等离子体实验 13307110219 陈翊民

主要内容 实验原理 等离子体辉光放电现象观察 等离子体的IV特性 气体击穿电压及帕邢定理 探针法测量电子温度 等离子体的发射光谱研究

实验原理 等离子体（Plasma） “第四态” 高度电离，宏观电中性 德拜长度 等离子体是被思维除去固，液，气相外，物质存在的第四态，常规的等离子体主要是指中性气体中产生了相当程度的电离，带电粒子浓度超过一定数量时，中性粒子的作用开始退居次要位置，整个系统将受带电粒子的运动所支配，从而表现出一系列不同于寻常流体的新性质。一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 产生了相当程度的电离，带电粒子浓度超过一定数量时，中性粒子的作用开始退居次要位置，整个系统将受带电粒子的运动所支配，从而表现出一系列不同于寻常流体的新性质。一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。然而，电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度

实验装置与原理图

辉光放电现象 阴极：阴极由导电材料制成，二次电子发射系数g对放电管的工作有很大影响。 阿斯顿(Aston)暗区：紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是—个有强电场和负空间电荷的薄的区域。它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中。在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。 阴极辉光区：紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区。这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进入的正离子向阴极移动形成的。这种阴极辉光有—个相当高的离了密度。阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力。明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区。 阴极暗区：这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度。 阴极区阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区。大部分功率消耗在辉光放电的阴极区。在这个区域内，被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩。 负辉光区：紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电中它的光强度最亮。负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极侧最强。在负辉光区内，几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。 法拉第暗区：这个区紧靠在负辉光区的右边，在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低。净空间电荷很低，轴向电场也相当小。 正电柱：正电柱是准中性的，在正电柱中电场很小，一般约1V/cm。这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正电柱变长。正电柱是—个长的均匀的辉光，除非触发了自发波动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波． 阳极辉光区：阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有，它是阳极鞘层的边界。 阳极暗区：阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。

直流低气压伏安曲线的测量 实验中电极距 离保持60mm 不变，电流随 电压的升高而 增大，且气压 升高时，电流 增大的速率变 快。 40Pa 时在620V左右开始出现不稳定 80Pa时在580V左右开始出现不稳定

气体击穿电压-- 帕邢定理的验证 𝑉 𝑏 = 𝐶𝑝𝑑 ln⁡[ 𝐴𝑝𝑑 ln⁡(1+ 1 𝛾 ) ] =𝑓 𝑝𝑑 保持pd乘积不变，测量Vb

P*d保持不变 实验中能调节到的最低气压约12Pa P/Pa 30 40 48 60 80 d/mm 50 Vb 496 540 537 527 531 气压显示值可能不准确 动态平衡过程中，管内气压分布并不均匀 实际实验中的天气情况对于实验也有比较明显的影响 实验中能调节到的最低气压约12Pa

不同空气湿度对于击穿电压的影响？ 405V 407V 427V 441V 412V 432V 晴天（6月2日） vs 雨天（6月9日） 测量40Pa，40mm击穿电压变化 某些情况击穿电压的变化幅度最大可达60V，使得实验无法进行 405V 407V 427V 441V 412V 432V

改变Pd，观察Vb的变化 𝑉 𝑏 = 𝐶𝑝𝑑 ln⁡[ 𝐴𝑝𝑑 ln⁡(1+ 1 𝛾 ) ] =𝑓 𝑝𝑑 上式对fd求导数，可以得到电压Vb最小时 (𝑝𝑑) 𝑚𝑖𝑛 = 𝑒 𝐴 𝑙𝑛 1+1/𝛾 （理想VS现实）

对帕邢定理的解释 若保持电极间距d不变 1.当气压很大时，电子的平均自由程缩短，因而电子相 邻两次碰撞积聚足够动能的几率减小，所以所需击穿电 压增大。 2.当气压很小时，电子碰撞前积聚足够动能的几率虽然 增大，但电子的平均自由程很大，电子碰撞总次数减小， 所以击穿电压增大 若保持气压P不变 电极间距的增大会导致场强降低，因而碰撞电离减弱， 击穿电压增大；电极间距很小时，自由电子直接从阴极 运动到阳极。

探针法测量电子温度 探针法测量电子温度 𝑇 𝑒 = 𝑒 𝐼 𝑖 𝑘 𝐵 𝑑𝐼 𝑑𝑉

探针法测电子温度Te

探针法测电子温度Te

图像所得参数 𝑰 𝒊𝟏 /𝒎𝑨 𝑰 𝒊𝟐 /𝒎𝑨 𝒅𝑰 𝒅𝑼 𝑻 𝒆 /𝑲 20 Pa 2.98 w 5.51 9.40 0.171 𝑰 𝒊𝟏 /𝒎𝑨 𝑰 𝒊𝟐 /𝒎𝑨 𝒅𝑰 𝒅𝑼 𝑻 𝒆 /𝑲 20 Pa 2.98 w 5.51 9.40 0.171 2.35E5 35 Pa 2.91 w 1.89 4.20 0.094 1.61E5 4.58 w 3.51 7.12 0.139 1.96E5