直流辉光放电等离子体参数的测量及分析.ppt

直流辉光放电等离子体参数 的测量及分析 主 要 内 容 1.引 言 2.直流辉光放电等离子体的产生 3等离子体的诊断 4.结论 直流辉光放电就是将一个玻璃管密封，将气压抽至几十帕，在 管子的两端加上高电压，玻璃管内气体被击穿，同时可以发现 玻璃管内起辉,在不同的放电区，光强、电子温度不同。利用直 流辉光放电现象原理制成的器件应用十分广泛，例如等离子显 示器、等离子镀膜。直流辉光放电是等离子体的一个重要研究 领域，为进一步提高它在各个领域的应用，科研工作人员在理 论和实验两方面一直进行着不断的研究和工作。 1引 言 2 直流辉光放电等离子体的产生 辉光放电管两端加上直流高压电后，管子会产生辉光，适当调整放电电压和放电电流 ，管子会出现明暗相间的八个条纹，进而管子可以被分为八个区域。我们对正辉区最 感兴趣,该区域光强均匀连续，空间静电荷密度接近于零，因此又叫正柱区或等离子区 。在该区域，电子的浓度一般为1010/cm31012/cm3,具有很高的迁移率，导电性能 接近良导体。在正辉区，电场强度恒定用以保持平衡状态。电势降落的大小与电离、 消电离以及扩散有关。 3等离子体的诊断 等离子体参数的测量又叫等离子体诊断，等离子体诊断 的方法有试探电极法、光谱线法、霍尔效应法等,其中试 探电极法是等离子体诊断最常用和最方便的方法，试探电 极法又称朗缪尔探极法，是在辉光放电管等离子体区置入 一个金属导体，这个金属导体被称为探极，在探极加上电 压，通过测量通过电极的电流得到等离子体区的付安特性 曲线。 3.1实验装置 如图为FB700等离子 体实验装置，直流辉光 放电电压02000V可调 ，电流050mA。探极 材料为钨棒，探极电压 ：0200V可调，探极 直径：1mm，探极裸露 长度：1mm,探极到阳极 距离：85mm。 3.2数据处理和分析 探极电 压（v ） 0510152025303540 探极电 流（ mA） -0.18-0.16-0.13-0.10-0.05-0.010.270.581.23 探极电 压（v ） 455055606570758085 探极电 流（ mA） 2.514.579.1210.0310.6311.0111.4011.4611.48 辉光放电管等离子体区伏安特性测量数据记录 测试条件：放电电压：499v，放电电流：6.8mA，气压：29Pa，气体：空气 根据表1，作出辉光放电管等离子区的特性曲线，如图4所示。 等离子子区特性曲线 3.2数据处理和分析 3.2数据处理和分析 从图中可以看出，在曲线AB段，探极电压升高时，探极电流几 乎不变化。这是因为在AB段，探极电压比探极所在空间电位小的多 ，在探极周围形成了正离子鞘层，探极的电力线仅作用在鞘层内的 正离子，不能跑出层外，正离子靠热运动到达探极，单位时间内落 在探极表面的正离子有： Vi是正离子平均速度，S为探极面积，ni为正离子浓度，e为电子电荷 ，从式中可以看出，Ip与探极电压没有关系，因此AB段与横轴近似平 行。 在BC段，探极电流随探极电压的升高而增加。这是因为探极电压 升高时，探极与探极所在空间电位差减小，探极周围的正离子鞘层 变薄。当探极电压超出B点电压时，能量高的电子也可以穿过正离子 鞘层到达探极，故电流增加较快。在C点时，到达探极的正离子数目 和电子数目相等，故总电流为零。 在CD段，探极电流随探极电压的升高而迅速增加，这是因为过了 C点，能量小的电子也能穿过鞘层到达探极，到达探极的电子数目为 ： 3.2数据处理和分析 3.3数据处理和分析 所以电流强度为： 对上式式两边取对数得： 由于等式右边第一项和第二项为常数，由此式变成： 3.2数据处理和分析 有（4）式可得： 则 在曲线CD段，取M（50,4750），N（20,270）两点，将数据带入得： 3.2数据处理和分析 由于电子服从麦克斯韦分布律，电子的平均速度为： 带入数据得： 在曲线DE段，探极电流基本上不随探极电压变化而变化，此时，探极电 流已达到饱和。从图中的曲线可以观察到，饱和电流值 Ieo11.46mA=3.44sA。由（1）式可得： 3.2数据处理和分析 带入数据到(10)式得： 从式（10）可以看出等离子的电子浓度受探极电流的影响，当探极电 流达到饱和时，电子浓度达到1010cm-3,这说明了等离子区发生了气体发生 了高度电离，从（7）式的结果来看，电子的温度达到几万度，但玻璃管 并未被软化，这是因为电子的质量很小，当和其他的粒子碰撞时能量损 失很小，离子和原子的平均动能小于电子，系统的整体温度不是很高。 4结论 直流辉光放电产生的等离子体是非平衡态的等离子体，是电子、离子、气 体分子共存的气体，电子的密度与放电电压、放电管内的气压有关，一般为 1010/cm31012/cm3,可以看出气体发生了高度电离，电子的温度可达到几万 度，由于离子和原子的能量小于电子的，系统的整体温度不高，一般只有几 十度，所以直流辉光放电产生的等离子体是冷等离子体，具有良好的导电性 和导热性。电子浓度、电子温度是