DHPD-1型等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀

1、等離子體發(fā)生技術(shù)及應(yīng)用DHPD-1型等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀（附實(shí)驗(yàn)講義）使用說明書杭州大華科教儀器研究所杭州大華儀器制造有限公司一、氣體放電原理干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當(dāng)氣體中存在自由帶電粒子時(shí)，它就變?yōu)殡姷膶?dǎo)體。這時(shí)如在氣體中安置兩個(gè)電極并加上電壓，就有電流通過氣體，這個(gè)現(xiàn)象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。20世紀(jì)70年代以來激光導(dǎo)引放電、電子束維持放電等新的放電形式，也日益受到人們的重視。氣體放電的基本物理過程，氣體放電總的過程由一些基本過程構(gòu)成，這些基本過程是

2、：激發(fā)、電離、消電離、遷移、擴(kuò)散等?；具^程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。激發(fā)  荷能電子碰撞氣體分子時(shí)，有時(shí)能導(dǎo)致原子外殼層電子由原來能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。這個(gè)現(xiàn)象，稱為激發(fā)；被激發(fā)的原子，稱為受激原子。要激發(fā)一個(gè)原子，使其從能級(jí)為E1的狀態(tài)躍遷到能級(jí)為Em的狀態(tài)，就必須給予(Em- E1)的能量；這個(gè)能量所相應(yīng)的電位差設(shè)為Eve，則有EveEm- E1電位ve稱為激發(fā)電位。實(shí)際上，即使電子能量等于或高于激發(fā)能量，碰撞未必都能引起激發(fā)，而是僅有一部分能引起激發(fā)。引起激發(fā)的碰撞數(shù)與碰撞總數(shù)之比，稱為碰撞幾率。受激發(fā)后的原子停留在激發(fā)狀態(tài)的時(shí)間很短暫（約為10-6秒），便從能量為E

3、m的狀態(tài)回復(fù)到能量為E1的正常狀態(tài)，并輻射出能量為hv（h為普朗克常數(shù)；v為輻射頻率）的光量子。氣體放電時(shí)伴隨有發(fā)光現(xiàn)象，主要就是由于這個(gè)原因。在某些情況下，受激原子不能以輻射光量子的形式自發(fā)回到正常狀態(tài)，這時(shí)便稱為處于亞穩(wěn)狀態(tài)，處于亞穩(wěn)狀態(tài)的原子稱為亞穩(wěn)原子。亞穩(wěn)原子可以借助兩種過程回復(fù)到正常狀態(tài)：一是由電子再次碰撞或吸收相應(yīng)的光量子，升到更高的能級(jí)，然后從這個(gè)能級(jí)輻射出光量子而回到常態(tài)。另一是通過與電子碰撞將能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，它本身回到常態(tài)。亞穩(wěn)原子的壽命約為10-410-2秒；由于它壽命較長(zhǎng)，在放電中常常起重要的作用。當(dāng)受激原子尚未回到基態(tài)時(shí)，如受到電子的再次碰撞就可能轉(zhuǎn)入更高的激發(fā)

4、態(tài)。這種由多次碰撞往高能級(jí)激發(fā)的現(xiàn)象稱為累積（逐次）激發(fā)。電離  電子與原子碰撞時(shí)，若電子能量足夠高，還會(huì)導(dǎo)致原子外殼層電子的脫落，使原子成為帶正電荷的離子。與激發(fā)的情況類似，電子的動(dòng)能必須達(dá)到或大于某一數(shù)值eVi，碰撞才能導(dǎo)致電離。Vi稱為電離電位，其大小視氣體種類而定。同樣，即使能量高于電離能，碰撞也僅有一部分能引起電離。引起電離的碰撞次數(shù)與總碰撞次數(shù)之比，稱為電離幾率。如果受激原子由于電子再次碰撞而電離、則稱為累積（逐次）電離。在氣體放電中還有一類重要的電離過程，即亞穩(wěn)原子碰撞中性分子使后者電離的過程。這種過程只有在亞穩(wěn)原子的亞穩(wěn)電位高于中性分子的電離電位（如氖的亞穩(wěn)原子碰撞氬

5、原子）時(shí)才可能出現(xiàn)。這個(gè)過程稱為潘寧效應(yīng)。消電離  如果將一切電離因素都去掉，則已電離的氣體，會(huì)逐漸恢復(fù)為中性氣體，這稱為消電離。消電離的方式有三種：電子先與中性原子結(jié)合成為負(fù)離子，然后負(fù)離子與正離子碰撞，復(fù)合成為兩個(gè)中性原子。電子和正離子分別向器壁擴(kuò)散并附于其上，復(fù)合后變?yōu)橹行栽与x去。電子與正離子直接復(fù)合。遷移  在電場(chǎng)作用下，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，一方面沿電力線方向運(yùn)動(dòng)，不斷獲得能量；一方面與氣體分子碰撞，作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，不斷損失能量。經(jīng)若干次加速碰撞后，它們便達(dá)到等速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)其平均速度u與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比UKE系數(shù)K稱為電子（離子）遷移率。對(duì)于離子，K是一

