实验名称：气体放电等离子体特性实验(一)

时间：2023-03-07 07:53:14 自动化毕业论文我要投稿

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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
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V=vs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Vo =V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InIe-V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tanθ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( Ina=2.30xloga），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。

I eo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：
如果延长BD和FE,则交点K所对应的Vs便是探极那一点的空间电位。测出探极在不同点的空间电位Vs1 , Vs2...... ,并除以两点间的距离，就得出等离子区的轴向电场强度：

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：V＜1000伏，I＜10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0o 8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）。
电流 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
静电单位电流 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 270000 300000 330000 360000
电压1 157.0 151.1 147.8 144.8 143.3 141.3 140.6 139.3 138.3 137.3 136.7
电压2 155.9 150.0 146.5 144.0 142.7 141.0 140.2 139.2 137.9 137.2 136.6
电压平均 156.5 150.6 147.2 144.4 143.0 141.2 140.4 139.3 138.1 137.3 136.7
静电单位电压 0.5217 0.5020 0.4907 0.4813 0.4767 0.4707 0.4680 0.4643 0.4603 0.4577 0.4557
LogI 1.301 1.477 1.602 1.699 1.778 1.845 1.903 1.954 2.000 2.041 2.079
lnI 11.002 11.408 11.695 11.918 12.101 12.255 12.388 12.506 12.612 12.707 12.794

可作图如下：

将上图斜率代入公式：

可得，电子等效温度为：
Te=4.8*10-10/（27.642*1.38*10-16）＝1.26*105K。

又因为探针直径为0.8毫米，探针长度为10毫米，所以有
S=пR2+2пRL=25.62mm2.
所以由

公式可得：
ve=6.972*109, 又由图可得Ieo ＝25.317，所以有：

＝1.18*106

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