實(shí)驗名稱(chēng)：氣體放電等離子體特性實(shí)驗(一)

實(shí)驗原理: 等離子體是物質(zhì)存在的第四種形態(tài)，與物質(zhì)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(guān)上保持電中性。
氣體輝光放電現象分析：
 當放電管內的氣壓降低到幾十個(gè)毫米汞柱以下，兩極加以適當的電壓時(shí)，管內氣體開(kāi)始輝光放電，輝光由細到寬，布滿(mǎn)整個(gè)管子。當壓力再降低時(shí)，輝光便分為明暗相間的八個(gè)區域，而大多數的區域集中在陰集附近。八個(gè)極分別是：I阿斯頓暗區，II陰極光層，III陰極暗區，IV負輝區，V法拉第暗區，VI正輝區，VII陽(yáng)極暗區和VIII陽(yáng)極輝光。
 I阿斯頓暗區(Aston dark space):這是緊靠陰極的一個(gè)極薄的區域。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)，因而就不能發(fā)光，所以是暗區。長(cháng)度約有1毫米。
 II陰極光層(Cathode layer):在阿斯頓暗區之后，很微薄的發(fā)光層。因為電子經(jīng)過(guò)區域I被加速，具有了較大的能量，當這些電子遇到氣體分子時(shí)，發(fā)生碰撞，電子的一部分能量使氣體分子的價(jià)電子激發(fā)，當它們跳回到基態(tài)時(shí)，便輻射發(fā)光。
 III陰極暗區(Cathode dark space):緊靠陰極光層，兩者不易區分。由于電子經(jīng)過(guò)區域II時(shí)，絕大部分沒(méi)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，能量超過(guò)這一范圍則激發(fā)的兒率是很小的。因此形成了一個(gè)暗區。在這一區域中，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域和陰極之間。于是正離子以很大的速度打向陰極，因而從陰極又脫出電子，而這些電子又從陰極向陽(yáng)極方向運動(dòng)，再產(chǎn)生如上所述的激發(fā)和電離的過(guò)程。實(shí)驗已經(jīng)確定，陰極暗區的長(cháng)度d與氣體壓強P的乘積是一個(gè)常數。即：
 Pd=常數
 因此當氣體壓強降低時(shí)，陰極暗區的長(cháng)度增加。
 IV負輝區(Negative glow):它是陰極暗區后面一個(gè)最明亮的區域，并與陰極暗區有明顯的分界。這一區域，形成了較強的負空間電荷，也就形成了負電場(chǎng)。由于這些電子速度小，很容易附著(zhù)在氣體分子上，形成負離子，并與從陰極暗區擴散出來(lái)的正離子復合而發(fā)光。負輝區中離開(kāi)陰極越遠，光的強度也越來(lái)越弱，最后消失。
 V法拉第暗區(Faraday dark space):它由負輝區過(guò)渡而來(lái)，比上述各區厚。它的形成是由于電子在負輝區中已損失了大部分能量，進(jìn)入這一區域內已經(jīng)沒(méi)有足夠的動(dòng)能來(lái)使氣體分子激發(fā)，所以形成暗區。法拉第暗區與負輝區界限不明顯，與陽(yáng)輝區之間有明顯的界限。
 以上I至N區是陰極位降區，I至V區稱(chēng)為陰極部分。
 VI正輝區(Positive column):在法拉第暗區之后出現一均勻光柱，亦稱(chēng)正柱區。因為電子在電場(chǎng)的作用下，通過(guò)法拉第暗區時(shí)，能量漸漸增加，但又不斷發(fā)生彈性碰撞，使電子運動(dòng)方向改變，進(jìn)入正輝區后，其速度將逐漸地接受麥克斯韋分布律。正輝區又叫等離子區，最主要的特點(diǎn)：(1)氣體的高度電離 (2)在等離子區內，帶正電和帶負電的粒子的濃度幾乎相等，因而形成的空間電荷，實(shí)際上等于零。等離子區任意點(diǎn)的軸向電位梯度是恒定的，因此往往是均勻連續的光柱。
 VU陽(yáng)極暗區(Anode dark space）：
 VM陽(yáng)極輝光(Anode glow）：
 正輝區VI與陽(yáng)極之間是陽(yáng)極區(Anode region).有時(shí)在其中可以看見(jiàn)陽(yáng)極暗區Vd(Anode dark space），在陽(yáng)極暗區之后是緊貼在陽(yáng)極上陽(yáng)極輝光VIfl (Anode glow).陽(yáng)極暗區與陽(yáng)極輝光兩區其存在與否取決于外線(xiàn)路電流的大小、陽(yáng)極面積和形狀等。
 （二）用試探電極法研究等離子區：
 所謂試探電極就是在放電管里引入的一個(gè)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的有力工具，利用探極的伏特-安培曲線(xiàn)，可以決定等離子區各種參量。測量線(xiàn)路如圖1所示。在測量時(shí)保持管子的溫度和管內氣體壓強不變。
 圖1圖2
 實(shí)驗所測得的探極電壓和電流畫(huà)成曲線(xiàn)，如圖2所示。對這一特性曲線(xiàn)作如下的解釋?zhuān)?br />  AB段表示加在探極上的電壓比探極所在那一點(diǎn)的空間電位負得多（以陽(yáng)極為參考點(diǎn)的探極電位），在探極周?chē)�形成了正的空間電荷套層。套層的厚度一般小于等離子區中電子的自由路程。這時(shí)探極因受正離子的包圍，它的電力線(xiàn)都有作用在正離子上，而不能跑出層外，因此它的電場(chǎng)僅限于層內。根據氣體分子運動(dòng)理論，在單位時(shí)間內有個(gè)正離子靠熱運動(dòng)達到探極上，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(shí)探極電壓而變化，因此AB段為近似平行于橫軸的直線(xiàn)。隨著(zhù)探極上負電壓的減少，正離子套層變薄，當負電壓減至B點(diǎn)時(shí)，熱運動(dòng)速度大的電子將有足夠的能量穿過(guò)正離套層，而到達探極上，因而電流增加較快。當電壓減至vi(C點(diǎn)）時(shí)，則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(shí)，則慢的電子也能穿過(guò)正離子套層而到達探極上，故電流向相反方向增加很快(CDE段)。當V=vs時(shí)，即探極電壓與探極所在那一點(diǎn)的空間電位相等時(shí)，正離子套層消失，全部電子都可以達到探極時(shí)。由此可知，電流為零測量的vf不是探極對應的管內那一點(diǎn)的空間電位，而vs才是那一點(diǎn)的真實(shí)電位。
 EF段是由于探極電壓高于那一點(diǎn)的空間電位，在探極周?chē)�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(shí)候，周?chē)�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(huì )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(dòng)而到達探極上的。在曲線(xiàn)BD段內，探極電壓比空間電位低，因此它的電場(chǎng)是阻止電子運動(dòng)的，靠近探極的電位是連續變化的，電子處在有勢場(chǎng)中，根據波耳茲曼理論，電子的速度服從麥克斯韋速度分布律的。因此靠近探極表面的電子濃度
 。其中no為等離子區中未經(jīng)干擾的電子濃度，V是探極電壓與該點(diǎn)的空間電位的差，即Vo =V一Vs，Te是等離子區中電子的等效溫度，K是波耳茲曼常數。由氣體分子運動(dòng)論可知，當電子的濃度為n。，平均速度為Ve時(shí)，單位時(shí)間內落到探極上的電子數，S為探極面積。所以電流強度
 