6、個(gè)常數(shù)；對(duì)于電子，它并不是一個(gè)常數(shù)，而與電場(chǎng)強(qiáng)度E有關(guān)。擴(kuò)散  當(dāng)帶電粒子在氣體中的分布不均勻時(shí)，就出現(xiàn)沿濃度遞減方向的運(yùn)動(dòng)，這稱為擴(kuò)散。帶電粒子的擴(kuò)散類似于氣體的擴(kuò)散，也有自擴(kuò)散和互擴(kuò)散兩種。擴(kuò)散現(xiàn)象用擴(kuò)散系數(shù)來描述，它是帶電粒子擴(kuò)散能力的一種量度。多種帶電粒子同時(shí)存在于氣體時(shí)，擴(kuò)散現(xiàn)象變得復(fù)雜。其中特別重要的一種情況是電子、正離子濃度相等（即等離子體）的情況，這時(shí)出現(xiàn)所謂雙極性擴(kuò)散。這是兩種異號(hào)帶電粒子相互牽制的擴(kuò)散，其基本特征是：電子由于質(zhì)量小、擴(kuò)散得較快；離子由于質(zhì)量大，擴(kuò)散得較慢。結(jié)果電子走在前方，于是兩種電荷間出現(xiàn)一個(gè)電場(chǎng)（約束電場(chǎng)），這電場(chǎng)牽引正離子使它跟上去。兩種帶電

7、粒子的擴(kuò)散速率始終一致，但電子總是在前方，離子則在其后。在管壁附近，雙極性擴(kuò)散受到管壁的影響。此時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)速度快，先附于管壁，使管壁帶負(fù)電位。負(fù)電位阻止后來電子的抵達(dá)，但吸引正離子，在其附近形成正電荷鞘層。在鞘層中，電子的濃度隨著接近管壁而遞減，最終自動(dòng)調(diào)整到每秒飛上管壁的電子數(shù)恰好等于飛上的正離子數(shù)。二、儀器結(jié)構(gòu)及說明結(jié)構(gòu)說明：儀器采用的是一體化設(shè)計(jì)，頂部是放電管及水冷部分，高壓加在放電管兩端，外面采用聚四氟乙烯絕緣材料絕緣防止漏電，冷卻水通過兩端的循環(huán)水冷套對(duì)放電管進(jìn)行冷卻，放電管內(nèi)附兩組鎢絲，可利用等離子體診斷技術(shù)測(cè)定等離子體的一些基本參量。測(cè)量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空

8、系統(tǒng)安裝在機(jī)箱的內(nèi)部。三、儀器主要配置及組成DHPD-1等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀裝置包括可拆卸的氣體放電管、測(cè)量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)等部分組成，具有結(jié)構(gòu)合理、調(diào)節(jié)方面、測(cè)量參數(shù)多等特點(diǎn)。氣體放電管：采用玻璃燒結(jié)而成，內(nèi)附兩組鎢絲探針。及兩邊采用不銹鋼材料制成的水冷套及放電管固定托架。測(cè)量系統(tǒng)：包括輝光電壓表、輝光電流表、探針電壓表、探針電流表、擊穿電壓測(cè)量放電管電壓表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍是02000V，測(cè)量精度2%輝光電流表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍是02A，共分5檔，測(cè)量精度0.5%探針電壓表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍：0±200V，測(cè)量精度0.5%探針電流表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍：020

9、mA，測(cè)量精度0.5%；擊穿電壓測(cè)量：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍：02V，測(cè)量精度0.5%；測(cè)量系統(tǒng)包括兩組直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：一組放電管工作電壓，調(diào)節(jié)范圍是01500V，另一組為探針測(cè)量電源，調(diào)節(jié)范圍是0±100V，穩(wěn)定度0.5%。真空系統(tǒng)：采用2XZ-2型旋片真空泵，對(duì)密封容器抽除氣體而獲得真空，真空的測(cè)量采用熱偶真空計(jì)，用于測(cè)量本底真空和工作時(shí)的工作氣壓。真空的密封采用金屬和橡膠密封；真空調(diào)節(jié)采用隔膜閥粗調(diào)和微調(diào)閥精細(xì)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)快速方便、穩(wěn)定性好。2XZ-2型旋片真空泵主要技術(shù)指標(biāo)：1） 工作電壓：AC220V/50 Hz 2）抽氣速率：2L/S3）極限壓力：6×101 Pa

10、 4）電機(jī)功率：0.37KW5）進(jìn)氣口內(nèi)徑：25mm 6）用油量：0.65L7）噪聲：72LwdB(A)進(jìn)氣系統(tǒng)：進(jìn)氣通過金屬管路聯(lián)接，可通入不同的工作氣體，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氣體的流量，同時(shí)通過高真空微調(diào)閥調(diào)節(jié)，達(dá)到控制放電管中的工作壓強(qiáng)。四、技術(shù)參數(shù)及特性1、工作電壓： AC220V±5% 50HZ2、整機(jī)功率： 最大功率1.5KW4、整機(jī)重量： 約100Kg5、外形尺寸(mm)： 長(zhǎng)1000×寬660×高12306、放電管：30× 350mm7、電極距離：30320mm 可調(diào)8、工作氣壓：10Pa200Pa9、工作電壓：0V1500V連續(xù)可調(diào)，電壓

