等离子体有关性质的测量系列实验.doc

等离子体有关性质的测量系列实验 高雪辰 06300190027 (复旦大学物理学系 上海) 一.概述: 等离子体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”。等离子体具有很高的电导率,于电磁场存在极强的耦合作用。本次实验我们通过观察直流低压放电现象、测量辉光等离子体伏安曲线，更好的理解了辉光等离子体的电学特征，同时还测定了气体击穿电压并采用双探针法测量辉光放电时电子温度。 二.实验原理： 低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。这三个阶段的划分从现象上看是放电强度不同，从内在因素看是放电电压和放电电流之间存在显著差异。经典直流低气压放电在正常辉光放电区有如下区域：阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、阴极区、负辉光区、法拉第暗区、正电柱、阳极辉光区和阳极暗区。 在直流电气放电中,气体的击穿电压由下式决定: 该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Paschen定律。 等离子体中同时存在着电子和正离子，都可以达到各自的平衡态，此时由于电子和正离子的平均速度不同，因此在这个体系中，存在着两个温度，一般用Ti表示等离子体温度，Te表示电子温度。本次实验我们采用双探针法测量等离子体中电子温度。原理如图： 假设： a) 被测空间是电中性的等离子体空间，电子与离子的速度满足麦克斯韦速度分布； b) 探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探针的面积相等； c) 电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度大，这样可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激发和电离； d) 探针材料与气体不发生化学反应； e) 探针表面没有热电子和次级电子发射。 理想双探针实验曲线图如图所示： 根据探针测得的I-V关系曲线可以得到电子温度： 三.实验结果及分析： 1.测量辉光等离子体伏安曲线 由于低压放电三个阶段的本质不同在于其放电电压和放电电流之间存在的显著差异，我们首先测量了辉光放电过程中等离子体的伏安曲线。结果如下： 如图可以看出，放电电流随着放电电压的升高呈非线性增大的趋势。且在相同电压下，管内气体压强越大，放电电流越大。换句话说就是气压升高时，放电电流增大的速率变快了。这一点在物理上很好理解，随着管内气压的升高，管内气体密度增大，气体粒子碰撞并电离的几率增大。所以在相同电压下气压增高使得可以导电的粒子数因碰撞电离的增多而增大，进而显现出电流增大的现象。 2.测量气体击穿电压 Paschen定律告诉我们某一特定气体的击穿电压仅由pd的乘积决定，为验证该定律，我们首先在固定pd乘积的情况下测量气体的击穿电压。取pd=4000Pa*mm，测得实验结果如下图，横坐标为气体压强/Pa，纵坐标为击穿电压/V： 从图中看，好像在固定pd乘积下改变极板间距测得的击穿电压有很大涨落，但注意观察纵坐标的取值后发现，击穿电压的变化范围在在520V—533V之间，平均击穿电压为527V，误差约为：1.3%。所以Paschen定律得到验证。 接下来我们改变pd的值，使其单调增加，测量对应的击穿气压。在本次实验中，我们固定极板间距为80mm，通过改变气压来改变pd的值。测得pd与击穿电压的关系如图： 从图中看到，气体的击穿电压随着pd值得增大而上升。当气压不变时，随着极板间距的增大击穿电压升高，这点在物理上很好理解。当极板间距不变时，气体压强增大，击穿电压升高。这是因为气体压强的增大使得管内气体的浓度增加，自然需要更强的电压来击穿。 3.双探针法测量等离子体电子温度 我们在2W 20Pa，2W 40Pa，4W 40Pa的条件下测量了三条双探针的伏安曲线。如图： 2W 20Pa下经处理得到的等离子体电子温度为：7.10x104K； 2W 40Pa下经处理得到的等离子体电子温度为：6.58x104K； 4W 40Pa下经处理得到的等离子体电子温度为：7.53x104K。 三组结果对比发现，功率一定时，气体压强增大使得电子温度下降；气体压强一定时，功率的增大使得电子温度上升。对于这个结果，在物理上可以如下理解：气体压强增大，气体浓度增大，离子之间碰撞电离的机率也增大，这样电离的过程用掉了很多能量导致粒子的平均动能减小，进而使得电子温度降低。功率增大的时候电子运动的速度加快，自然平均动能增加，温度升高。 四.一些问题的讨论: 1.在实验过程中发现辉光电流很不稳定，总处在持续的上升或下降过程中。 对于这个问题，我个人认为，实验一告诉我们压强对辉光电流的影响是存在的。在我们的实验中，要求管内气体压强为一衡定值，但我们压强的恒定是一个动态的过