 兩邊取對數得：
 
 設等式右邊第一項和第二項為常數，由此式變成：
 由實(shí)驗得出InIe-V特性曲線(xiàn),其中BD表示電流的對數與電壓珠關(guān)系是直線(xiàn)的，因此就證明了等離子區中的電子速度是服從麥克斯韋速度分布律的。由這直線(xiàn)的斜率tanθ即可求出等離子區電子的等效溫度Te。
 
 在一般的計算中，經(jīng)常使用常用對數( Ina=2.30xloga），并考慮電壓的單位，由實(shí)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(guò)，服從麥克斯韋分布律的電子的平均速度，me是電子的質(zhì)量。
 電子平均動(dòng)能
由圖直線(xiàn)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

可求出探極所在那一點(diǎn)的空間電位和等離子區軸向電場(chǎng)強度：
 如果延長(cháng)BD和FE,則交點(diǎn)K所對應的Vs便是探極那一點(diǎn)的空間電位。測出探極在不同點(diǎn)的空間電位Vs1 , Vs2...... ,并除以?xún)牲c(diǎn)間的距離，就得出等離子區的軸向電場(chǎng)強度：
 
 
實(shí)驗內容 :
 氣體放電實(shí)驗裝置包含：帶探極的玻璃放電管，放電管高壓電源及調節裝置，探極電源及調節裝置，放電管真空系統（抽氣機，漏氣閥，真空測量裝置）等。實(shí)驗過(guò)程如下：
 1，檢查實(shí)驗系統，高低壓電源調節于初始位置，關(guān)閉漏氣閥。
 2，對放電管抽氣并通過(guò)調節漏氣閥維持10帕上下真空度。
 3，慢慢調節高壓，直至放電管放電。
 4，觀(guān)察和記錄氣體放電現象，了解放電分區與外界條件的關(guān)系。
 5，在等離子區用探極法測定伏安特性。放電管__1二作狀態(tài)：V＜1000伏，I＜10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(diǎn)不要多，以免燒壞電極。
 6，在半對數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(guān)閉電源，在等離子區移動(dòng)探極，重新測量一組數據，了解等離子區縱向電場(chǎng)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(cháng)度10毫米。
實(shí)驗數據表格及數據處理：
 真空度：           45     帕；
 探針直徑：        0.8  毫米；探針長(cháng)度：       10    毫米；
 放電管電壓：   860  伏特；放電電流：       10   毫安；
 伏安特性測量數據表：電壓（伏特），電流（微安）。
電流 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 
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2 155.9 150.0 146.5 144.0 142.7 141.0 140.2 139.2 137.9 137.2 136.6 
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 
靜電單位電壓 0.5217 0.5020 0.4907 0.4813 0.4767 0.4707 0.4680 0.4643 0.4603 0.4577 0.4557 
LogI 1.301 1.477 1.602 1.699 1.778 1.845 1.903 1.954 2.000 2.041 2.079 
lnI 11.002 11.408 11.695 11.918 12.101 12.255 12.388 12.506 12.612 12.707 12.794 

可作圖如下：

將上圖斜率代入公式：
                   
可得，電子等效溫度為：
     Te=4.8*10-10/（27.642*1.38*10-16）＝1.26*105K。
 
 又因為探針直徑為0.8毫米，探針長(cháng)度為10毫米，所以有
 S=пR2+2пRL=25.62mm2.
 所以由
 
 公式可得：
 ve=6.972*109, 又由圖可得Ieo ＝25.317，所以有：
 
 
 ＝1.18*106

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