11、穩(wěn)定度1%10、放電電流：10-6A0.3A可測(cè)11、探針工作電壓：0±100V，穩(wěn)定度0.5%12、探針電流測(cè)量范圍：020mA五、設(shè)備安裝及調(diào)試1、安裝環(huán)境要求1）、電源： AC220V，50Hz，最大功率1.5KW2）、溫度、濕度、氣源及冷卻水：應(yīng)保障設(shè)備工作穩(wěn)定正常3）、安裝室：室內(nèi)整潔，空氣流通，無(wú)塵埃。4）、接地線：室內(nèi)具有獨(dú)立接地線32、安裝順序1）、確認(rèn)安裝環(huán)境滿足設(shè)備安裝要求2）、檢查設(shè)備良好情況（檢查在運(yùn)輸過程中是否造成損壞）3）、檢查放電管及放電管部件是否完好無(wú)損4）、安裝放電管部件托架。5）、確認(rèn)各電氣部件完好無(wú)損。6）、連接真空管路及真空橡膠管。7）、連接好

12、設(shè)備地線。8）、關(guān)閉流量計(jì)，連接好外接氣源。六、設(shè)備操作使用及注意事項(xiàng)1）、檢查確認(rèn)設(shè)備各部件完好，連接安全（注意接地）。2）、接通總電源，打開總電源開關(guān)旋鈕，確認(rèn)冷卻水箱水容量打開冷卻水開關(guān)按鈕。3）、打開隔膜閥，確認(rèn)氣路連接規(guī)范完好后打開真空泵開關(guān)按鈕，抽放電管內(nèi)真空。4）、打開電阻真空計(jì)電源開關(guān)，測(cè)量此時(shí)反應(yīng)室的壓強(qiáng)，抽真空約15分鐘使放電管內(nèi)真空達(dá)到所需要求。測(cè)量放電管內(nèi)的本底真空，真空度優(yōu)于10Pa。6）、將高壓輸出線加在放電管兩端，注意：在實(shí)驗(yàn)過程中禁止用手去觸摸高壓電源線以及放電極桿，防止觸電。7）、將功能選擇開關(guān)打在“放電電流測(cè)量”檔，開啟高壓開關(guān)按鈕，緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)

13、節(jié)到一定的電壓時(shí)，放電管內(nèi)將將產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象。8）、關(guān)閉隔膜閥，開啟流量計(jì)開關(guān)，調(diào)節(jié)一定的流量，給真空室輸送工作氣源，同時(shí)調(diào)節(jié)微調(diào)閥使工作氣壓達(dá)到所需要求。9）、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將高壓電源調(diào)至0，關(guān)閉高壓開關(guān)按鈕，關(guān)閉氣路，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉冷卻水，關(guān)閉總電源，拔掉總電源線。七、設(shè)備維護(hù)1、定期更換冷卻水，清洗冷卻水箱，保證循環(huán)水系統(tǒng)的正常工作。2、在放電管壁受到污染時(shí)及時(shí)打開真空反應(yīng)室，清潔放電管管壁（避免用尖銳物體劃傷放電管內(nèi)壁）。3、所有電氣旋鈕及開關(guān)狀態(tài)在使用前一定要確認(rèn)是否在“原始”狀態(tài)。4、真空系統(tǒng)維護(hù)：1）、注意真空泵換油；2）、注意反應(yīng)室及管道清潔；3）、注意密封面清潔；4）、真空

14、系統(tǒng)停機(jī)前先關(guān)真空計(jì)電源，然后再進(jìn)行其它操作5）、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將真空室報(bào)空。八、常見故障及解決辦法真空計(jì)指示不正常?？赡茉颍阂?guī)管或傳感器上的輸出線脫落或松脫，規(guī)管或傳感器內(nèi)進(jìn)油被污染。處理辦法：檢查接線，如進(jìn)油，將規(guī)管或傳感器撤下用乙醇溶液小心清洗，并風(fēng)干。1-1 氣體放電特性與原理 氣體放電一般是指在電場(chǎng)作用下或其他激活方法使氣體電離，形成能導(dǎo)電的電離氣體，如果電離氣體是通過電場(chǎng)產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象稱為氣體放電。氣體放電應(yīng)用較廣的形式有電暈放電、輝光放電、無(wú)聲放電（又稱介質(zhì)阻擋放電）、微波放電和射頻放電等，氣體放電性質(zhì)和采用的電場(chǎng)種類及施加的電場(chǎng)參數(shù)有關(guān)。下面以一個(gè)典型的氣體放電實(shí)驗(yàn)為例來說明放

15、電特性。如圖（1）所示為直流放電管電路示意，放電管是一個(gè)低壓玻璃管，管兩端接有直流高壓電源的圓形電極，圖中R是可調(diào)式限流電阻，用以測(cè)量電流電壓特性，亦稱放電伏安特性，Va為直流電源，V是放電管的極間電壓，是放電電流。在電極兩端施加電壓時(shí)，通過調(diào)節(jié)電阻R值可得到氣體放電的伏安特性，如圖（2）所示，圖（1） 直流放電管電路示意圖由氣體放電的伏安特性曲線可看出，開始在A、B點(diǎn)間電流隨電壓的增加而增加，但此時(shí)電流上升變化得較緩慢，表明放電管中氣體電離度很小，繼續(xù)提高電壓，電流不再增加，呈本底電離區(qū)的飽和狀態(tài)，繼續(xù)提高電壓，電流會(huì)迅速地呈指數(shù)關(guān)系上升，從C到E區(qū)間，這時(shí)電壓較高但電流不大，放電管中也無(wú)明

