实验名称气体放电等离子体特性实验（一）

　　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（Astondarkspace）：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（Cathodelayer）：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（Cathodedarkspace）：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（Negativeglow）：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（Faradaydarkspace）：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。VU阳极暗区（Anodedarkspace）：
　　VM阳极辉光（Anodeglow）：
　　正辉区VI与阳极之间是阳极区（Anoderegion）。有时在其中可以看见阳极暗区Vd（Anodedarkspace），在阳极暗区之后是紧贴在阳极上阳极辉光VIfl（Anodeglow）。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
　　实验所测得的探极电压和电流画成曲线，如图2所示。对这一特性曲线作如下的解释：
　　AB段表示加在探极上的电压比探极所在那一点的空间电位负得多（以阳极为参考点的探极电位），在探极周围形成了正的空间电荷套层。套层的厚度一般小于等离子区中电子的自由路程。这时探极因受正离子的包围，它的电力线都有作用在正离子上，而不能跑出层外，因此它的电场仅限于层内。根据气体分子运动理论，在单位时间内有个正离子靠热运动达到探极上，形成的负电流，式中vi是正离子的平均速度，ni为正离子浓度，S为探极面积，e为电子电荷，从式中看出，Ii不随时探极电压而变化，因此AB段为近似平行于横轴的直线。随着探极上负电压的减少，正离子套层变薄，当负电压减至B点时，热运动速度大的电子将有足够的能量穿过正离套层，而到达探极上，因而电流增加较快。当电压减至vi（C点）时，则电子电流和离子电流相等，即电流等于零。探极电压再减低时，则慢的电子也能穿过正离子套层而到达探极上，故电流向相反方向增加很快（CDE段）。当Vvs时，即探极电压与探极所在那一点的空间电位相等时，正离子套层消失，全部电子都可以达到探极时。由此可知，电流为零测量的vf不是探极对应的管内那一点的空间电位，而vs才是那一点的真实电位。
　　EF段是由于探极电压高于那一点的空间电位，在探极周围形成了套层，于是就给电子以加速度。探极电压的增加，吸引的电子增多，电流和电压的止分之一次方成比例。因此EF段也是比较平坦的。当探极电压比空间电位高得多的时候，周围的气体分子被电离，故电流迅速增加，而且因为电子能量很大，会把探极轰击熔化。
　　我们对BE段最感兴趣，因此下面将详细地加以讨论。
　　正离子和电子是靠热运动而到达探极上的。在曲线BD段内，探极电压比空间电位低，因此它的电场是阻止电子运动的，靠近探极的电位是连续变化的，电子处在有势场中，根据波耳兹曼理论，电子的速度服从麦克斯韦速度分布律的。因此靠近探极表面的电子浓度
　　。其中no为等离子区中未经干扰的电子浓度，V是探极电压与该点的空间电位的差，即VoV一Vs，Te是等离子区中电子的等效温度，K是波耳兹曼常数。由气体分子运动论可知，当电子的浓度为n。，平均速度为Ve时，单位时间内落到探极上的电子数，S为探极面积。所以电流强度
　　两边取对数得：
　　设等式右边第一项和第二项为常数，由此式变成：
　　由实验得出InIeV特性曲线，其中BD表示电流的对数与电压珠关系是直线的，因此就证明了等离子区中的电子速度是服从麦克斯韦速度分布律的。由这直线的斜率tan即可求出等离子区电子的等效温度Te。
　　在一般的计算中，经常使用常用对数（Ina2。30xloga），并考虑电压的单位，由实用单位（伏特）换算成静电单位（1静电单位电压300伏特），1安培3x109静电单位电流，1微安3x1护静电单位电流再将e和K代入上式，得
　　普通物理讲过，服从麦克斯韦分布律的电子的平均速度，me是电子的质量。
　　电子平均动能
　　由图直线段BD在电流轴上的截距，可得出Iev，而求出电子浓度。
　　Ieo为静电单位。下面求出正离子平均速度vi。因为等离子区中电子的浓度和止离子的浓度相等，所以由图2的AB段可以得到
　　可求出探极所在那一点的空间电位和等离子区轴向电场强度：
　　实验内容：
　　气体放电实验装置包含：带探极的玻璃放电管，放电管高压电源及调节装置，探极电源及调节装置，放电管真空系统（抽气机，漏气阀，真空测量装置）等。实验过程如下：
　　1，检查实验系统，高低压电源调节于初始位置，关闭漏气阀。
　　2，对放电管抽气并通过调节漏气阀维持10帕上下真空度。
　　3，慢慢调节高压，直至放电管放电。
　　4，观察和记录气体放电现象，了解放电分区与外界条件的关系。
　　5，在等离子区用探极法测定伏安特性。放电管1二作状态：V1000伏，I10毫安。探极测试电压从一300伏到100伏，记录探极测试电压和电流。注意在100伏以下，电流增加快，测量点不要多，以免烧坏电极。
　　6，在半对数坐标纸上作伏安特性，初步检验测量结果，测量误差大的要重测。
　　7，关闭电源，在等离子区移动探极，重新测量一组数据，了解等离子区纵向电场分布。
　　8，计算电子等效温度及电子浓度。己知探极直径0o8毫米，长度10毫米。
　　实验数据表格及数据处理：
　　真空度：45帕；
　　探针直径：0。8毫米；探针长度：10毫米；
　　放电管电压：860伏特；放电电流：10毫安；
　　伏安特性测量数据表：电压（伏特），电流（微安）。静电单位电流6000090000120000150000180000210000240000270000300000330000360000
　　电压1157。0151。1147。8144。8143。3141。3140。6139。3138。3137。3136。7电压平均156。5150。6147。2144。4143。0141。2140。4139。3138。1137。3136。7LogI1。3011。4771。6021。6991。7781。8451。9031。9542。0002。0412。079
　　可作图如下：
　　将上图斜率代入公式：
　　可得，电子等效温度为：
　　又因为探针直径为0。8毫米，探针长度为10毫米，所以有
　　SR22RL25。62mm2。
　　所以由
　　公式可得：
　　1。18106