气体放电与等离子体虚拟实验平台

实验简介

虚拟仿真实验基于自研的“气体放电与等离子体实验仪”开发。真实装置由真空腔体、普通高压直流电源、专用火花高压电源、稳压恒流电源、电极与控制机构、真空泵、真空计、阀门、实验气瓶及朗缪尔双探针采集模块等构成；仿真端据此构建高保真三维模型和对应控制面板，实现供气、抽气、放电、测量与分析全过程的虚实对应。

平台支持空气、氦气、氖气、氩气和氮气，可切换平行板或球形电极，调节极间距、气压、极板电压、探针位置和探针电压。学生可观察电晕、辉光、火花和弧光放电，记录击穿电压、电流、功率、场强、pd 值及双探针 I-V 数据。

平台设置“气体放电演示实验、帕邢定律验证、朗缪尔双探针实验”三个项目。学生先在虚拟环境中熟悉气瓶供气、真空调节、电源切换和高压安全要求，再按“选择实验—连接系统—设置参数—观察或测量—记录分析”的流程完成实验。

气体放电演示实验改变气体种类、气压、电极类型、极间距和供电条件，观察电晕、辉光、火花与弧光放电。电晕、辉光和弧光使用普通高压直流电源，火花使用专用火花高压电源，两个高压电源不得同时接入。 帕邢定律实验通过改变气压 p 和极间距 d，记录击穿电压 U_b，绘制 U_b-pd 曲线，观察击穿电压随 pd 先降低后升高的规律。 朗缪尔双探针实验在稳定辉光放电条件下扫描探针电压，得到双探针 I-V 曲线，并由曲线计算电子温度 T_e 和电子密度 n_e。

学习目标

认识气体放电实验仪、实验气瓶、真空系统及三类电源，掌握各部分的作用和安全边界。
了解低压空气从绝缘到击穿的大致过程，包括电离、电子崩和流柱形成。
能按要求完成抽气、供气、气体更换和高压电源切换，观察并区分四类典型放电现象。
会用气压 p、极间距 d 和击穿电压 U_b 的数据绘制帕邢曲线。
初步掌握朗缪尔双探针测电子温度和电子密度的方法。

实验原理

极间距 d 改变平均电场强度 E = Ud，也会影响电子的加速路径。
气压 p 会改变电子平均自由程，所以同样的电压下，放电情况可能完全不同。
气体种类决定电离能、碰撞截面和帕邢参数，因此空气、氦气、氖气、氩气和氮气的击穿电压及发光颜色不同。
电极形状会影响电场分布。平行板适合做定量测量，球形或曲率较大的位置更容易出现局部场强增强。

帕邢定律

在近似均匀电场中，击穿电压 U_b 主要和气压 p、极间距 d 的乘积 pd 有关。pd 太小时，电子碰撞次数不够；pd 太大时，电子虽然碰撞频繁，但每次碰撞前获得的能量不足。因此 U_b-pd 曲线通常先下降、后上升，中间会出现一个最小击穿电压。

U_b = Bpd ln(Apd) - ln[ln(1 + 1/γ)]

四类典型放电现象

放电类型	形成条件	现象特征	物理含义
电晕放电	电极曲率半径小或局部场强很强	出现较暗的局部放电微光	气体在局部强电场中被激发和电离
辉光放电	低压条件下，两极电压较高且电流较小	发光空间呈明暗相间的光层分布	正离子轰击阴极产生二次电子，维持稳定放电
火花放电	断开普通高压直流电源后，使用专用火花高压电源使气体瞬时击穿	突然出现明亮火花，并向对面电极伸展细光束	瞬时击穿形成短暂导电通道
弧光放电	辉光放电电流继续增大并转入大电流状态	两极间呈现非常明亮的连续弧光	电流密度大、极间电压低，热效应显著

供气、抽气与电源切换

实验气瓶经减压阀、气管和阀门向真空腔体供气，真空泵用于抽气并建立目标低压环境。更换气体前应关闭高压电源，将腔体抽至低压，再切换气管连接并缓慢进气。普通高压直流电源与专用火花高压电源具有互锁要求，任何时刻只能使用其中一个；稳压恒流电源仅用于朗缪尔双探针扫描回路。

朗缪尔双探针诊断

朗缪尔双探针由两个形状、尺寸和材料相同的金属探针组成。实验时把探针放入稳定的辉光放电区域，逐步改变双探针电压，并记录回路电流，就能得到 I-V 伏安特性曲线。后续再结合曲线斜率、离子饱和电流和探针面积，计算电子温度 T_e 和电子密度 n_e。

