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實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：氣體放電等離子體特性實(shí)驗(yàn)(一)
實(shí)驗(yàn)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(fù)電荷的粒子和中性原子組成，并在宏觀上保持電中性。
氣體輝光放電現(xiàn)象分析：
當(dāng)放電管內(nèi)的氣壓降低到幾十個(gè)毫米汞柱以下，兩極加以適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，管內(nèi)氣體開(kāi)始輝光放電，輝光由細(xì)到寬，布滿(mǎn)整個(gè)管子。當(dāng)壓力再降低時(shí)，輝光便分為明暗相間的八個(gè)區(qū)域，而大多數(shù)的區(qū)域集中在陰集附近。八個(gè)極分別是：I阿斯頓暗區(qū)，II陰極光層，III陰極暗區(qū)，IV負(fù)輝區(qū)，V法拉第暗區(qū)，VI正輝區(qū)，VII陽(yáng)極暗區(qū)和VIII陽(yáng)極輝光。
I阿斯頓暗區(qū)(Aston dark space):這是緊靠陰極的一個(gè)極薄的區(qū)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(qū)。長(zhǎng)度約有1毫米。
II陰極光層(Cathode layer):在阿斯頓暗區(qū)之后，很微薄的發(fā)光層。因?yàn)殡娮咏?jīng)過(guò)區(qū)域I被加速，具有了較大的能量，當(dāng)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(dāng)它們跳回到基態(tài)時(shí)，便輻射發(fā)光。
III陰極暗區(qū)(Cathode dark space):緊靠陰極光層，兩者不易區(qū)分。由于電子經(jīng)過(guò)區(qū)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(nèi)，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(qū)。在這一區(qū)域中，形成了極強(qiáng)的正空間電荷，結(jié)果絕大部分的管壓都集中在這一區(qū)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(yùn)動(dòng)，再產(chǎn)生如上所述的激發(fā)和電離的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定，陰極暗區(qū)的長(zhǎng)度d與氣體壓強(qiáng)P的乘積是一個(gè)常數(shù)。即：
Pd=常數(shù)
因此當(dāng)氣體壓強(qiáng)降低時(shí)，陰極暗區(qū)的長(zhǎng)度增加。
IV負(fù)輝區(qū)(Negative glow):它是陰極暗區(qū)后面一個(gè)最明亮的區(qū)域，并與陰極暗區(qū)有明顯的分界。這一區(qū)域，形成了較強(qiáng)的負(fù)空間電荷，也就形成了負(fù)電場(chǎng)。由于這些電子速度小，很容易附著在氣體分子上，形成負(fù)離子，并與從陰極暗區(qū)擴(kuò)散出來(lái)的正離子復(fù)合而發(fā)光。負(fù)輝區(qū)中離開(kāi)陰極越遠(yuǎn)，光的強(qiáng)度也越來(lái)越弱，最后消失。
V法拉第暗區(qū)(Faraday dark space):它由負(fù)輝區(qū)過(guò)渡而來(lái)，比上述各區(qū)厚。它的形成是由于電子在負(fù)輝區(qū)中已損失了大部分能量，進(jìn)入這一區(qū)域內(nèi)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(qū)。法拉第暗區(qū)與負(fù)輝區(qū)界限不明顯，與陽(yáng)輝區(qū)之間有明顯的界限。
以上I至N區(qū)是陰極位降區(qū)，I至V區(qū)稱(chēng)為陰極部分。
VI正輝區(qū)(Positive column):在法拉第暗區(qū)之后出現(xiàn)一均勻光柱，亦稱(chēng)正柱區(qū)。因?yàn)殡娮釉陔妶?chǎng)的作用下，通過(guò)法拉第暗區(qū)時(shí)，能量漸漸增加，但又不斷發(fā)生彈性碰撞，使電子運(yùn)動(dòng)方向改變，進(jìn)入正輝區(qū)后，其速度將逐漸地接受麥克斯韋分布律。正輝區(qū)又叫等離子區(qū)，最主要的特點(diǎn)：(1)氣體的高度電離 (2)在等離子區(qū)內(nèi)，帶正電和帶負(fù)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(qū)任意點(diǎn)的軸向電位梯度是恒定的，因此往往是均勻連續(xù)的光柱。
VU陽(yáng)極暗區(qū)(Anode dark space）：
VM陽(yáng)極輝光(Anode glow）：
正輝區(qū)VI與陽(yáng)極之間是陽(yáng)極區(qū)(Anode region).有時(shí)在其中可以看見(jiàn)陽(yáng)極暗區(qū)Vd(Anode dark space），在陽(yáng)極暗區(qū)之后是緊貼在陽(yáng)極上陽(yáng)極輝光VIfl (Anode glow).陽(yáng)極暗區(qū)與陽(yáng)極輝光兩區(qū)其存在與否取決于外線路電流的大小、陽(yáng)極面積和形狀等。
（二）用試探電極法研究等離子區(qū)：
所謂試探電極就是在放電管里引入的一個(gè)金屬導(dǎo)體，導(dǎo)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(qū)的有力工具，利用探極的伏特-安培曲線，可以決定等離子區(qū)各種參量。測(cè)量線路如圖1所示。在測(cè)量時(shí)保持管子的溫度和管內(nèi)氣體壓強(qiáng)不變。
圖1圖2