16、亮的電光，自E點(diǎn)起，再繼續(xù)提高電壓，發(fā)生了新的變化，此時(shí)電壓不但不增高反而下降，同時(shí)在放電管內(nèi)氣體發(fā)生了電擊穿，觀測(cè)到耀眼的電光，這時(shí)因電離而電阻減小，但電流開始增長(zhǎng)，在E點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的電壓VB稱為氣體的擊穿電壓。放電轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電，電流開始上升而電壓一直下降到F點(diǎn)，然后電流繼續(xù)上升但電壓恒定不變直到G點(diǎn)，而后電壓隨電流的增加而增加到H點(diǎn)，放電轉(zhuǎn)入較強(qiáng)電流的弧光放電區(qū)。I和J之間是非熱弧光區(qū)，電流增加電壓下降，在J和K之間是熱弧光區(qū)，等離子體接近熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)平衡，從I到K的弧光放電區(qū)屬于熱等離子特性，在等離子體化學(xué)中很少應(yīng)用。圖（2）氣體放電伏安特性曲線AB段為非自持放電本底電離區(qū)； BC段為非

17、自持放電飽和區(qū)；CE段為湯森放電區(qū)； DE段為電暈放電區(qū)；EF段為前期輝光放電區(qū)； FG段為正常輝光放電區(qū)；GH段異常輝光放電區(qū)； HK段為弧光放電區(qū)。、在外加電場(chǎng)保持一定時(shí)，如果需要外界輻射源才能持續(xù)放電時(shí)，放電為非自持放電；當(dāng)不需要外界輻射源就能保持持續(xù)放電則為自持放電。上述放電以湯森放電為例，簡(jiǎn)述下面的各種放電過程。1-2 湯森放電目前工業(yè)上應(yīng)用的一些等離子體過程多發(fā)生在湯森放電去，湯森是英國(guó)物理學(xué)家，第一個(gè)提出定量的氣體放電理論的科學(xué)家，其中涉及幾個(gè)重要的過程。（1）電子碰撞電離電離過程在放電過程中，設(shè)每個(gè)電子沿電場(chǎng)方向移動(dòng)1cm距離時(shí)與氣體分子或原子碰撞所能產(chǎn)生的平均電離次數(shù)為，則叫

18、作電子碰撞電離系數(shù)，也叫湯森第一電離系數(shù)。該系數(shù)表明了電子碰撞對(duì)電離過程的貢獻(xiàn)。湯森第一電離系數(shù)為 式中 p氣體壓力； Vi氣體分子的電離電位； E電場(chǎng)強(qiáng)度； A與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)獲得。湯森第一電離系數(shù)是與氣體種類有關(guān)，且由放電時(shí)E/p比值決定的數(shù)值，它影響著放電過程的電離效率，與電子數(shù)目和電流密度的增長(zhǎng)密切相關(guān)。在平行板電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度E是恒定值。只要放電氣壓和溫度保持不變，即為定值。（2）正離子碰撞電離電離過程正離子碰撞電離系數(shù)以表示，系指一個(gè)離子在電場(chǎng)方向1cm行程中與氣體分子碰撞所產(chǎn)生的平均電離次數(shù)。研究可知，在相同電場(chǎng)條件下電子碰撞電離遠(yuǎn)大于正離子碰撞電離次數(shù)，也就是碰撞

19、電離系數(shù)>>。（3）陰極二次電子發(fā)射電離過程正離子轟擊陰極時(shí)，陰極發(fā)射二次電子的概率以表示。在電場(chǎng)作用的等離子體條件下，由陰極發(fā)射的電子在到達(dá)陽(yáng)極的過程中產(chǎn)生正離子，這些正離子撞擊陰極而使陰極發(fā)射二次電子。系數(shù)也叫湯森第二電離系數(shù)，它比湯森第一電離系數(shù)要小。氣體放電擊穿是一復(fù)雜過程，通常都是由電子雪崩開始，從初級(jí)電子電離相繼在串級(jí)電離過程中增值。一旦湯森電離系數(shù)隨電場(chǎng)增強(qiáng)而變得足夠大時(shí)，此時(shí)的電流就從非自持達(dá)到了自持過程，也就是發(fā)生了電擊穿。對(duì)于湯森放電擊穿的臨界電場(chǎng)中電壓VB的計(jì)算，可用下面的半經(jīng)驗(yàn)方程式來判斷。此方程稱為帕邢定律。1-3 帕邢定律（Paschen law）氣體擊

20、穿電壓VB是放電開始擊穿時(shí)所需的最低電壓，帕邢（F.Paschen）在湯森提出氣體放電擊穿理論之前便在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了在一定的放電氣壓范圍內(nèi)，氣體擊穿電壓VB是氣壓（P）極間距離（d）乘積的函數(shù)，即VB=f（Pd），這種函數(shù)關(guān)系被稱為帕邢定律。式中 湯森第二電離系數(shù)；A、B均為常數(shù)，它是與氣體種類和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的參數(shù)，可實(shí)驗(yàn)求取或查文獻(xiàn)得到。也可將式繪出帕邢曲線來表示氣體擊穿電壓VB與放電時(shí)氣壓和極間距離乘積Pd間的函數(shù)關(guān)系。1-4 氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離氣體粒子從激發(fā)態(tài)回到較低狀態(tài)或者被進(jìn)一步激發(fā)到更高的狀態(tài)是粒子從該激發(fā)態(tài)消失的可能途徑，這種過程稱之為氣體粒子的激發(fā)轉(zhuǎn)移，其中包括回到中性

