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、直流电源、电极、真空泵、真空计及朗缪尔双探针采集模块等构成；仿真端据此构建了高保真的三维模型，并设计了功能完全对应的参数控制面板，确保虚实结合的一致性。

实验对象主要是气体放电。进入实验后，可以调节极间距、气压、极板电压、探针位置和探针电压，观察电晕、辉光、火花、弧光等现象，同时记录击穿电压、电流、功率、场强、pd 值和双探针 I-V 数据。

设计这个虚拟环节，是为了让学生在接触真实高压装置前先熟悉仪器和现象。正式实验时，再按照“认识仪器、调整参数、观察放电、记录数据、处理曲线”的顺序完成帕邢定律验证和等离子体参数测量。

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的主要部件，知道各部分在实验中的作用。
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。
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。
能区分电晕、辉光、火花和弧光放电的现象特点。
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。
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	直流稳压电源电压足以击穿气体，但功率不足以长期维持	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

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

认识仪器先了解直流稳压电源、电极、真空罩、抽气泵、真空计、双探针、万用表和物联网模块，明确各部件在实验中的作用。

观察四种气体放电改变电压、气压或极间距，观察电晕、辉光、火花、弧光分别在什么条件下出现，记录看到的现象。

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。

进行双探针测量把放电调到比较稳定的辉光状态，扫描 0-32 V 探针电压，记录电流，得到双探针伏安特性曲线。

计算等离子体参数根据 I-V 曲线求电子温度 T_e 和电子密度 n_e，并讨论探针位置等因素带来的误差。

实验仪器

真实实验使用的是自制物联网气体放电实验仪。它把高压供电、真空控制、电极调节、双探针测量和数据采集放在同一套装置中，既能直接观察放电现象，也能完成帕邢定律和朗缪尔双探针相关测量。

真实部件	实验作用	虚拟平台对应功能
真空罩	提供密闭的实验环境。	放电区域。
直流稳压电源	给电极提供可调直流电压，用于观察放电和测量击穿电压。	极板电压调节、击穿判断、电压与功率读数。
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。
真空计、XZ-4 抽气泵与阀门	抽出真空罩内空气，并调节实验气压。	气压调节、pd 计算和气压读数。
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。
万用表	测量电压、电流等参数。	仪表示数和结果分析。

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。
直流稳压电源、真空泵和实验装置底板必须可靠接地。
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

选择帕邢定律验证实验（观察四种放电现象）
1. 选择或确认电极类型，帕邢定律验证建议使用平行板电极。
2. 确认接地（密封罩后方光标指示处）。
3. 点击气压计调节气压 p。
4. 点击气体放电与等离子控制仪调节极板间距（F1 自动执行，按下数字，点击确认即可；F2 手动调节）。
5. 点击直流稳压电源逐步调节两极板电压 U，启动放电并观察放电状态（共有四种）。
6. 在数据记录面板记录 p、d、U_b。
7. 使用分析模块生成曲线、拟合参数，并导出 CSV/PNG 作为报告素材。
朗缪尔双探针实验
1. 选择或确认电极类型，使用平行板电极。
2. 确认接地。
3. 设置极板间距 d 和气压 p，调节直流稳压电源电压至稳定辉光放电。
4. 确认探针位置合适（气体放电与等离子控制仪右下角上下左右按键，默认位置已调好）。
5. 调节探针电压，读出探针回路电流。
6. 使用分析模块生成曲线、拟合参数，并导出 CSV/PNG 作为报告素材。

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。
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“调节参数—触发放电—读取数据—进入分析”的完整闭环。演示过程从宏观装置认知进入参数控制，再进入放电类型对比和定量曲线分析。

装置导入展示真空腔体、电极、高压电源、真空泵和探针位置，建立真实仪器与虚拟模型之间的对应关系。

参数调节改变极间距、气压、电压、探针高度和探针电压，观察参数变化对 pd、场强和击穿阈值的影响。

现象观察显示电晕、辉光、火花、弧光等放电效果，比较不同放电类型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。

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
实验操作手册	安全边界、仪器结构、实验流程、数据记录格式。	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

下载实验指导书

实验报告

实验报告围绕“实验目的—理论基础—操作过程—数据结果—物理分析—结论反思”展开。报告应客观描述实验条件、参数来源、图像结果和误差因素，避免只罗列现象。

报告部分	写作内容	评价重点
实验目的	四类放电观察、帕邢定律验证、双探针诊断目标。	目标与后文数据对应。
实验原理	气体击穿、帕邢定律、放电类型、双探针公式。	概念准确、公式符号清晰。
实验步骤	按时间顺序记录参数设置、启动放电、采集数据和导出结果。	过程可复现。
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