В работе исследована плазма газового разряда в неоне с помощью двойного зонда. Экспериментально получена вольт-амперная характеристика разряда в режиме поднормального тлеющего разряда. Расчитаны зондовые характеристики, измерены основные параметры плазмы.
а также нейтральных частиц. Такое состояние газа нельзя описывать как обычный газ с некоторыми частицами, требуются дополнительные параметры, описывающие движение такого газа (плазмы). Определение таких параметров, как тип разряда и других основных характеристик, и является целью данной работы.
Для определения основных характеристик плазмы произведены измерения с помощью двойного зонда - системы, состоящей из двух одинаковых зондов на небольшом растоянии друг от друга, между которыми создается небольшая (по сравнению с потенциалом, до которого заряжается зонд, помещенный в плазму) разность потенциалов $U$. Теоретически получена зависимость тока от напряжения между зондами: (она также представлена на графике \ref{двойной}).\cite{labnik}
Для определения температуры электронов в плазме из пересечения асимптот с осью $U=0$ найдена $I_{in}$ и вычислен наклон графика в начале координат. По этим известным параметрам определена концентрацию заряженных частиц, используя полуэмперическую формулу Д. Бома: \cite{labnik}
Основными характеристиками плазмы являются плазменная частота колебаний $\omega_p$ (определяет временной масштаб движения плазмы), дебаевский радиус $r_{De}$ (определяет пространственный масштаб явления в плазме), поляризационная длина $r_D$ (определяет масштаб, на котором можно считать плазму квазинейтральной), среднее число ионов в дебаевской сфере $N_D$ (при больших значениях плазма считается идеальной). Теоретические формулы для вычисление этих величин приведены в таблице \ref{формулы}.\cite{labnik}
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке \ref{установка}. Трубка наполнена изотопом неона $^{22}Ne$ при давлении 2 мм рт. ст. При подключении к высоковольтному источнику питания анода-I между ним и катодом возникает газовый разряд. Ток разряда измеряется миллиамперметром $A_1$, а падение
напряжения на разрядной трубке — вольтметром $V_1$. При подключении к высоковольтному источнику питания анода-II разряд возникает в пространстве между катодом и анодом-II, где находится двойной зонд, используемый
Для определения типа разряда с помощью вольтметра $V_1$ и амперметра $A_1$ измерена вольт-амперная характеристика разряда $I_p(U_p)$ (рис. \ref{ВАХ_разряда})
По наклону кривой определено максимальное $R_{диф}=\frac{dU}{dI}=-68\pm11$ кОм. Полученный участок вольт-амперной характеристики соответствует поднормальному тлеющему разряду.
Для определения характеристик плазмы в неоне при фиксированном токе разряда измерена вольт-амперная характеристика двойного зонда. (рис. \ref{ВАХ_зонда}). Для каждой зондовой характеристики определен ионный ток и наклон характеристики в начале координат по графику. Из полученных результатов рассчитаны $T_e$, $n_i$, $\omega_p$, $r_{De}$, $r_D$, $N_D$, $\alpha$ - степень ионизации плазмы (по формулам из таблицы \ref{формулы}). Результаты приведены в таблице \ref{data}, также построены графики зависимости
\caption{Зависимость электронной температуры и концентрации электронов от тока разряда в плазме неона при давлении $P \sim$ 2 торр, температуре ионов $T_i \approx$ 300 K.}\label{от_тока_разряда}
1. При сравнении вольт-амперной характеристики разряда (рис. \ref{ВАХ_разряда}) и графика вольт-амперной характеристики газового разряда из \cite{labnik} (рис. \ref{приложение}) видно, что рассматривался участок, соответствующий поднормальному тлеющему разряду.
2. По определению поляризационной длины $r_{De}$ плазму можно считать квазинейтральной, так как именно электронная дебаевская длина определяет масштаб, на котором нарушается квазинейтральность из-за тепловых флуктуаций электронов относительно ионов, а$r_{De}\sim10^{-2} см$, что много меньше размеров области.
3. Оценив число ионов в дебаевской сфере $N_D \sim40$, видно, что число частиц много больше 1, что позволяет называть плазму идеальной.
4. Определить зависимость электронной температуры от тока разряда с помощью полученных данных (рис. \ref{от_тока_разряда}) невозможно из-за малого числа точек и достаточной погрешности результатов. Однако можно качественно оценить зависимость концентрации электронов от тока разряда: график напоминает линейную или степенную зависимость, что достаточно ожидаемо, при увеличении тока разряда увеличивается и число электронов в газе.
Из вольт-амперной характеристики разряда получено, что исследовался тлеющий газовый разряд.
Экспериментальная зондовая характеристика схожа с теоретической зависимостью: $I = I_{iн} th\frac{eU}{2k_БT_e}$, количество ионов в дебаевской сфере $N_D \sim40$ показывает идеальность плазмы. Остальные характеристики плазмы получились схожими с табличными значениями \cite{labnik}, что показало справедливость метода измерений. Однако не удалось оценить зависимость температуры электронов от тока разряда из-за неточных измерений и малого их числа.
\begin{thebibliography}{}
\bibitem{labnik} Никулин М.Г., Попов П.В., Нозик А.А. и др. Лабораторный практикум по общей физике : учеб. пособие. В трех томах. Т. 2. Электричество и магнетизм
