Development of Small-scale Plasma Experiments for an Undergraduate Laboratory

Abstract

In this paper we describe some simple low cost experiments for developing plasma physics at undergraduate level. A discharge tube was fabricated to (i) study variation of breakdown voltage with distance and pressure, (ii) estimate charge densities and (iii) estimate electron energies in argon and air discharge. The charge densities measured using Johnson- Malter's double probe method for argon and air were 6.0n1014 electrons m-3 and 4.1n1014 electrons m-3 respectively. The corresponding electron energies determined for argon gas discharge and air discharge were 1.0 n 10-18 J and 9.6 n 10-19 J respectively. These quantities were determined at 1 torr pressure. The minimum breakdown voltage for argon was 900 V at 7 torr. This gave a value of the product of pressure and separation of electrodes10 torr-mm, but at constant 2 mm separation of electrodes the value was 7.5 torr-mm at the same breakdown voltage of 900 V. The Paschen's and the Townsend's laws were also verified under present experimental conditions. Keywords: plasma, electron temperature, electron energy, paschen, townsend Résumé Dans cet article nous décrivons des expériences simples et peu chères de laboratoire de physique des plasmas pouvant être menées dans le cadre des travaux pratiques par les étudiants au niveau du baccalauréat. Un tube de décharge a été fabriqué pour étudier (i) la variation de décharge d'une tension selon la distance et la pression, (ii) évaluer les densités de charge et (iii) évaluer les énergies électroniques dans des décharges d'argon et d'air. Les densités de charge mesurées par la méthode d'un couple de sondes Johnson- Malter dans l'argon et l'air, étaient respectivement de 6.0n1014 électrons par m3 et de 4.1n1014 électrons par m3 Les énergies électroniques correspondantes, déterminées par la décharge pour le gaz d'argon et l'air étaient de 1.0 n 10-18 J et de 9.6 n 10-19 J respectivement. Ces quantités ont été déterminées à 1 torr de pression. La tension de décharge minimale pour l'argon était 900 V à 7 torr. Ceci a donné la valeur du produit de la pression par l'écartement des électrodes de 10 torr-mm, mais avec un écartement constant de 2 mm entre les électrodes, la valeur était de 7,5 torr-mm à la même tension de décharge de 900 V. Les lois de Paschen et Townsend ont été également vérifiées dans des conditions de la présente expérience. Mots-clés: plasma, température électronique, énergie électronique, paschen, townsend (Discovery and Innovation: 2002 14 (3-4): 169-178)