等离子体物理实验 报告人：孙阳庭 田博元 指导老师：乐永康

背景知识 实验内容 参考文献

背景知识 等离子体（plasma）——第四态 由电子、离子和中性粒子组成的，宏观上呈现准中性，且具有集体效应的混合气体 准中性 集体效应 非束缚性 准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等，系统在宏观上呈现电中性，但在小尺度上则呈现出电磁性。

实验内容 放电现象观察 伏安曲线测量 击穿电压研究 电子温度测量 发射光谱研究

现象观察

现象观察

I-V特性曲线 结论： 电流随电压的升高而增大；气压越高，增大的速率越大

击穿电压研究 帕邢（Paschen）定律： 保持pd乘积不变 pd 3000Pa·mm d（mm） 150 125 100 75 50 P（Pa） 20 24 30 40 60 U（V） 441 453 447 454 452

使pd单调变化 结论： 击穿电压仅与pd有关，且随着pd值的增大，先减后增

双探针法测电子温度原理 由波尔兹曼分布可知 由以上两式可得 通过一系列的微积分运算最终得

保持功率不变，改变压强测电子温度

保持功率不变，改变压强测电子温度

保持压强不变，改变功率测电子温度 等离子体中电子的温度在1~10eV这个数量级上

推测电子温度的变化规律 压强不变，功率上升 电子温度下降 功率不变，压强增加 电子温度升高

从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱。 等离子体光谱的定义 从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱。 它携带了大量有关等离子体复杂的原子过程的信息。利用光谱学的原理和实验技术，并借助于等离子体的理论模型，测量分析等离子体光谱，对于等离子体的研究有重要意义。

等离子体光谱实验仪器 准直透镜

Ar等离子体光谱 按实验要求连接光路，使等离子体电离，首先测量本底强度，然后去掉本底，在不同的区域测量光谱。在V=600V，I=16.6mA，P=32Pa的正光柱区域测得光谱如下所示。

标准光谱参考网址 http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html NIST：美国国家标准技术研究院（NIST）（National Institute of Standards and Technology） NIST的任务是为提高劳动生产率、促进贸易和改善生活质量、提高计量、标准和技术。NIST证明是指产品已经根据NIST SRM（Standard Reference Materials）测试，并符合相关测试要求。

实验谱线与标准谱线的比较 实测谱线（nm） 标准谱线（nm） 误差（nm） 696.7 696.5 0.2 707.1 706.7 0.4 739.5 738.4 0.9 752.5 751.5 1.0 766.0 763.5 1.5 775.2 772.4 2.8 798.8 794.8 4.0 805.3 801.5 3.8 815.8 811.5 3.7 832.8 826.5 6.3 848.3 842.5 5.8 859.7 852.1 7.6 925.1 922.4 2.7 从707.1谱线到765.96谱线误差都在2nm以内，比较准确。从798.8到815.8误差在4nm左右，832.8谱线到859.7谱线误差在6nm左右。由此可知实测谱线略大于标准值，随着谱线波长增加，与标准值的误差增加。707.1（706.7），739.5（738.4），752.5（751.5），765.96（763.5）这几条谱线误差小，比较准确。

不同区域内等离子体谱线比较

不同区域内等离子体谱线比较 正光柱区： 谱线强度大 亮度高 在400~500nm处谱线强度大 颜色偏紫 从实验现象来看，正光柱区和阴极辉光区相比，光强度更大。阴极辉光区颜色更靠近黄色，而正光柱区颜色更靠近紫色，这两点在光谱上都有体现。整体来讲正光柱处普线强度大，因此会更亮。可见光的范围是400~700nm，正光柱区在此范围内的谱线大多在400~500nm之间，因此偏蓝紫光，阴极辉光区在此范围内的谱线多在600~700nm，因此偏黄光。 颜色偏紫

不同区域内等离子体谱线比较 阴极辉光区 谱线强度小 亮度低 在600~700nm处谱线强度大 颜色偏红

光谱法测电子温度 波尔兹曼分布 双线法测电子温度 A为跃迁几率，g为权重因子，lameda是波长，E1E2为两个能级的能量，k为波尔兹曼常数，T为电子温度 双线法测电子温度

正光柱区电子能量的计算 带入上页幻灯片的公式算得Te=2.2*10^4K 实测谱线 （nm） 751.2 相对强度 能量（eV） 对应谱线 谱线类型 跃迁几率 权重因子（g） 751.2 41304.8 1.655 750.389 ArI 4.45*10^7 3 936.0 20078.8 1.337 935.42 3.26*10^6 带入上页幻灯片的公式算得Te=2.2*10^4K

阴极辉光区电子温度的计算 带入波尔兹曼公式得推论算得Te=3.9*10^4K 实测谱线 （nm） 752.5 相对强度 能量（eV） 对应谱线 谱线类型 跃迁几率 权重因子（g） 752.5 47851.4 1.652 751.46 ArI 4.02*10^7 3 925.1 18778.8 1.337 922.45 5.03*10^6 带入波尔兹曼公式得推论算得Te=3.9*10^4K

几种电子温度测量方法的比较 由光谱法测得的数据可知阴极辉光区处电子温度大于正光柱中的电子温度 1eV约等于11605K，探针法测得的几组数据分别为7.53,8.77,3.55eV，换算为开氏温度为8.7*10^4K，1.0*10^5K，4.1&10^4K，而光谱法测得正光柱内电子温度为2.2*10^4K。由此可知，探针法测得的电子温度高于光谱法，但二者的结果大致在一个数量级之内。

参考文献 静电探针法对等离子体参数的测定，贾瑞金等，航天器环境工程，2006,10(5). 低温等离子体的光谱测量研究,任庆磊等，光谱实验室，2007,9(5). 等离子体参数的光谱测量法,龚天林等，原子与分子物理学报，2004,4. 标准光谱参考网址http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html

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