21、低能態(tài)的消電離。電離氣體中的潘寧效應(yīng)、敏化熒光等都屬于這種過程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)膬煞N氣體組成的混合物中，其擊穿電壓會(huì)低于單純氣體的擊穿電壓。這種效應(yīng)稱為潘寧效應(yīng)。這種效應(yīng)的過程可以用簡(jiǎn)式表示為A*+BA+B+e+EA*是一種激發(fā)態(tài)原子與中性原子B碰撞，轉(zhuǎn)移激發(fā)能并使B原子電離的過程。從能量守恒的要求，A*原子的激發(fā)能應(yīng)該大于或至少等于B原子的電離能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A*的激發(fā)能約接近B的電離能，這種激發(fā)轉(zhuǎn)移的概率就越大。 當(dāng)A*是出于某個(gè)亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，即A*在該激發(fā)態(tài)有較長(zhǎng)的停留時(shí)間時(shí)，那就允許它與B原子有足夠長(zhǎng)的相互作用時(shí)間，因此發(fā)生潘寧效應(yīng)的概率就大了。對(duì)于上述過程，從左方看是激發(fā)態(tài)A*原子的消失，

22、從右方看是正離子B+的產(chǎn)生，因此潘寧效應(yīng)也是一種帶電粒子產(chǎn)生的機(jī)制。1-5 輝光放電由上圖所示的氣體放電特性曲線可知，越過電暈放電區(qū)后，若減小外電路電阻R，或提高全電路電壓，繼續(xù)增加放電功率，放電電流將不斷上升。同時(shí)輝光逐漸擴(kuò)展到兩電極之間的整個(gè)放電空間，發(fā)光也越來越明亮，叫做輝光放電。輝光放電是氣體放電的一種重要形式。低氣壓輝光放電的擊穿機(jī)制是，從陰極發(fā)射電子，在放電空間引起電子雪崩，由此產(chǎn)生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)射出更多電子。它是由電子雪崩的不斷發(fā)展而引起的放電。按其狀態(tài)，輝光放電又可分為三個(gè)不同階段，即前期輝光、正常輝光和異常輝光。由入土所示的伏安特性曲線的EG段對(duì)應(yīng)的是廣義的正常輝光

23、放電區(qū)。在EF段為前期輝光放電區(qū)，有如圖所示的伏安特性曲線可看出，它是由電暈放電到正常輝光放電之間的過渡區(qū)，位于伏安特性曲線的“DEFFD”段閉合的環(huán)形區(qū)是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域，實(shí)驗(yàn)研究表明，它是與放電條件有關(guān)的，隨機(jī)變化的，放電參數(shù)敏感區(qū)，為此，前期輝光放電區(qū)實(shí)際上也交叉著電暈放電區(qū)。越過F點(diǎn)之后，F(xiàn)G段為正常輝光區(qū)，其特定是電流隨電場(chǎng)輸入功率的增大而增加，但極間電壓幾乎保持不變，且明顯低于擊穿電壓（也叫著火電壓）。越過G點(diǎn)之后由圖看出，伏安特性曲線的電壓和電流呈急劇上升勢(shì)態(tài)達(dá)到H點(diǎn)，GH段為異常輝光放電區(qū)。輝光放電是一種復(fù)雜穩(wěn)定的自持放電過程，是低溫等離子體化學(xué)領(lǐng)域廣泛采用的放電形式。2 輝光放

24、電等離子體類型輝光放電等離子體常用的有以下幾種形式。直流輝光放電 直流輝光放電的典型條件是，放電管中配置兩個(gè)對(duì)向金屬電極且極間電場(chǎng)均勻，管內(nèi)氣壓置于1.331.33×104Pa之間的某個(gè)確定值，電源電壓高于氣體擊穿電壓VB，放電回路的限流電阻允許放電管通過毫安級(jí)以上的電流，即可產(chǎn)生輝光放電。如圖3所示為直流輝光放電時(shí)典型放電特性沿軸向變化的分布說明。其中表示了放電管中的區(qū)域結(jié)構(gòu)，分別為發(fā)光強(qiáng)度、等離子體電位、電場(chǎng)、凈電和密度等參數(shù)分布曲線。由圖可見，沿陰極到陽(yáng)極方向可劃分為明暗相間的八個(gè)區(qū)域，即阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽(yáng)極輝光區(qū)和陽(yáng)極暗區(qū)。其中，

25、前三個(gè)區(qū)域總稱為陰極位降區(qū)或簡(jiǎn)稱陰極區(qū)。但以上所述只是正常輝光放電的一種典型情況，并非所有輝光放電均如此。實(shí)際上輝光放電外觀有許多不同形式，與放電管形狀、尺寸、放電氣體的種類、氣壓、電極的形狀、大小、材質(zhì)以及極間距離等諸多因素有關(guān)。異常輝光放電 在低溫等離子體化學(xué)領(lǐng)域，通常采用短間隙異常輝光放電。其放電電位分布特定是等離子體具有放電空間最高電位，陰極鞘層主要發(fā)生電子碰撞電離和離子碰撞電離。電子碰撞電離作用主要來源于陰極二次電子發(fā)射致電子雪崩，離子碰撞電離也是陰極鞘中的電離機(jī)制之一。此外，還可能存在光電離機(jī)制。但即便是以上各種機(jī)制的加合也不能滿足擊穿判據(jù)。陽(yáng)極鞘層比陰極鞘層薄得多，顯然更不可能產(chǎn)

