等离子体 作业

等离子体

班级物理1102 作者张远辉学号110801216

摘要：本文阐述了如何观察直流气体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安

曲线的分析，理解辉光等离子体的电学特性。并且详述了直流电气击穿的机制，最后验证了帕邢定律。

关键词：直流气体的唯象结构辉光等离子体直流电击穿帕邢定律

一、引言

等离子体，又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等。科学的进一步发展提新的技术和工艺，现已广泛用于金属加工、电子工业、医学技术、显示技术、薄膜制造及广播通讯等诸多部门，对等离子体的研究也在不断深入，并出现了崭新的局面。现在已有不少院校正计划开设或已经开设了等离子体方面的实验。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔（I．Langmuir）和汤克斯（L.Tonks）首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。

二、实验目的

1、观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。

2、理解直流电气击穿的机制，验证帕邢定律。

三、实验原理

直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量

低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的

放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强

度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。经典

的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：

从左至右，其唯象结果如下：

等离子体参数

a:等离子体密度：单位体积内（一般以立方厘米为单位）某种带电粒子的数目。n

表示离子浓度，n e 表示电子密度。

i

b:等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描述。一般用T i表示离子温度，T e

表示电子温度。

c:等离子体频率：表示等离子体对电中性破坏的反应快慢，是等离子体震荡这种集体效应的频率。

粒子震荡频率，电子震荡频率

d:德拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电荷

的“鞘层”。德拜长度

等离子体参数的静电探针诊断原理

单探针 双探针

大致I-V 函数关系曲线见下图：

由此可知：电子温度

)

0,0(2===

V I i

e dV dI k

eI T

等离子体密度

i

e

m kT eS

I n 61.0+

=

气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定：

)

()

1

1ln(/ln[pd f Apd Cpd V b =+=

γ

上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于pd 的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen ）定律。

最小击穿电压：

将帕邢定律对pd 进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的

pd 值，

)11ln(718.2)11ln()(m in γ

γ+=+=

A A e pd

)11ln(718.2)11ln(min ,γ

γ+=+=A C A C e

V b

四、实验器材

直流辉光放电等离子体装置

五、实验内容

直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量

1了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象，画出示意图，并进行分析。

2 根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的实验方案，画出电路图。

3 取3个不同的工作气压，测量辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量结果填入下表。绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差异，并分析原因。分析工作气压对伏安曲线的影响机制。

4在电极距离一定的情况下，采用Langmuir 双探针测量三组探针I-V 变化数据，其中前两组为直流功率一定，不同气压，后两组为气压一定，不同功率。将所得数据添入表2

5 绘制出I-V 曲线。由曲线斜率根据上述公式计算出电子温度和等离子体密度。例如：

6 根据计算结果，分别分析功率和气压对等离子体参数的影响及影响机理。

具体步骤如下：

a 插上电源线，将总电源开关打开。

b 关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。

c 调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压，开高压，并将工作选择打到辉光放电测量。

d 调节高压大小，同时调节电流量程，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果，每隔20V记录一组数据，共20组。

e 将电压、电流测量结果填入表1，并绘制电压-电流曲线。

f 将工作选择打到探针测量，开高压，并调节至所需功率。

g 开探针电压，缓慢调节电压和电流量程，依次记录I-V关系数据。

h将探针电压调小，并关闭探针电压，将探针反过来与电流表和电压表串联重复上述过程依次记录I-V关系数据，将数据记入表2。

i在其它直流功率和气压下重复上述过程。

气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验

1 在保持pd乘积不变的条件下，取不同的p、d值共5组，测量对应的气体击穿电压。将测量结果填入表1。

2 改变pd的值，让其单调变化，取不同pd值共9组，测量对应的击穿电压。将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。

3 根据测量结果，分析击穿电压与pd乘积的关系，以及击穿电压与p、d值的关系。

具体步骤如下：

a 按照实验内容的要求，讨论和制定最优的实验测量方案。

b拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。

c插上电源线，将总电源开关打开。

d关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。

e调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压P，开高压，并将工作选择打到击穿电压测量。

f缓慢调节高压大小，当击穿电压显示突然增大并显示为0.5V时，记下此时的高压值即为击穿电压值V。调节工作气压，记下相应的击穿电压值。

g 改变极板距离，重复上述过程并记录其它极板距离时的击穿电压值。

h将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。

六、实验数据

表一电压｀电流测量值

电极距离 120mm

工作气压20Pa 工作气压40Pa 工作气压60Pa

电压／v 电流／mA 电压／v 电流／mA 电压／v 电流／mA 520 5.3 460 4.0 480 6.7 540 6.1 480 4.7 500 8.2 560 6.7 500 5.6 520 10.9 580 7.4 520 6.6 540 12.7 600 8.4 540 7.6 560 14.8 620 9.1 560 9.7 580 17.1 640 10.1 580 11.1 600 19.3 660 11.1 600 12.5 620 21.5 680 12.0 620 14.2 640 24.0 700 13.1 640 15.7 660 26.1 720 14.3 660 17.2 680 28.6 740 15.4 680 18.6 700 31.0 760 17.0 700 20.2 720 33.5 780 19.6 720 21.5 740 36.0 800 21.6 740 23.0 760 38.4 820 23.5 760 24.3 780 40.7 840 26.1 780 25.7 800 42.3 860 28.5 800 28.0 820 44.7 880 27.2 820 30.1 840 46.9 900 27.6 840 31.6 860 48.1 920 27.7 860 32.6 880 50.

表2 pd乘积不变时变击穿

表3 pd单调变化时击穿电压V

七、数据处理与分析

数据处理

直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量

图1

图2

图3

气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验

图4

数据分析：由表2可知，当pd乘积不变时，气体的击穿电压的变化也不明显。说明击穿电压与pd乘积由一定关系。

由图4可知，当pd单调变化时，气体的击穿电压也会发生变化。但并不是单调的。这说明击穿电压与pd乘积存在着一个函数关系。但是不是线性的关系。

这在一定程度上验证了帕邢定律。

八、思考题

1、暗放电区电流的测量应注意什么问题？

通常暗放电电流在10-12～10-7,所以采用的是通过电压求电流。取样电阻是1M Ω。

2、阴极与阳极显著的热效应差别的原因？

阴极处聚集了阳电子，电子集中于阳极，由于电子的动能大，其温度亦高，反之，正离子动能比电子低，故，阴极附近处温度比阳极低。

3 、工作气压对辉光放电中的电压-电流曲线有何影响？其影响机制是什么？

随着气压的增大，电流和电压也会增大，故功率增大。影响机制：对不同气压下，电压电流及离子体参数进行比较。

九、实验讨论

对于验证帕邢定律，本人有一点体会。众所周知，气体的状态主要由压强P，体积V，温度T三个物理量决定，由公式＝C （C为常数），击穿电压与气体的状态相关。而实验室的温度基本不会变化，所以帕邢定律与pv有关系，正如帕邢定律描述的那样。

参考文献

1.张燕，顾彪，王文春，王德珍，常压辉光放电等离子体对化纤及其他聚合物的表面处理研究进展，合成纤维，2006，（7）：7—11

2.江南，我国低温等离子体研究进展（2），物理，2006,35（3）：230—237