实验内容

认识仪器与安全连接了解真空腔体、电极、控制仪、真空系统、实验气瓶、普通高压直流电源、专用火花高压电源、稳压恒流电源和双探针，明确接地、限流与电源互锁要求。

完成抽气、供气与换气操作真空泵、阀门和气管连接，先抽气、再接气瓶缓慢进气，建立空气、氦气、氖气、氩气或氮气实验条件。

气体放电演示实验改变气体、电压、气压、电极类型或极间距，观察电晕、辉光、火花、弧光的形成条件、空间形态、颜色和稳定性并记录现象。

验证帕邢定律调节平行板或球形电极的间距 d，改变真空罩内气压 p，记录刚发生击穿时的电压 U_b，并绘制 U_b-pd 曲线。

朗缪尔双探针实验将放电调到稳定辉光状态，扫描 0–32 V 探针电压并记录回路电流，生成双探针 I-V 曲线。

分析与导出结果比较不同气体和放电状态，根据曲线拟合帕邢参数或计算电子温度 T_e、电子密度 n_e，导出 CSV、PNG 和实验报告。

实验仪器

真实实验采用自研的气体放电与等离子体综合实验仪，并配套实验气瓶、真空系统及三类电源。装置集供气与抽气、高压放电、电极调节、双探针诊断及数据采集于一体，可完成气体放电演示、帕邢定律验证和朗缪尔双探针测量。

真实部件	实验作用	虚拟平台对应功能
真空罩	提供密闭、可调气压的气体放电环境。	三维放电区域、气体状态和腔体气压显示。
实验气瓶、减压阀与气管	提供氦气、氖气、氩气、氮气等实验气体，并控制安全进气。	气体选择、气管在抽气泵与气瓶之间切换及进气流程。
真空计、XZ-4 抽气泵与阀门	抽出真空罩内气体，配合进气建立目标气压。	阀门操作、抽气与进气互锁、气压调节和读数。
气体放电与等离子控制仪	驱动电极和探针机构，调节极间距及探针位置。	自动或手动极间距调节、探针上下左右移动。
平行板电极与球形电极	形成不同电场分布，用来比较不同电极条件下的放电规律。	电极类型切换、极间距 d 调节和场强显示。
普通高压直流电源与限流电阻	为电晕、辉光、弧光演示及帕邢击穿测量提供可调高压，并限制放电电流。	主电源电压调节、击穿判定、电流与功率读数。
专用火花高压电源	在普通高压直流电源断开后提供火花放电所需的瞬时高压。	火花电源连接检查、独立开关和火花放电演示。
稳压恒流电源	为朗缪尔双探针提供扫描电压并读取探针回路电流。	探针电压调节、回路电流读数和手动数据记录。
朗缪尔双探针	伸入辉光放电区域，测量双探针伏安特性。	探针位置、探针电压、电流采样和 I-V 曲线。

实验指导

安全边界

真实高压设备通电状态下禁止接触直流稳压电源线金属部分和电极。
普通高压直流电源、专用火花高压电源、真空泵和实验装置底板必须可靠接地。
普通高压直流电源与专用火花高压电源不得同时接入；切换电源前必须先断电。
气瓶必须固定，使用匹配的减压阀并缓慢开启；切换气管前应关闭气瓶阀和真空泵。
更换电极、调整电极、打开真空室上盖前必须断电并放气。
放电后的电极温度较高，接触前必须完成冷却。
双探针移动过程中不得与阳极极板直接接触。

操作流程

气体放电演示实验
1. 选择气体和电极类型，确认装置、真空泵及高压电源可靠接地。
2. 关闭进气阀，将气管接抽气泵，按阀门流程抽气；需要更换气体时先抽至低压，再关闭真空泵并将气管切换至气瓶。
3. 缓慢进气至目标气压，使用气体放电与等离子控制仪设置极间距。
4. 观察电晕、辉光和弧光时使用普通高压直流电源，逐步升压并记录气体、气压、电极、极间距、电压和现象。
5. 观察火花前先关闭并断开普通高压直流电源，检查专用火花高压电源连接后再单独接通；观察完成后立即关闭。
6. 更换气体或电极前关闭所有高压电源，按抽气—换气—进气流程重新建立实验条件。
帕邢定律验证
1. 优先选择平行板电极，按供气与抽气流程建立目标气体和气压 p。
2. 使用控制仪设置极间距 d，确认普通高压直流电源和限流回路连接正确。
3. 缓慢升压，根据电流、功率和放电形态突变判定击穿，记录实测击穿电压 U_b。
4. 改变 p 或 d，记录不少于 10 组数据；同组实验只改变一个主变量。
5. 使用分析模块生成 U_b-pd 曲线和 A、B、γ 拟合参数，并导出 CSV、PNG 或 Word 报告。
朗缪尔双探针实验
1. 使用平行板电极，完成接地、抽气和供气，设置极间距 d 与气压 p。
2. 使用普通高压直流电源建立稳定辉光放电；专用火花高压电源保持关闭。
3. 使用控制仪将双探针移动至合适的辉光区域，避免探针与极板接触。
4. 打开稳压恒流电源，手动扫描探针电压并记录回路电流，或使用自动扫描功能采集数据。
5. 生成 I-V 曲线，计算电子温度和电子密度，导出 CSV、PNG 或 Word 报告。

