等离子体

等离子体
一、引言
等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。

等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。

严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。

等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。

普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体．
等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述．在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场．电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等．等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态．
二、实验目的
1、观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。

2、理解直流电气击穿的机制，验证帕邢定律。

三、实验原理
直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量
低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。

其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。

这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。

经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：
从左至右，其唯象结果如下：
等离子体参数
a:等离子体密度：单位体积内（一般以立方厘米为单位）某种带电粒子的数目。

n
表示离子浓度，n e 表示电子密度。

i
b:等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描述。

一般用T i表示离子温度，T e 表示电子温度。

c:等离子体频率：表示等离子体对电中性破坏的反应快慢，是等离子体震荡这种集体效应的频率。

粒子震荡频率，电子震荡频率
d:德拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。

当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电荷
的“鞘层”。

德拜长度
等离子体参数的静电探针诊断原理
单探针双探针
大致I-V函数关系曲线见下图：
由此可知：电子温度
)
0,0(2===
V I i
e dV dI k
eI T
等离子体密度
i
e
m kT eS
I n 61.0+
=
气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定：
)
()
1
1ln(/ln[pd f Apd Cpd V b =+=
γ
上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于pd 的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen ）定律。

最小击穿电压：
将帕邢定律对pd 进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的
pd 值，
)11ln(718.2)11ln()(m in γ
γ+=+=
A A e pd )11ln(718.2)11ln(min
,γ
γ+=+=A C A C e V b
四、实验器材
直流辉光放电等离子体装置
五、实验内容
直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量
1了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象，画
出示意图，并进行分析。

2 根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的实验方案，画
出电路图。

3 取3个不同的工作气压，测量辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量
结果填入下表。

绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差
异，并分析原因。

分析工作气压对伏安曲线的影响机制。

4在电极距离一定的情况下，采用Langmuir双探针测量三组探针I-V变化数据，其中前两组为直流功率一定，不同气压，后两组为气压一定，不
同功率。

将所得数据添入表2
5 绘制出I-V曲线。

由曲线斜率根据上述公式计算出电子温度和等离子体
密度。

例如：
6 根据计算结果，分别分析功率和气压对等离子体参数的影响及影响机理。

具体步骤如下：
a 插上电源线，将总电源开关打开。

b 关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。

c 调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压，开高压，并将工作选择打到辉光放电测量。

d 调节高压大小，同时调节电流量程，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果，每隔20V记录一组数据，共20组。

e 将电压、电流测量结果填入表1，并绘制电压-电流曲线。

f 将工作选择打到探针测量，开高压，并调节至所需功率。

g 开探针电压，缓慢调节电压和电流量程，依次记录I-V关系数据。

h将探针电压调小，并关闭探针电压，将探针反过来与电流表和电压表串联重复上述过程依次记录I-V关系数据，将数据记入表2。

i在其它直流功率和气压下重复上述过程。

气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
1 在保持pd乘积不变的条件下，取不同的p、d值共5组，测量对应的气体击穿电压。

将测量结果填入表1。

2 改变pd的值，让其单调变化，取不同pd值共9组，测量对应的击穿电压。

将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。

3 根据测量结果，分析击穿电压与pd乘积的关系，以及击穿电压与p、d值的关系。

具体步骤如下：
a 按照实验内容的要求，讨论和制定最优的实验测量方案。

b拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。

c插上电源线，将总电源开关打开。

d关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。

e调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压P，开高压，并将工作选择打到击穿电压测量。

f缓慢调节高压大小，当击穿电压显示突然增大并显示为0.5V时，记下此时的高压值即为击穿电压值V。

调节工作气压，记下相应的击穿电压值。

g 改变极板距离，重复上述过程并记录其它极板距离时的击穿电压值。

h将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。

六、数据处理
P*d=6000Pa*m
d/mm 120 100 86 75 67
P/Pa 50 60 70 80 90
V/v 891 883 887 889 895
d/mm 67 67 67 67 67 67 67 67 67 P/Pa 20 30 40 45 50 55 60 65 70 P*d/Pa*
1.34
2.01 2.68
3.02 3.35 3.69
4.02 4.36 4.69
m
V/v 588 671 744 715 807 779 842 814 904
七、讨论
当pd乘积不变时，气体的击穿电压的
变化也不明显。

说明击穿电压与pd乘积由一定关系。

当pd单调变化时，气体的击穿电压也会发生变化。

但并不是单调的。

这说明击穿电压与pd乘积存在着一个函数关系。

但是不是线性的关系。

八、思考题
1、暗放电区电流的测量应注意什么问题？
通常暗放电电流在10-12～10-7,所以采用的是通过电压求电流。

取样电阻是1M Ω。

2、阴极与阳极显著的热效应差别的原因？
阴极处聚集了阳电子，电子集中于阳极，由于电子的动能大，其温度亦高，反之，正离子动能比电子低，故，阴极附近处温度比阳极低。

3 、工作气压对辉光放电中的电压-电流曲线有何影响？其影响机制是什么？
随着气压的增大，电流和电压也会增大，故功率增大。

影响机制：对不同气压下，电压电流及离子体参数进行比较。

参考文献
《平近代物理实验》。