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等离子体物理实验

实验原理

等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子是具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的的自由电子。

——摘自：维基百科-等离子体http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93&variant=zh-cn

实验内容

  1. 等离子体的I-V特性测量
  2. 气体击穿电压与电极间距的关系研究
  3. 等离子体稳定条件研究
  4. 探针法测电子温度
  5. 等离子体的发射光谱研究（拓展）
  6. 探针测量实验数据的自动化采集（探索）
  7. 磁场对等离子体的影响（探索）

相关课题

实验讲义

实验结果

直流低气压放电现象观察及伏安曲线测量

李靖同学的实验结果

李靖

这里给出20Pa、40Pa、60Pa三种气压下的伏安曲线，此时电极间距为50mm

1_20pa.jpg 1_40pa.jpg 1_60pa.jpg

三个气压.jpg

由斜率可以看出电极距离d一定时，电流随电压的升高而增大，几乎是线性的。 气压升高时，电流增大的速率变快。— 李靖 2008/12/16

朱宝成同学的实验结果

2010/6/26 朱宝成

以下为极板间距d=48mm-(-27mm)=75mm时在不同气压下的辉光放电电压电流曲线

可以看出，随气压增大，相同电压的放电电流增加，但无明显线性关系；且由下图可得，不同时间，由于环境等条件的不同，相同条件下的电压电流曲线也会有很大差别。

Paschen定律的验证

朱宝成同学的实验结果

1.极板间距一定时，不同气压下的击穿电压测量

其中d分别为75mm、94mm、100mm。

结果大致符合Paschen定律，有一最低击穿电压，大致为280-300V左右。

2.Pd一定时击穿电压测定

下表为参数设置及结果表

以下为结果图像

可以看出，气压在50-90Pa左右，基本上符合Paschen定律。

电子温度的测量

刘方泽同学的实验结果

2008.11.24，刘方泽
双探针测量等电子温度
计划研究电子温度随功率的变化，实际数据不理想，饱和电流和dI/dU均误差较大
8组数据中较好的一个I-V曲线：气压8.0Pa，功率 680V*6.4mA=4.35W
实验数据，建议用origin8.0打开
graph8.jpg

疑问：这个8.0Pa的时候辉光电流应该很小，大概只有1.0mA左右的电流吧。是不是气压搞错了？是80Pa吗？—李靖
注意：图中的中坐标单位是μA。 — 乐永康 2008/12/04 19:04
乐老师，我是说“气压8.0Pa，功率 680V*6.4mA=4.35W”中的这个电流 —李靖
气压应该没错，这个实验数据可重复性不强，测得辉光电流不同是正常的。不过有1mA和6mA这么大的差距，我也解释不了，改天再试一下。–刘方泽 2008/12/5/17:40

徐国强等同学的实验结果

由于前几组的测量结果不是很好，在乐老师的建议与帮助下，我们在探针上加上负高压，以清除探针表面的氧化层。清理之后，测得数据有所改善，结果如下。
下图为功率~7W时不同压强下（60Pa、80Pa）双探针测量曲线：

由测量结果可以看到，在功率不变时，电子温度的测量值没有显著改变；压强影响探针电流的大小，且压强越高离子电流饱和值越小。同时，由处理结果可以看到，电子温度的测量误差较大，只有一位有效数字。
下图为功率不同时，60Pa压强下，双探针测量曲线：

测量结果显示，功率较低时电子温度反而升高的现象。 — 徐国强 2008/12/13 23:27

张译文的实验结果

放电管电压-电流关系

上图中，气压越大，放电管电流随放电管电压增长得越快；
但是，气压变化范围很小，所以结果可能不可靠；
实验中，当气压较大（大于15Pa），阴极板边缘会出现局部放电现象，使得放电管电流不稳定，无法得到电流值。如气压为20Pa时，放电管电压在400V左右时开始出现局部放电现象；

击穿电压

击穿电压变化范围还是蛮大的，下次实验需要重测或者补测数据

探针测量

last → next

开始时，主要花时间熟悉仪器的使用，观察辉光放电现象，以及试图消除局部放电现象（未果…），得到的数据结果都不是理想和全面，希望明天下午去实验室进行进一步的实验，包括：
不同气压下放电管电压-电流关系的高气压下的数据；
pd变化时击穿电压的变化规律；
探针测量中负电压的数据并补充其他功率压强下的数据。 — 2013.5.24

参考资料

  1. Wikipedia-Plasma(physics)Plasma_(physics)
  2. 维基百科-等离子体物理学：http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6&variant=zh-cn
  3. 百度知道-等离子体：http://baike.baidu.com/view/1277.htm
  4. A floating double probe method for measurements in gas discharges——这篇参考文献很好！ — 乐永康 2009/02/05 13:30
这篇文章里有不少原理性的错误 — 刘哲 2009/05/05 23:43
你说的是哪篇文章？ — 乐永康 2009/05/06 00:54

讨论区

刘方泽，很不错啊！在你有空时，陆续把你的结果都传上来吧。 — 乐永康 2008/11/27 11:51
李靖，你也可以整理后，上传一些结果上来！ — 乐永康 2008/12/08 11:38

>老师，计算要用到探针的表面积，请问探针深入的长度和探针半径是多少，谢谢 。。。。by Burning

这个我也不清楚，需要咨询厂家！ — 乐永康 2008/12/15 11:55
李靖的辉光放电伏安特性曲线实验图有问题。而且用直线拟合无任何道理。 — 刘哲 2009/05/05 23:39
的确，任何用于拟合的函数关系应该有相应的物理根据！ — 乐永康 2009/09/06 21:29
如果其伏安特性满足定值电阻不就是直线拟合吗，不过我的数据好像显示是像二极管一样的伏安特性！ — 马少杰 2011/06/19 16:33
你能解释为什么等离子体会有与二极管相似的伏安特性吗？ — 乐永康 2011/06/19 21:21
今天简单地使用了仪器，发现几个问题。第一，辉光放电电流会随时间衰减，接下来可以测量它随时间的变化情况。这一变化无疑会对读数产生影响。可能要改变读数的方式。第二，电极的距离很难调整。 — 刘哲 2009/05/05 23:39
（一）电流随时间变化的原因可能是多方面的，可以作进一步的探讨；（二）电极距离的调节有专门的工具，只要细心操作，还是容易进行的。 — 乐永康 2009/09/06 21:29
等离子体有许多有趣的性质，相关理论也比较完备。现象挺多的，看看能做多少。既然放电管在仪器外部，那可以考虑加外场，可能会有有趣的现象，而且可以研究等离子体在外场下的输运性质。 — 刘哲 2009/05/05 23:39
加外场，研究输运是很不错的想法，只是可能需要在等离子体内部有探测装置。本学期可以进行发光光谱的测量，非常欢迎你来参与！ — 乐永康 2009/09/06 21:29
网站上的word讲义中德拜长度有误，国际单位制下应为\lambda _D=\sqrt{{\epsilon _0 k_B T}/{n_0 e^2}}，在高斯单位制下德拜长度为\lambda _D=\sqrt{{ k_B T}/{4 \pi n_0 e^2}}，另外需要注意的一点是网络上很多地方在提到这里时使用的是高斯单位制，也有的地方会省略玻尔兹曼常数，将温度的单位取为能量 — 吴迪 2018/05/15 17:47