畫成曲線，如圖2所示。對這一特性曲線作如下的解釋：AB段表示加在探極上的電壓比探極所在那一點的空間電位負得多以陽極為參考點的探極電位，在探極周圍形成了正的空間電荷套層。套層的厚度一般小于等離子區(qū)中電子的自由路程

6、。這時探極因受正離子的包圍，它的電力線都有作用在正離子上，而不能跑出層外，因此它的電場僅限于層內(nèi)。根據(jù)氣體分子運動理論，在單位時間內(nèi)有個正離子靠熱運動到達探極上，形成的負電流 ，式中vi是正離子的平均速度，ni為正離子濃度，S為探極面積，e為電子電荷，從式中看出，Ii不隨時探極電壓而變化，因此AB段為近似平行于橫軸的直線。隨著探極上負電壓的減少，正離子套層變薄，當負電壓減至B點時，熱運動速度大的電子將有足夠的能量穿過正離套層，而到達探極上，因此電流增加較快。當電壓減至vi(C點時，那么電子電流和離子電流相等，即電流等于零。探極電壓再減低時，那么慢的電子也能穿過正離子套層而到達探極上，故電流向相

7、反方向增加很快(CDE段)。當V=vs時，即探極電壓與探極所在那一點的空間電位相等時，正離子套層消失，全部電子都可以到達探極時。由此可知，電流為零測量的vf不是探極對應的管內(nèi)那一點的空間電位，而vs才是那一點的真實電位。EF段是由于探極電壓高于那一點的空間電位，在探極周圍形成了套層，于是就給電子以加速度。探極電壓的增加，吸引的電子增多，電流和電壓的止分之一次方成比例。因此EF段也是比較平坦的。當探極電壓比空間電位高得多的時候，周圍的氣體分子被電離，故電流迅速增加，而且因為電子能量很大，會把探極轟擊熔化。我們對BE段最感興趣，因此下面將詳細地加以討論。正離子和電子是靠熱運動而到達探極上的。在曲線

8、BD段內(nèi)，探極電壓比空間電位低，因此它的電場是阻止電子運動的，靠近探極的電位是連續(xù)變化的，電子處在有勢場中，根據(jù)波耳茲曼理論，電子的速度服從麥克斯韋速度分布律的。因此靠近探極外表的電子濃度。其中no為等離子區(qū)中未經(jīng)干擾的電子濃度，V是探極電壓與該點的空間電位的差，即Vo =V一Vs，Te是等離子區(qū)中電子的等效溫度，K是波耳茲曼常數(shù)。由氣體分子運動論可知，當電子的濃度為n。，平均速度為Ve時，單位時間內(nèi)落到探極上的電子數(shù)，S為探極面積。所以電流強度兩邊取對數(shù)得：設等式右邊第一項和第二項為常數(shù)，由此式變成：由實驗得出InIe-V特性曲線,其中BD表示電流的對數(shù)與電壓珠關系是直線的，因此就證明了等離

9、子區(qū)中的電子速度是服從麥克斯韋速度分布律的。由這直線的斜率tan即可求出等離子區(qū)電子的等效溫度Te。在一般的計算中，經(jīng)常使用常用對數(shù)( Ina=2.30xloga，并考慮電壓的單位，由實用單位伏特換算成靜電單位(1靜電單位電壓=300伏特，1安培=3x109靜電單位電流，1微安=3x1護靜電單位電流 再將e和K代入上式，得普通物理講過，服從麥克斯韋分布律的電子的平均速度，me是電子的質量。電子平均動能由圖直線段BD在電流軸上的截距，可得出Iev，而求出電子濃度。I eo為靜電單位。下面求出正離子平均速度vi。因為等離子區(qū)中電子的濃度和止離子的濃度相等，所以由圖2的AB段可以得到可求出探極所在那

10、一點的空間電位和等離子區(qū)軸向電場強度：實驗內(nèi)容 :氣體放電實驗裝置包含：帶探極的玻璃放電管，放電管高壓電源及調(diào)節(jié)裝置，探極電源及調(diào)節(jié)裝置，放電管真空系統(tǒng)抽氣機，漏氣閥，真空測量裝置等。實驗過程如下：1，檢查實驗系統(tǒng)，上下壓電源調(diào)節(jié)于初始位置，關閉漏氣閥。2，對放電管抽氣并通過調(diào)節(jié)漏氣閥維持10帕上下真空度。3，漸漸調(diào)節(jié)高壓，直至放電管放電。4，觀察和記錄氣體放電現(xiàn)象，理解放電分區(qū)與外界條件的關系。5，在等離子區(qū)用探極法測定伏安特性。放電管_1二作狀態(tài)：V1000伏，I10毫安。探極測試電壓從一300伏到+100伏，記錄探極測試電壓和電流。注意在100伏以 下，電流增加快，測量點不要多，以免燒壞

11、電極。6，在半對數(shù)坐標紙上作伏安特性，初步檢驗測量結果，測量誤差大的要重測。7，關閉電源，在等離子區(qū)挪動探極，重新測量一組數(shù)據(jù)，理解等離子區(qū)縱向電場分布。8，計算電子等效溫度及電子濃度。己知探極直徑0o 8毫米，長度10毫米。實驗數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理：真空度： 45 帕；探針直徑： 0.8 毫米；探針長度： 10 毫米；放電管電壓： 860 伏特；放電電流： 10 毫安；伏安特性測量數(shù)據(jù)表：電壓伏特，電流微安。靜電單位電流 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 270000 300000 330000 360000電壓1 157.0 151.1 147.8 144.8 143.3 141.3 140.6 139.3 138.3 137.3 136.7 電壓平均 156.5 150.6 147.2 144.4 143.0 141.2 140.4 139.3 138.1 137.3 136.7 LogI 1.301 1.477 1.602 1.699