26、生強(qiáng)電離而達(dá)到氣體擊穿放電。其電位、電場(chǎng)分布情況是，陰極位降區(qū)的電位梯度很大，其后則比較平緩，因此只在陰極附近存在強(qiáng)電場(chǎng)。這就使得帶電粒子在陰極位降區(qū)的運(yùn)動(dòng)主要是電場(chǎng)作用下的遷移運(yùn)動(dòng)，而在正柱區(qū)占優(yōu)勢(shì)的則為無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)。電子雪崩是在電子定向運(yùn)動(dòng)超過它的無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)條件下發(fā)生的。因此，正是在陰極位降區(qū)“電子離子對(duì)”倍增，電離增長(zhǎng)很快。這也是陰極位降區(qū)稱為輝光放電必不可少部分的緣由?；趲щ娏Ｗ釉诓煌瑓^(qū)域的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不同，與管壁的關(guān)系也不一樣。在陰極區(qū)，由于定向運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，管壁對(duì)陰極位降區(qū)的發(fā)光和電位分布影響不大。正柱區(qū)則不然，由于快速電子先期到達(dá)管壁形成等離子體鞘，最終將產(chǎn)生徑向電位梯度。另外，由于等

27、離子體電位高于陽(yáng)極電位，所以陽(yáng)極也發(fā)射二次電子，并成為負(fù)輝區(qū)的電子源和能量源。但陽(yáng)極二次電子進(jìn)入負(fù)輝區(qū)以后又被逆向加速。在高頻交流電場(chǎng)中如此往復(fù)，因而形成電子振蕩。當(dāng)陽(yáng)極二次電子發(fā)射概率很大或陽(yáng)極尺寸太小時(shí)，陽(yáng)極電位逆轉(zhuǎn)，即陽(yáng)極電位高于等離子體負(fù)輝區(qū)電位，此時(shí)有一定的凈電子流到達(dá)陽(yáng)極。相應(yīng)地在距陽(yáng)極一定距離的區(qū)域內(nèi)形成由電子構(gòu)成的空間電荷層稱為電子鞘。高氣壓輝光放電 由正常輝光放電的理論分析可知放電電流密度隨氣壓的平方成正比例變化，所以高氣壓放電時(shí)電流密度顯著升高，放電管的維持電壓也非常高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于放電中出現(xiàn)了新的基本過程。當(dāng)氣壓高于105Pa時(shí)，陰極由于受到高速正離子轟擊而加熱

28、到很高的溫度，因而產(chǎn)生顯著的熱電子發(fā)射。這種發(fā)射比正離子轟擊陰極的二次電子發(fā)射有效得多。例如，在高氣壓和超高氣壓放電時(shí)，放電電流密度很大，陰極發(fā)射電流密度也很大。在高電流密度發(fā)射的狀態(tài)下，很容易使陰極局部溫度升高，從而局部面積上形成熱電子發(fā)射，這大大高于過程的二次電子發(fā)射效率。另一方面，高氣壓正柱區(qū)內(nèi)，氣體原子的溫度也明顯升高，可與電子溫度接近，因而可發(fā)生顯著的熱電離過程，同時(shí)正柱向軸向收縮，使熱效應(yīng)加劇，造成放電向弧光放電轉(zhuǎn)變，管壓降變低。為了維持穩(wěn)定的高氣壓輝光放電，必須嚴(yán)格控制熱效應(yīng)，加強(qiáng)外界的冷卻措施，使放電管很快散熱以保持冷的狀態(tài)。輝光放電氣體的高速流動(dòng)體系本身就可以提供這種冷卻條件

29、。若進(jìn)一步增加輝光放電的電流，當(dāng)其達(dá)到一定值時(shí)伏安特性會(huì)忽然“急轉(zhuǎn)直下”，管壓降徒降而放電電流大增，這表明放電機(jī)制發(fā)生了質(zhì)的變化，也就是從輝光放電過渡到弧光放電了?；」夥烹娨彩且环N穩(wěn)定的放電形式，其主要特點(diǎn)是陰極發(fā)射電子的機(jī)理與輝光放電不同，可能是熱發(fā)射或場(chǎng)致發(fā)射，管壓降很低，而放電電流很大，可以從0.1A到kA等量級(jí)。同時(shí)電極間整個(gè)弧區(qū)發(fā)出很強(qiáng)的光和熱。所發(fā)生的等離子體稱為電弧等離子體，屬于熱等離子體。由以上分析可知，在確定的放電條件下，隨伏安特性變化可能出現(xiàn)各種放電形式，實(shí)際上放電管內(nèi)條件和電路控制參數(shù)條件對(duì)放電特性的影響很大。當(dāng)放電氣體種類和組成一定時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和氣壓，這兩個(gè)可操作宏觀參

30、量是影響放電的關(guān)鍵性因素。也就是氣體放電等離子體的類型與電場(chǎng)強(qiáng)度E、氣壓P、電流密度間有一定關(guān)系。一般來說，在低氣壓、強(qiáng)電場(chǎng)條件下，電流密度小時(shí)易產(chǎn)生輝光放電，電流密度增大到一定值后，則過渡到弧光放電。實(shí)驗(yàn)一 直流低氣壓放電現(xiàn)象觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察直流低氣壓輝光放電等離子體的唯象結(jié)構(gòu)，通過對(duì)輝光等離子體的伏安曲線的測(cè)量，理解輝光等離子體的電學(xué)特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器 DHPD-1型 等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀三、實(shí)驗(yàn)原理 低氣壓放電可分為三個(gè)階段：暗放電、輝光放電和電弧放電。其中各個(gè)階段的放電在不同的應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。這三個(gè)階段的劃分從現(xiàn)象上來看是放電強(qiáng)度的不同，從內(nèi)在因素來看是其放電電壓和放電電流之

