等离子体实验讲义.docx

气体放电中等离子体的研究

一、 实验目的

了解气体放电中等离子体的特性。

利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

实验原理

等离子体及其物理特性

等离子体（又称等离子区）定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。

等离子体有一系列不同于普通气体的特性：

（1） 高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。

（2） 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

（3） 宏观上是电中性的。

虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度久D。当系统尺度L>久D时，系统呈现电中性，当L<AD时，系统可能出现非电中性。

等离子体的主要参量

描述等离子体的一些主要参量为：

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（1） 电子温度e。匕是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。

（2） 带电粒子密度。电子密度为七，正离子密度为气，在等离子体中七"io

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（3） 轴向电场强度L。表征为维持等离子体的存在所需的能量。

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（4） 电子平均动能e。

（5） 空间电位分布。

此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。

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，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。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）辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阳极辉

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图2.3-)

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。

等离子体诊断

测试等离子体的方法被称为诊断，它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断有（1）探针法，（2）霍尔效应法，（3）微波法，（4）光谱法，等等。等等。本次实验中采用探针法。

（1）探针法。探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的，又称朗缪尔探针法。分单探

针法和双探针法

①单探针法。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），其接法如图2.3-2所示。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2.3-3所示。对此曲线的解释为：

在AB段，探针的负电位很大，电子受负电位的拒斥，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，即所谓“正离子鞘”，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AB段为正离子流，这个电流很小。

过了8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BC段为正离子流加电子流。

到了。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。如果耳进一步升高，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