气体放电等离子体特性实验(一)

Lab Report

实验目的：
观察低气压气体辉光放电现象，用探针测量等离子体中电子等效温度等物理参数。
 实验名称：气体放电等离子体特性实验 

实验原理:
 等离子体是物质存在的第四种形态，与物质三态（固态、液态、气态）相提并论。等离子体由带正负电荷的粒子和中性原子组成，并在宏观上保持电中性。
气体辉光放电现象分析：
 当放电管内的气压降低到几十个毫米汞柱以下，两极加以适当的电压时，管内气体开始辉光放电，辉光由细到宽，布满整个管子。当压力再降低时，辉光便分为明暗相间的八个区域，而大多数的区域集中在阴集附近。八个极分别是：I阿斯顿暗区，II阴极光层，III阴极暗区，IV负辉区，V法拉第暗区，VI正辉区，VII阳极暗区和VIII阳极辉光。
 I阿斯顿暗区(Aston dark space):这是紧靠阴极的一个极薄的区域。电子刚从阴极发出，能量很小，不能使气体分子电离和激发，因而就不能发光，所以是暗区。长度约有1毫米。
 II阴极光层(Cathode layer):在阿斯顿暗区之后，很微薄的发光层。因为电子经过区域I被加速，具有了较大的能量，当这些电子遇到气体分子时，发生碰撞，电子的一部分能量使气体分子的价电子激发，当它们跳回到基态时，便辐射发光。
 III阴极暗区(Cathode dark space):紧靠阴极光层，两者不易区分。由于电子经过区域II时，绝大部分没有和气体分子碰撞，因此它所具有的能量是比较大的，但电子激发气体分子的能量又必须是在一定的范围内，能量超过这一范围则激发的儿率是很小的。因此形成了一个暗区。在这一区域中，形成了极强的正空间电荷，结果绝大部分的管压都集中在这一区域和阴极之间。于是正离子以很大的速度打向阴极，因而从阴极又脱出电子，而这些电子又从阴极向阳极方向运动，再产生如上所述的激发和电离的过程。实验已经确定，阴极暗区的长度d与气体压强P的乘积是一个常数。即：
 Pd=常数
 因此当气体压强降低时，阴极暗区的长度增加。
 IV负辉区(Negative glow):它是阴极暗区后面一个最明亮的区域，并与阴极暗区有明显的分界。这一区域，形成了较强的负空间电荷，也就形成了负电场。由于这些电子速度小，很容易附着在气体分子上，形成负离子，并与从阴极暗区扩散出来的正离子复合而发光。负辉区中离开阴极越远，光的强度也越来越弱，最后消失。
 V法拉第暗区(Faraday dark space):它由负辉区过渡而来，比上述各区厚。它的形成是由于电子在负辉区中已损失了大部分能量，进入这一区域内已经没有足够的动能来使气体分子激发，所以形成暗区。法拉第暗区与负辉区界限不明显，与阳辉区之间有明显的界限。
 以上I至N区是阴极位降区，I至V区称为阴极部分。
 VI正辉区(Positive column):在法拉第暗区之后出现一均匀光柱，亦称正柱区。因为电子在电场的作用下，通过法拉第暗区时，能量渐渐增加，但又不断发生弹性碰撞，使电子运动方向改变，进入正辉区后，其速度将逐渐地接受麦克斯韦分布律。正辉区又叫等离子区，最主要的特点：(1)气体的高度电离 (2)在等离子区内，带正电和带负电的粒子的浓度几乎相等，因而形成的空间电荷，实际上等于零。等离子区任意点的轴向电位梯度是恒定的，因此往往是均匀连续的光柱。
 VU阳极暗区(Anode dark space）：
 VM阳极辉光(Anode glow）：
 正辉区VI与阳极之间是阳极区(Anode region).有时在其中可以看见阳极暗区Vd(Anode dark space），在阳极暗区之后是紧贴在阳极上阳极辉光VIfl (Anode glow).阳极暗区与阳极辉光两区其存在与否取决于外线路电流的大小、阳极面积和形状等。
 （二）用试探电极法研究等离子区：
 所谓试探电极就是在放电管里引入的一个金属导体，导体的形状有圆柱的、平面的、球形的等等。试探电极是研究等离子区的有力工具，利用探极的伏特-安培曲线，可以决定等离子区各种参量。测量线路如图1所示。在测量时保持管子的温度和管内气体压强不变。
 图1图2

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