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等离子体辉光放电

【实验目的】

1.观察低压气体辉光放电现象。

2.用探针法测量等离子体中电子等效温度、电子浓度、正负离子的平均速度、平均动能。

3.验证等离子体区电子浓度服从麦克斯韦速度分布律。

【教学重点】

1.观察气体辉光放电的现象；

2.等离子体辉光放电的原理；

3.探针法测量等离子体物理参数的方法；

【教学难点】

离子体物理参数的计算步骤

【时间安排】3学时

【教学内容】

一、检查学生预习情况

检查预习报告。

二、学生熟悉实验仪器设备

机械泵、真空放电管、高压电压等。

三、讲述实验目的和要求

1. 检查真空系统是否存在漏点；放电管内真空用机械泵抽至50Pa左右，并保持稳定；缓慢旋转高压电源旋钮，增加高压到1000V左右，应看到放电管被点亮；辨认各个放电区域.

2. 调节高压和气压，使放电管内等离子区稳定，并且颜色均匀（无层状）；缓慢降低探极电压，

并且记录探极电压和探极电流；做lg

e

I V

−

特性曲线，进行数据处理，得到电子等效温度、电子平

均速度、电子平均动能、电子浓度和正离子的浓度.

四、实验原理

一、辉光放电现象

当放电管内的气压降低到几十帕时，两极加以适当的电压，管内气体开始放电，辉光由细到宽，布满整个管子。当压力再降低时，辉光便分为明暗相间的八个区域.

二、用试探电极法研究等离子区

所谓试探电极就是在放电管里引入一个不太大的金属导体，导体的形状有圆柱形、平面形、球形等。我们实验用的是圆柱形。

试探电极是研究等离子区的有力工具，利用探极的伏特——安培曲线，可以决定等离子区的各种参量。测量线路如图2所示。在测量时尽量保持管子的温度和管内气体的压强不变。

实验测得的探极电压和电流曲线如上图3。对这一曲线作如下的解释：AB 段表示加在探极上的电压比探极所在那一点的空间电位负得多，在探极周围形成了正的空间电荷套层，套层的厚度一般小于等离子区中电子的自由路程。这时探极因受正离子的包围，它的电力线都作用在正离子上，不能跑出层外，因此它的电场仅限于层内。根据气体分子运动理论，在单位时间内有eS n v i i 4

1

个正

离子靠热运动达到探极上，形成的负电流

eS n v I i i i 4

1

=

我们对图中BE 段最感兴趣，因此下面将详细地加以讨论。正离子和电子是靠热运动而到达探极上的。在曲线BD 段内，探极电压比空间电位低，因此它的电场是阻止电子运动的，靠近探极的

1阿斯顿暗区

2阴极辉区

3阴极暗区

4负辉区

5法拉第暗区

6

阳辉区 (等离子区)

7阳极暗区 8阳级辉区

图2

图3 e

200 B 100 Vs 1

电位是连续变化的，电子处在有势场中，根据波耳兹曼理论，电子的速度服从麦克斯韦速度分布律的。因此靠近探极表面的电子浓度：

e

kT

eV e e

e

n n

00=

ne0为等离子区中未经干扰的电子浓度；V0是探极电压V 与该点的空间电位Vs 的差，即V0=V-Vs ；Te 是等离子区中电子的等效温度；k 为波耳兹曼常数。

由气体分子运动理论可知，当电子的浓度为ne ，平均速度为e v 时，单位时间内落到探极上的电子数：

S v N e e e 1

=

S 为探极面积，所以电流强度：

e

s e kT V V e e e kT eV e e e e e e e

eSn v e eSn v eS n v e N I )

(004

1

41410

−====

对上式两边取对数：

e e s e e e kT eV kT eV eS n v I +

−=)41ln 0

设等式右边第一项和第二项为常数，由此式变为：

常数+=

kT e

I e

e ln

由实验得到lnIe-V 特性曲线。其中BD 表示电流的对数与电压的关系是直线的，因此就证明了等离子区中的电子的速度是服从麦克斯韦速度分布律的。由这直线的斜率tan Ψ即可求出等离子区中电子的等效温度Te 。

I e

∆==

ln e tan e ψ

e=4.8×10-10（静电单位），k=1.38×10-16，电子质量me=9.11×10-28克

在一般的计算中，经常使用对数（ln a=2.3log a ），并考虑电压单位，由实用单位（伏特）换算成静电单位（1静电单位电压＝300伏特），再将e ，k 代入上式得

V I T e e ∆∆=

lg 5040

服从麦克斯韦速度分布律的电子的平均速度

e

e e m kT v π8=

电子的平均动能

πe e e kT v W 41==

由图5直线BD 在电流轴上的截距，可得出Ie0，而求出电子浓度。

e

e

e e e e e m kT eS

I n eS v I π844

1

00=⇒=

下面求正离子平均速度i

v 。因为等离子区中电子的浓度neo 和正离子的浓度nio 相等，所以由

图3中的AB 段可以得到

0000441e i i i i i eSn I v eS v I =⇒=

五、实验装置及测试方法

实验装置

等离子体特性测量仪（湘潭大学技术所） 实验步骤

1．检查实验系统，高低压电源调节于初始位置，关闭漏气阀. 2．“镀膜-测量”转换开关掷于“测量”档

3．对放电管抽气并通过调节漏气阀维持在50Pa 左右. 4．将测量夹子插在放电管右边两探针上.

5．打开“高压”开关，调节“高压调节”旋钮.当高压调节至1000V 左右时放电管将被点亮，点燃后高压会自动下降.

6．辨认辉光放电的分区，并确认等离子体区的位置.

7．缓慢调节“微调阀”使放电管内等离子区稳定，此时应观察放电电压表和放电电流表，若放电电压和放电电流不稳定，则说明管内不干净或气体压强太高.一般可通过调节“微调阀”来解决，若不能解决应清洗放电管电极.

8．调节好后的放电管内辉光放电稳定，等离子体区占全管长度的1/2以上，放电电压表电压800V 以下，放电电流表电流控制在1-6mA （因探针电流表满量程为20mA ，所以放电电流太大时，将使曲线描绘转折点丢失）并稳定10分钟以上，使等离子区稳定.

9．调节“探针电压”调节旋钮至满刻度（该电压的调节是从高往低调整）打开探针电源开关. 10．填写实验记录表

11. 计算电子等效温度及电子浓度。已知探极直径0.8毫米，长度10毫米。

12. 关闭电源，在等离子区移动探极，重新测量一组数据，了解等离子区纵向电场分布。 13记录完毕先关闭探针电源，后关闭高压电源，将调压旋钮回零，然后可关闭机械泵、总电源。

六、指导学生完成实验