等离子体

等离子体 班级 物理1101        姓名        学号 摘要：本实验通过对直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构观察及辉光等离子体的伏安曲线测量，进一步理解辉光等离子体电学特性，另外对气体击穿电压与板极距离、工作气压等的关系研究来理解直流电气击穿的机制，并且验证了帕邢定律。 关键词：等离子体 板极距离 工作气压 击穿电压 帕邢定律 引言： 等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。等离子体，又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等。科学的进一步发展提新的技术和工艺，现已广泛用于金属加工、电子工业、医学技术、显示技术、薄膜制造及广播通讯等诸多部门，对等离子体的研究也在不断深入，并出现了崭新的局面。 实验目的： 1、观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。 2、理解直流电气击穿的机制。 3、验证帕邢定律。 实验仪器： DH2005型直流辉光放电等离子体装置 实验原理： 一、直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量 低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图： 从左至右，其唯象结果如下 ： 图1、低气压放电现象 阴极  阴极由导电材料制成，二次电子发射系数 对放电管的工作有很大影响。 阿斯顿(Aston)暗区  紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是—个有强电场和负空间电荷的薄的区域．它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中．在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。 阴极辉光区  紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区．这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极面溅射原子的激发，或外部进人的正离子向阴极移动形成的．这种阴极辉光有—个相当高的离了密度．阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力．明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区． 阴极暗区  这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度． 阴极区  阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区．大部分功率消耗在辉光放电的阳极区．在这个区域内．被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩． 负辉光区  紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电市它的光强度最亮．负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极侧最强．在负辉光区内。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。 法拉第暗区  这个区紧靠在负辉光区的右边，在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低．净空间电荷很低，轴向电场也相当小． 正电柱  正电柱是准中性的，在正电柱中电场很小，一般是1v／cm．这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色．在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正电柱变长．正电柱是—个长的均匀的辉光。除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波． 阳极辉光区  阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有．它是阳极鞘层的边界． 阳极暗区  阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场． 图2、低气压放电管工作原理示意图 二、气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定： （1） 上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于 的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。 最小击穿电压： 将帕邢定律对 进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的 值， （2）    （3） 实验内容： 一、直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量 1了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象，画出示意图，并进行分析。 2 根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的实验方案，画出图。 3 取3个不同的工作气压，测量辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量结果填入下表。绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差异，并分析原因。分析工作气压对伏安曲线的影响机制。 4在电极距离一定的情况下，采用Langmuir双探针测量三组探针I-V变化数据，其中前两组为直流功率一定，不同气压，后两组为气压一定，不同功率。将所得数据添入表2 5 绘制出I-V曲线。由曲线斜率根据上述公式计算出电子温度和等离子体密度。 6 根据计算结果，分别分析功率和气压对等离子体参数的影响及影响机理。 具体步骤如下： a 插上电源线，将总电源开关打开。 b 关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。 c 调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压，开高压，并将工作选择打到辉光放电测量。 d 调节高压大小，同时调节电流量程，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果，每隔20V记录一组数据，共20组。 e 将电压、电流测量结果填入表1，并绘制电压-电流曲线。 f 将工作选择打到探针测量，开高压，并调节至所需功率。 g 开探针电压，缓慢调节电压和电流量程，依次记录I-V关系数据。 h将探针电压调小，并关闭探针电压，将探针反过来与电流表和电压表串联 重复上述过程依次记录I-V关系数据。    i在其它直流功率和气压下重复上述过程。 二、气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 1 在保持 乘积不变的条件下，取不同的 、 值共5组，测量对应的气体击穿电压。将测量结果填入表1。 2 改变 的值，让其单调变化，取不同 值共9组，测量对应的击穿电压。将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。 3 根据测量结果，分析击穿电压与 乘积的关系，以及击穿电压与 、 值的关系。 具体步骤如下： a 按照实验内容的，讨论和制定最优的实验测量方案。 b拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。 c插上电源线，将总电源开关打开。 d关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。 e调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压P，开高压，并将工作选择打到击穿电压测量。 f缓慢调节高压大小，当击穿电压显示突然增大并显示为0.5V时，记下此时的高压值即为击穿电压值V。调节工作气压，记下相应的击穿电压值。 g 改变极板距离，重复上述过程并记录其它极板距离时的击穿电压值。 h将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。 数据处理： 表1：电压、电流测量值 d=64mm 工作气压/pa 20 工作气压/pa 40 工作气压/pa 80 U/v I/mA U/v I/A U/v I/A 370 0.58 400 1.3 400 3.4 390 0.93 420 1.8 420 5.1 410 1.31 440 2.5 440 6.9 430 1.73 460 3.2 460 9.2 450 2.20 480 3.9 480 11.5 470 2.72 500 4.7 500 14.2 490 3.30 520 5.7 520 17.0 510 3.95 540 6.7 540 19.8 530 4.97 560 7.7 560 22.6 550 5.94 580 8.8 580 25.4 570 6.73 600 10.0 600 28.1 590 7.48 620 11.7 620 30.2 610 8.23 640 13.2 640 32.4 630 9.02 660 14.2 660 34.2 650 9.70 680 15.2 680 36.5 670 10.44 700 16.3 700 38.1 690 11.20 720 17.2 720 40.1 710 11.90 740 18.2 740 42.3 730 12.72 760 19.1 760 44.5 750 13.60 780 20.2 780 46.8             图3、20pa时电压-电流曲线 图4、40pa时电压-电流曲线 图5、80pa时电压-电流曲线 表2：pd乘积不变时击穿电压Vb Pd/pa*mm 6000 6000 6000 6000 6000 d/mm 40 60 80 100 120 P/pa 150 100 75 60 50 Vb/v 644 597 333 542 523             P/pa 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vb/v 313 313 313 312 313 314 313 313 314 Pd/pa*mm 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000                     表3：pd单调变化时击穿电压Vb（d控制在100mm不变） 图6、pd单调变化时Vb-Pd曲线 另外测得d=60mm，P=60pa时 Vb=334v。 结果分析： 1、由数据表1的数据做出的三个不同情况下电压-电流曲线如图3、图4、图5所示。可以发现，板极距离d=64mm不变时，在不同的工作气压下（20pa、40pa、80pa），辉光放电时电压和电流大致呈线性关系。 2、由表2的数据可以分析得出，Pd乘积保持不变（Pd=6000pa*mm），而P、d的各自变化为：板极距离d单调增加，工作电压P逐渐减小。在这种情况下，气体的击穿电压总体呈下降趋势。 3、通过分析表3数据，发现改变Pd的值，让其单调变化，所以我在试验中保持板极距离d=100mm不变，单调的改变工作电压P值。从图6中看出击穿电压Vb的值大致不变（在313v左右）。而最后我们测了d=60mm，P=60pa时 Vb=334v，所以可得出结论，其他条件不变时，工作电压的改变不会引起击穿电压的改变，击穿电压取决于板极距离d。 思考： 1、暗放电区电流的测量应注意什么问题？  答：通常暗放电电流在10-12～10-7,所以采用的是通过电压求电流。取样电阻是1MΩ。