直流放电辉光等离子体的性质研究-复旦大学物理教学试验中心Fudan.PDF

直流放电辉光等离子体的性质研究 张帆 合作者陈金杰 指导老师乐永康 摘要：通过某些机制可以使电子从气体分子或原子脱离而形成的气体媒质被称为电离气体。 如果这种电离气体是由外电场产生并产生传导电流，就叫做气体放电。电离气体中含有电子、 正负离子、激发态原子和基态原子，总体呈电中性，形成一种人造等离子体。本文研究了充 氩气的放电管中人造等离子体的 I-V 特性曲线，重点用探针法测量放电管内电子温度，探讨 了这种方法对管内等离子体性质的影响。 关键词：等离子体，气体放电，探针法 实验内容及分析 1 直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量 实验原理图： 电流表 可调高压 限流电阻 电压表 等离子体 - 图 1 40Pa，499V 时辉光 实验时通过改变可调高压改变等离子管两端电压，同时读出电流记示数，在加高压之前， 打开扩散泵，对等离子管进行充放气，以达到所需要的气压，一般为几十 Pa 。图 1 为一直 流辉光照片，右边为阴极，能够清楚分辨出阴极辉光区（电子在阴极区被加速产生电离）、 法拉第暗区（电子经碰撞能量损耗，不足以激发）、阳极辉光区和阳极暗区。 我们做的实验结果如下： 图2 图3 图4 在不同气压下 I-V 曲线如上面图2-4 ，分别是气压20 Pa ，41 Pa ，80Pa 时，电压由小到大 变化测得的。这些曲线有的特征有：1 曲线都分两段，电压较低时是线性，随着电压升高， 逐渐过渡到类似于指数上升的曲线；2 相同电压下，随着压强的增大，电流增大，气压达到 80Pa 时电流增长过快，很快就达到最大允许电流，所以没有几个点，且测量是发现电流越 大，电流计示数越不稳定。 第二点很好理解，管内气体压强越大，气体击穿后带电粒子越多，故电流越大。第一点可 由气体放电的原理来解释，当电压较小时，从阴极出发的电子能量较小，与管内气体分子的 碰撞为弹性碰撞，其行为类似于一般良导体[1] ，所以V-I特性曲线为一直线；电压升高，电 子获得的动能增大，与气体分子的碰撞会导致电离，产生更多带电粒子，如电子或负离子， 故此时导电机制较复杂，带电粒子还可能在电场加速作用下轰击极板产生更多电子，在拟合 曲线时，用幂函数表明其电流随电压增长之快。从实验过程中来看，幂指数这一段发光强度 大且不稳定，能够验证以上带电粒子相互作用的推测。 图5 图6 图5 图6 为 41Pa 和 80Pa 时电压由大变小时测的 I-V 曲线，与之前不同的是，这两条曲 线较光滑，用幂函数拟合发现 41Pa 下降速度比 80Pa 时慢，且最低电压比之前正向测小了许 多，说明管内的带电粒子是慢慢减少至零，没有突变点。 2 验证帕邢定律 在放电管电压逐步增大的过程 中，会出现电流突然增大的现象，称为 气体击穿，此时电压即为击穿电压。根 据复杂的理论推导，击穿电压只与管内 气压 p 与电极间距 d 的乘积有关，图 7