气体放电管发光光谱实验.doc

气体放电管发光光谱实验马宁生 葛自良 摘 要：了解气体放电现象，以放电管作为研究对象，在常压下用组合式多功能光 栅光谱仪对放电光进行测量，得到放电光的近紫外光谱，通过检测放电光 谱，可测定空气中的某些元素的放光光谱，从而计算各种粒子乃至电子的 能量。 关 键 词：低温等离子体 放电管 发光光谱近年来，放电等离子体技术已广泛应用于臭氧合成、烟气脱硫脱硝等工业生产中。在普通物理实验中开设气体放电管发光光谱实验，有利用学生对气体放电现象的了解，掌握测量气体中的某些元素的放光光谱的基本方法。一、实验装置及方法高压工作电源计算机放电管光栅光谱仪高压稳定电源数据采集系统光电倍增管图2 实验装置示意图石英玻璃管不锈钢丝网(外电极)不锈钢丝线圈(内电极)硬质玻璃管图1 放电管示意图研究对象放电管如图1所示。长231mm、外直径30mm的硬质玻璃管内壁，张附着线直径为0.5mm的不锈钢丝螺旋线圈30匝，作为高压电极。长259mm、外直径42mm的石英玻璃管同轴地套在硬质玻璃管外，厚1.6mm的石英玻璃管壁内张附着16目的不锈钢丝网，作为外电极，不锈钢丝线直径为0.2mm。实验中工作电源采用霓虹灯变压器（NGB-15-1型），可提供50Hz、15kV的单相交流高压电。当15kV的高电压施加在放电管上时，放电管内即发生以硬质玻璃管为阻挡介质的无声放电，在石英玻璃管与硬质玻璃管间的空气间隙内，形成大量细微的快脉冲放电，发出紫蓝色的光。光信号经SBP300型光栅光谱仪（光栅参数1200条/mm），光电倍增管（PMT920型）, 由DCS100型数据采集系统采集，最后由计算机处理，对空气放电的光光谱进行测量。实验装置如图2示。二、实验结果及讨论实验中，当50Hz、15kV的高电压施加在放电管上，启动了无声放电的形成。在外电场作用下，电子从电场中获取能量，通过与周围原子分子碰撞，电子把自身的能量转移给它们，使之激发电离，产生电子雪崩。当内外玻管间气隙上的外电场电压超过空气的击穿电压时，空气被击穿，造成大量的电流细丝导电通道。雪崩中的高能电子通过导电通道时，一些激发态原子和分子会自发地发射紫外辐射。这些紫外光子一方面能增加阴极的电子发射，另一方面这些紫外光子还能进一步电离雪崩头和阻挡介质之间的原子和分子，造成新的雪崩。放电紫外辐射有助于导电通道的建立和加速空气的击穿，也有助于放电管中低温等离子体的形成。因此，对低温等离子体放电管发光光谱的近紫外段进行检测，是对低温等离子体特性进行诊断的实用方法。实验测量放电光光谱范围为200-440nm，测量时光栅光谱仪狭缝孔径为0.5mm，高压稳定电源的工作电压为-817V, 数据采集系统扫描间隔为2nm，经计算机处理得到的放电光光谱如图3示。图3 放电光谱338.5nm氮离子357.6nm二氧化氮分子374.2nm 氧离子399.5nm氮离子404.1nm表1 放电辐射光谱中检测到的氧原子多重谱线谱线波长（nm）369.2382.0394.0395.0423.3436.8跃 迁高能态能量(eV)12.8815.7812.2814.1215.2912.36从图3的低温等离子体放电管无声放电的辐射光谱中，可检测到氧原子的多重谱线，其相应的波长，跃迁及高能态的能量一并列入表1。在放电光谱中还可检测到氮离子的多重谱线，谱线波长分别为338.5nm，399.5nm，404.1nm，可检测到波长为357.6nm的二氧化氮分子谱线，以及波长为374.2nm的氧离子谱线。三、结 语空气放电管作为一个化学反应器，必须使迁移率高的电子在其电场中得到足够的加速，造成电子能量远高于分子、离子能量的不平衡状态，从而促进一般难以实现的化学反应。即在低温等离子体状态下，由放电产生的高能电子与中性分子猛烈碰撞，使这些中性粒子发生强烈的激发、分解和电离，为化学反应提供丰富的离子和自由基等高能活性粒子，从而实现反应的高