31、間存在作顯著差異。經(jīng)典的直流低氣壓放電在正常輝光放電區(qū)有如下示意圖：從左至右，其唯象結(jié)果如下：圖3、低氣壓放電現(xiàn)象陰極 陰極由導(dǎo)電材料制成，二次電子發(fā)射系數(shù)對(duì)放電管的工作有很大影響。阿斯頓(Aston)暗區(qū) 緊靠在陰極右邊的阿斯頓暗區(qū)，是個(gè)有強(qiáng)電場(chǎng)和負(fù)空間電荷的薄的區(qū)域它含有慢電子，這些慢電于正處于從陰極出來向前的加速過程中在這個(gè)區(qū)域里電子密度和能量太低不能激發(fā)氣體，所以出現(xiàn)了暗區(qū)。 陰極輝光區(qū) 緊靠在阿斯頓暗區(qū)右邊的是陰極輝光區(qū)這種輝光在空氣放電時(shí)通常是微紅色或桔黃色，是由于離開陰極表面濺射原子的激發(fā)，或外部進(jìn)人的正離子向陰極移動(dòng)形成的這種陰極輝光有個(gè)相當(dāng)高的離了密度陰極輝光的軸向長(zhǎng)度取決于

32、氣體類型和氣體壓力明極輝光有時(shí)緊貼在陰極上，并掩蓋阿斯頓暗區(qū) 陰極暗區(qū) 這是在陰極輝光的右邊比較暗的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)中等強(qiáng)度電場(chǎng)，有正的空間電荷和相當(dāng)高的離子密度 陰極區(qū) 陰極和陰極暗區(qū)至負(fù)輝光之間的邊界之間的區(qū)域叫做陰極區(qū)大部分功率消耗在輝光放電的極區(qū)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)被加速電子的能量高到足以產(chǎn)生電離，使負(fù)輝光區(qū)和負(fù)輝光右面的區(qū)域產(chǎn)生雪崩 負(fù)輝光區(qū) 緊靠在陰極暗區(qū)右邊的是負(fù)輝光區(qū)，在整個(gè)放電中它的光強(qiáng)度最亮負(fù)輝光中電場(chǎng)相當(dāng)?shù)?，它通常比陰極輝光長(zhǎng)，并在陰極側(cè)最強(qiáng)在負(fù)輝光區(qū)內(nèi)。幾乎全部電流由電子運(yùn)載，電子在陰極區(qū)被加速產(chǎn)生電離，在負(fù)輝光區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)激發(fā)。 法拉第暗區(qū) 這個(gè)區(qū)緊靠在負(fù)輝光區(qū)的右邊，在這

33、個(gè)區(qū)域里，由于在負(fù)輝光區(qū)里的電離和激發(fā)作用，電子能量很低，在法拉第暗區(qū)中電子數(shù)密度由于復(fù)合和徑向擴(kuò)散而降低。凈空間電荷很低，軸向電場(chǎng)也相當(dāng)小。 正電柱 正電柱是準(zhǔn)中性的，在正電柱中電場(chǎng)很小，一般是1vcm這種電場(chǎng)的大小剛好足以在它的陰極端保持所需的電離度。空氣中正電柱等離子體是粉紅色至藍(lán)色在不變的壓力下，隨著放電管長(zhǎng)度的增加陰極，正電柱變長(zhǎng)正電柱是個(gè)長(zhǎng)的均勻的輝光。除非觸發(fā)了自發(fā)不動(dòng)的或運(yùn)動(dòng)的輝紋，或產(chǎn)生了擾動(dòng)引發(fā)的電離波。 陽(yáng)極輝光區(qū) 陽(yáng)極輝光區(qū)是在正電柱的陽(yáng)極端的亮區(qū)，比正電柱稍強(qiáng)一些，在各種低氣壓輝光放電中并不總有。它是陽(yáng)極鞘層的邊界。陽(yáng)極暗區(qū) 陽(yáng)極暗區(qū)在陽(yáng)極輝光和陽(yáng)極本身之間，它是陽(yáng)極

34、鞘層，它有一個(gè)負(fù)的空間電荷，是在電子從正電柱向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)中引起的，其電場(chǎng)高于正電柱的電場(chǎng)。圖4、低壓放電實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、了解直流輝光放電等離子體裝置的工作原理，觀察直流輝光放電現(xiàn)象，畫出示意圖，并進(jìn)行分析。2、取3個(gè)不同的工作氣壓，測(cè)量輝光放電階段的放電電壓、電流，將測(cè)量結(jié)果填入下表。繪制電壓-電流曲線，與理論相對(duì)照，自主分析其中的差異，并分析原因。分析工作氣壓對(duì)伏安曲線的影響機(jī)制。3、根據(jù)放電電壓和放電電流的特點(diǎn)，提出電壓和電流測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案，畫出電路圖。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：A、檢查儀器的完整性，連接好所有的管路，安裝好放電管部件。擰緊放電管固定螺帽。用專用套筒擰緊極板密封螺帽；B

