气体放电中等离子体地研究实验报告材料南京大学文档格式.docx
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（3）轴向电场强度El。
表征为维持等离子体的存在所需的能量。
（4）电子平均动能Ee。
（5）空间电位分布。
3、稀薄气体产生的辉光放电
本实验研究的是辉光放电等离子体。
辉光放电是气体导电的一种形态。
当放电管内的压强保持在10-102Pa时,在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。
辉光分为明暗相间的8个区域。
8个区域的名称为
（1）阿斯顿区，
（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。
如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。
其特征是：
气体高度电离；
电场强度很小，且沿轴向有恒定值。
这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。
所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。
由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。
但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。
这是一种非平衡状态。
因此，虽然电子温度很高（约为105K）,但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。
3.等离子体诊断
测试等离子体的方法被称为诊断。
等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法,光谱法等。
本次实验中采用探针法。
探针法分单探针法和双探针法。
（1）单探针法。
单探针法实验原理图如图2所示
卜―
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1
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探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆柱形、
球形）。
以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图3所示。
对
此曲线的解释为：
探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆柱形、球形）。
以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图2所示。
在AE段，探针的负电位很大，电子受负电位的排斥，而速度很慢的正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，它把探针电场屏蔽起来。
等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针，形成探针电流，所以AE段为正离子流，这个电流很小。
过了E点，随着探针负电位减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使一些快速电子能够克服电场拒斥作用，抵达探极，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐下降，所以EC段为正离子流加电子流。
到了C点，电子流刚好等于正离子流，互相抵消，使探针电流为零。
此时探
针电位就是悬浮电位UF。
继续减小探极电位绝对值，到达探极电子数比正离子数多得多，探极电流转为正向，并且迅速增大，所以CD段为电子流加离子流，以电子流为主。
当探极电位UP和等离子体的空间电位US相等时，正离子鞘消失，全部电子都能到达探极，这对应于曲线上的D点。
此后电流达到饱和。
如果UP进一步
升高，探极周围的气体也被电离，使探极电流又迅速增大，甚至烧毁探针。
由单探针法得到的伏安特性曲线，可求得等离子体的一些主要参量。
对于曲线的CD段，由于电子受到减速电位（UP-US）的作用，只有能量比e（UP-US）大的那部分电子能够到达探针。
假定等离子区内电子的速度服从麦
e（UpUs）
nenoexp-
kTe
克斯韦分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne，按玻耳兹曼分布应
为
式中no为等离子区中的电子密度，Te为等离子区中的电子温度，k为玻耳兹曼常数。
在电子平均速度为Ve时，在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数
1—
为：
r
得探针上的电子电流：
吨宀y
■
其中
h二占吟耳’Ep
取对数
eU
Ini竺常数
可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系
作半对数曲线，如图4所示，由直线部分的斜率tg，可决定电子温度Te：
电子平均动能Ee和平均速度ve分别为:
Ee3kT
式中me为电子质量
由（4）式可求得等离子区中的电子密度:
式中10为UP=Us时的电子电流，S为探针裸露在等离子区中的表面面积。
（2）双探针法。
双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离L。
双探针法的伏安特性曲线如图6所示。
在坐标原点，如果两根探针之间没有电位差，它们各自得到的电流相等，所以外电流为零。
然而，一般说来，由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同，所以外加电压为零时，电流不是零。
随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。
最大电流是饱和离子电流Is1、Is2。
图6
双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电
流。
这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。
从而探针对等离子体的干扰大为减小
由双探针特性曲线，通过下式可求得电子温度Te:
式中c为电子电荷，k为玻耳兹曼常数，Ii1、Ii2为流到探针1和2的正离
dU
电子密度ne为:
2IsMeSkT；
式中M是放电管所充气体的离子质量，S是两根探针的平均表面面积。
Is
是正离子饱和电流。
由双探针法可测定等离子体内的轴向电场强度EL。
一种方法是分别测定两根探针所在处的等离子体电位U1和U2，由下式得
式中I为两探针间距
另一种方法称为补偿法，接线如图6所示。
当电流表上的读数为零时，伏特表上的电位差除以探针间距L,也可得到EL
1■
四、实验内容
本实验用等离子体物理实验组合仪（以下简称组合仪）、接线板和等离子体放电管。
放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成，管内充汞或氩。
实验参数：
探针直径（mm）:
0.45
探针轴向间距（mm）:
30.00
放电管内径（mm）:
6.00
平行板面积（mmT）:
28.00
平行板间距（mm）:
4.00
亥姆霍兹线圈直径（mm）:
200.00
亥姆霍兹线圈间距（mm）:
100.00
亥姆霍兹线圈匝数：
400
放电电流（mA）:
87
单探针序号：
1
取样电阻值（Q）:
10001.单探针法测等离子体参量
本实验采用的是电脑化X-Y记录仪和等离子体实验辅助分析软件，测量伏
安特性曲线，算出等离子体参量。
实验接线图如下
ant
Mtt攪軸
Q6
接好线路并检查无误后，使放电管放电，测量时采样电阻设定为1000,电电流设定为90mA，启动计算机，运行电脑化X-Y记录仪数据采集软件,
着探针电位自动扫描，电脑自动描出U-I特性曲线，将数据保存
用origin和mathematica作图如下：
20000
mon
x轴：
电压U/mVy轴：
电流1/mA
图9
在做半对数曲线如图10:
电流I/mA
图10
做切线，找交点，如图11:
电流l/mA
图11
读出交点坐标为X=14911.0807,丫=8.31140351，即U=14.91V,
1=8311.40uA,带入公式;
11600
?
=
-82857.14?
=829?
+004?
?
ne
据
41。
Io2me
eSVeeS，kTe可算出?
5=7.29*10a17
而导入标准分析软件，有结果为:
U0=23.57V
10=6970.13uAtg①二0.29
Te=3.97E+004K
Ve=1.24E+006m/s
可见计算结果有些微差别，但是数量级并没有发生改变。
关于Te的误差：
（8.29?
597E+004K）/8.29?
52.11%
关于？
？
的误差19.2%
2•双探针法
用自动记录法测出双探针伏安特性曲线，求Te和ne
双探针法实验方法与单探针法相同，接线图如图12所示
慄ftl
XF诵蜕记锻血
图12
实验参数如下：
放电管内径（mm）:
6.00
平行板面积（mmA2）:
28.00
平行板间距（mm）:
4.00
100.
400
放电电流（mA）:
114
1000
实验结果导入SciDAVis里作图并拟合如下:
Boitzirtann（S^moidal）Fitfitofdata&
etTat>
le1_.2busingfunction:
（A1-A2）/（1+«
xp（（x*x0）/dxJ）+A2YjstandarderrorsjUnknown
ScaledLeverrberg-Marquardlalgorithmwithtolerance^0.0001
FromX--29,950.07tox=22.684.96
Al（initvalue）=-473.514+/-nan
A2"
in创vaJu&
）-539+/-nan
x0（center）=-1.&
01.52W-nan
dx（timeconstant）=?
1W-nan
Chi*2/doF=51,514.9299820424RA2=0.705036159200195
■WMFRV■■EMM■M■W■■■M■■■■■!
'
■■*H■V*K■H=~SWHVVKS'
Viterations=0
~600~~|||||||||||（|||]||||~
悴心2&
+O43e+（M
-4e+D4胡电-2e+O4-1e+040
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图13
可以读出，A1=473.514,A2=539，即I1=473.514uA,I2=539uA。
实验中用标准分析软件得出的结
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