實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的探極電壓和電流畫(huà)成曲線，如圖2所示。對(duì)這一特性曲線作如下的解釋?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(fù)得多（以陽(yáng)極為參考點(diǎn)的探極電位），在探極周?chē)纬闪苏目臻g電荷套層。套層的厚度一般小于等離子區(qū)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(nèi)。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論，在單位時(shí)間內(nèi)有個(gè)正離子靠熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到探極上，形成的負(fù)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。隨著探極上負(fù)電壓的減少，正離子套層變薄，當(dāng)負(fù)電壓減至B點(diǎn)時(shí)，熱運(yùn)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(dá)探極上，因而電流增加較快。當(dāng)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(dá)探極上，故電流向相反方向增加很快(CDE段)。當(dāng)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(dá)到探極時(shí)。由此可知，電流為零測(cè)量的vf不是探極對(duì)應(yīng)的管內(nèi)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)纬闪颂讓�，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(dāng)探極電壓比空間電位高得多的時(shí)候，周?chē)臍怏w分子被電離，故電流迅速增加，而且因?yàn)殡娮幽芰亢艽�，�?huì)把探極轟擊熔化。
我們對(duì)BE段最感興趣，因此下面將詳細(xì)地加以討論。
正離子和電子是靠熱運(yùn)動(dòng)而到達(dá)探極上的。在曲線BD段內(nèi)，探極電壓比空間電位低，因此它的電場(chǎng)是阻止電子運(yùn)動(dòng)的，靠近探極的電位是連續(xù)變化的，電子處在有勢(shì)場(chǎng)中，根據(jù)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(qū)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(qū)中電子的等效溫度，K是波耳茲曼常數(shù)。由氣體分子運(yùn)動(dòng)論可知，當(dāng)電子的濃度為n。，平均速度為Ve時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)落到探極上的電子數(shù)，S為探極面積。所以電流強(qiáng)度
兩邊取對(duì)數(shù)得：
設(shè)等式右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng)為常數(shù)，由此式變成：
由實(shí)驗(yàn)得出InIe-V特性曲線,其中BD表示電流的對(duì)數(shù)與電壓珠關(guān)系是直線的，因此就證明了等離子區(qū)中的電子速度是服從麥克斯韋速度分布律的。由這直線的斜率tanθ即可求出等離子區(qū)電子的等效溫度Te。
在一般的計(jì)算中，經(jīng)常使用常用對(duì)數(shù)( 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(hù)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?yàn)榈入x子區(qū)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(qū)軸向電場(chǎng)強(qiáng)度：
如果延長(zhǎng)BD和FE,則交點(diǎn)K所對(duì)應(yīng)的Vs便是探極那一點(diǎn)的空間電位。測(cè)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(qū)的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度：
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 :
氣體放電實(shí)驗(yàn)裝置包含：帶探極的玻璃放電管，放電管高壓電源及調(diào)節(jié)裝置，探極電源及調(diào)節(jié)裝置，放電管真空系統(tǒng)（抽氣機(jī)，漏氣閥，真空測(cè)量裝置）等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：
1，檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，高低壓電源調(diào)節(jié)于初始位置，關(guān)閉漏氣閥。
2，對(duì)放電管抽氣并通過(guò)調(diào)節(jié)漏氣閥維持10帕上下真空度。
3，慢慢調(diào)節(jié)高壓，直至放電管放電。
4，觀察和記錄氣體放電現(xiàn)象，了解放電分區(qū)與外界條件的關(guān)系。
5，在等離子區(qū)用探極法測(cè)定伏安特性。放電管__1二作狀態(tài)：V＜1000伏，I＜10毫安。探極測(cè)試電壓從一300伏到+100伏，記錄探極測(cè)試電壓和電流。注意在100伏以 下，電流增加快，測(cè)量點(diǎn)不要多，以免燒壞電極。
6，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作伏安特性，初步檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量誤差大的要重測(cè)。
7，關(guān)閉電源，在等離子區(qū)移動(dòng)探極，重新測(cè)量一組數(shù)據(jù)，了解等離子區(qū)縱向電場(chǎng)分布。
8，計(jì)算電子等效溫度及電子濃度。己知探極直徑0o 8毫米，長(zhǎng)度10毫米。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理：
真空度： 45 帕；
探針直徑： 0.8 毫米；探針長(zhǎng)度： 10 毫米；
放電管電壓： 860 伏特；放電電流： 10 毫安；
伏安特性測(cè)量數(shù)據(jù)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?yàn)樘结樦睆綖?.8毫米，探針長(zhǎng)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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