数据记录规则

击穿电压读取击穿瞬间的电压值，并结合电流或功率突变判断。
同一组实验中保持一个主变量变化，其余条件尽量一致。
放电演示记录气体种类、电极类型、气压、极间距、供电方式和放电现象；火花实验须单独注明使用专用火花高压电源。
帕邢曲线实验记录 p、d、pd、U_b 四类数据。
双探针实验记录探针电压 U_p 与探针电流 I_p。

在线演示

在线演示模块以三维装置为核心界面，展示“抽气与供气—设置参数—选择电源—触发放电—记录与分析”的完整闭环，覆盖气体放电演示、帕邢定律验证和朗缪尔双探针测量三个实验项目。

装置与流程导入展示真空腔体、电极、实验气瓶、真空泵、三类电源和双探针，建立真实仪器与虚拟模型之间的对应关系。

抽气与供气演示阀门操作、气管切换、抽气、进气和换气流程，比较空气、氦气、氖气、氩气和氮气条件。

气体放电演示按安全要求切换普通高压直流电源或专用火花高压电源，显示电晕、辉光、火花、弧光的空间形态和稳定性。

数据分析生成 U_b-pd 曲线或 I-V 曲线，由曲线读取物理规律和等离子体诊断参数。

演示视频下载

点击对应按钮即可下载演示视频。

01

界面及装置介绍认识实验平台界面与主要仪器结构

待配置

02

气体放电演示实验演示抽气供气、电源切换及四类放电现象

待配置

03

帕邢定律演示参数设置、数据记录与曲线分析

待配置

04

朗缪尔双探针演示探针测量与等离子体参数诊断

待配置

实验指导书下载

下载区提供实验学习、数据记录和报告撰写所需文件。文件围绕实验前准备、实验中记录、实验后分析三个阶段组织，帮助学生把在线操作结果转化为规范实验成果。

文件名称	主要内容	使用阶段
气体放电演示实验操作步骤	抽气、供气、换气、电源切换及电晕、辉光、火花、弧光观察流程。	演示实验前与实验中
帕邢定律实验操作步骤	击穿测量、变量控制、数据记录和高压安全要求。	帕邢实验前与实验中
帕邢定律数据表	p、d、pd、U_b 数据记录表，曲线绘图区域。	击穿电压测量
朗缪尔双探针数据表	U_p、I_p 数据记录表，I-V 曲线分析区域。	等离子体诊断
实验报告模板	实验目的、原理、步骤、数据、图像、结论与反思。	实验后

下载气体放电演示实验操作步骤下载帕邢定律实验操作步骤下载帕邢定律实验报告下载朗缪尔双探针实验报告

实验报告

实验报告围绕“实验目的—理论基础—操作过程—现象或数据结果—物理分析—结论反思”展开。气体放电演示应完整记录气体、供电方式和放电现象；帕邢与双探针实验还应附原始数据、拟合曲线和参数结果。

报告部分	写作内容	评价重点
实验目的	气体放电演示、帕邢定律验证或双探针诊断的具体目标。	目标与所选实验及后文结果对应。
实验原理	气体击穿、放电类型、帕邢定律或双探针诊断公式。	概念准确、公式符号清晰。
实验步骤	按时间顺序记录抽气供气、参数设置、电源切换、启动放电和采集结果。	过程可复现且符合安全要求。
现象记录	记录气体、气压、电极、供电方式及电晕、辉光、火花或弧光的形态与颜色。	条件完整、现象描述客观。
结果处理	绘制 U_b-pd 曲线或 I-V 曲线，计算 T_e 和 n_e。	图像规范、分析具有物理解释。
误差分析	气压读数、极间距、环境温湿度、模型校准和操作因素。	能区分理论模型与实验现实。

课后自评

请按顺序完成课后自评题。每次只显示一道题，完成思考后可查看答案，再进入下一题。

第 1 题