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实验2.3气体放电中等离子体的研究

071242037姚路驰

引言

等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。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。

实验目的

1.了解气体放电中等离子体的特性。

2.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

1.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λ。当系统尺度L＞λ时，系统呈现电中性，当

DD

L＜λ时，系统可能出现非电中性。

D

2.等离子体的主要参量

描述等离子体的一些主要参量为：

（1）电子温度Ｔ。它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

e

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ｎ，正离子密度为ｎ，在等离子体中ｎ≈ｎ。

eiei

（３）轴向电场强度Ｅ。表征为维持等离子体的存在所需的能量。

L

（４）电子平均动能Ｅ。

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F称为朗缪尔频率或等

p

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。

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。

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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1０～1０Pａ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）正辉区(即正辉柱)，（７）阳

极暗区，（８）阳极辉区。

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

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大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为1０Ｋ），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。

4.等离子体诊断

测试等离子