35、、將高壓輸出電源線接至放電管兩端的正負(fù)極板上，注意此時(shí)操作應(yīng)確保電源在關(guān)閉的狀態(tài)下，所有開關(guān)均處于原始狀態(tài)；C、打開總電源開關(guān)；D、關(guān)閉轉(zhuǎn)子流量計(jì)，打開隔膜閥，并依次接通冷卻水電源，真空泵電源，抽取本底真空約5分鐘，接通電阻真空計(jì)電源。E、打開轉(zhuǎn)子流量計(jì)，調(diào)節(jié)氣體流量到一定值，調(diào)節(jié)隔膜閥，同時(shí)調(diào)節(jié)微調(diào)閥將氣壓穩(wěn)定在所需工作氣壓，開高壓，并將工作選擇打到輝光放電測(cè)量；F、緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)高壓大小，同時(shí)根據(jù)電流值大小，轉(zhuǎn)換不同的電流量程，記錄下輝光放電時(shí)電壓和電流的測(cè)量結(jié)果，每隔20V記錄一組數(shù)據(jù)，共30組；G、將電壓、電流測(cè)量結(jié)果填入下表，并繪制電壓-電流曲線。H、通過調(diào)節(jié)放電電極的間

36、距，重復(fù)B至G實(shí)驗(yàn)步驟。I、改變極板材料重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、將所測(cè)的電壓、電流值記錄在表1中。2、根據(jù)表1的數(shù)據(jù)描繪出輝光放電電壓-電流曲線。3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。（結(jié)論：直流輝光放電中，電極距離一定時(shí)，電流隨電壓的升高的增大，且氣壓升高時(shí)，電流增大的速率變快。）表1、電壓、電流測(cè)量值電極距離：mm工作氣壓：Pa工作氣壓：Pa工作氣壓：Pa電壓/v電流/mA電壓/v電流/mA電壓/v電流/mA六、思考題1、 暗放電區(qū)電流的測(cè)量應(yīng)注意什么問題？ 2、 陰極與陽(yáng)極顯著的熱效應(yīng)差別的原因？ 3 、工作氣壓對(duì)輝光放電中的電壓-電流曲線有何影響？其影響機(jī)制是什么？實(shí)驗(yàn)二 氣體擊

37、穿電壓的測(cè)定及帕邢定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、理解直流電氣擊穿的機(jī)制 2、驗(yàn)證帕邢定律二、實(shí)驗(yàn)裝置DHPD-1 等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀三、實(shí)驗(yàn)原理在直流電氣放電中，氣體的擊穿電壓由下式?jīng)Q定：上式表明某一特定氣體的擊穿電壓僅僅依賴于的乘積，這一現(xiàn)象被稱為帕邢（Paschen）定律。最小擊穿電壓：將帕邢定律對(duì)進(jìn)行微分并使微商等于零，得到最小擊穿電壓發(fā)生時(shí)的值，四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 在保持乘積不變的條件下，取不同的、值共5組，測(cè)量對(duì)應(yīng)的氣體擊穿電壓。將測(cè)量結(jié)果填入表1。2、 改變的值，讓其單調(diào)變化，取不同值共9組，測(cè)量對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。將測(cè)量結(jié)果填入表2，并繪制V-pd曲線圖。3、 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析擊穿電

38、壓與乘積的關(guān)系，以及擊穿電壓與、值的關(guān)系。五、實(shí)驗(yàn)步驟A、按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，討論和制定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案。B、擰松極板密封螺帽，調(diào)節(jié)兩極板距離至所需距離d，再擰緊極板密封螺帽。C、插上電源線，將總電源開關(guān)打開。D、關(guān)閉轉(zhuǎn)子流量計(jì)，打開隔膜閥，并依次接通冷卻水電源，接通真空泵電源，抽取本底真空約5分鐘，接通電阻真空計(jì)電源。E、將工作選擇打到擊穿電壓測(cè)量。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量，同時(shí)關(guān)閉隔膜閥，調(diào)節(jié)微調(diào)閥流量，將氣壓穩(wěn)定在所需工作氣壓P，接通高壓電源開關(guān)； F、緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)高壓大小，觀測(cè)擊穿電壓測(cè)量表，當(dāng)擊穿電壓突然增大時(shí)，記下該擊穿電壓值V（放電管電壓測(cè)量表）。調(diào)節(jié)工作氣壓，記下相

39、應(yīng)的擊穿電壓值。G、重復(fù)上述過程記測(cè)量其它極板距離時(shí)的擊穿電壓值。H、將不同極板距離d和工作氣壓P對(duì)應(yīng)的擊穿電壓V，按要求填入下表，并繪制V-pd曲線。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表3、 乘積不變時(shí)變擊穿電壓VP*d = Pa*md/mmP/PaV/v表4 、單調(diào)變化時(shí)擊穿電壓Vd/mmP/PaP*d/Pa*mV/v以空氣為例，Pd的范圍從0.5到10實(shí)驗(yàn)三 直流輝光放電等離子體參數(shù)的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、 了解等離子體的性質(zhì)2 、采用langmuir雙探針測(cè)量等離子體參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)裝置DHPD-1型等離子體診斷實(shí)驗(yàn)儀三、實(shí)驗(yàn)原理1 、等離子體參數(shù)a：等離子體密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)（一般以立方厘米為單位）某帶電粒子的數(shù)目。ni 表示離子濃度，ne 表示電子密度。b：等離子體溫度：對(duì)于平衡態(tài)等離子體（高溫等離子體）溫度是各種粒子