DHPD-1型等离子体诊断实验仪

1、等离子体发生技术及应用DHPD-1型等离子体诊断实验仪（附实验讲义）使用说明书杭州大华科教仪器研究所杭州大华仪器制造有限公司一、气体放电原理干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。气体放电的基本物理过程，气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是

2、：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。激发  荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态，就必须给予(Em- E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为Eve，则有EveEm- E1电位ve称为激发电位。实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为E

3、m的状态回复到能量为E1的正常状态，并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态，这时便称为处于亚稳状态，处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子，升到更高的能级，然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能，它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-410-2秒；由于它寿命较长，在放电中常常起重要的作用。当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发

4、态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。电离  电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩

5、原子）时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。消电离  如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。消电离的方式有三种：电子先与中性原子结合成为负离子，然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。电子与正离子直接复合。迁移  在电场作用下，带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比UKE系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一

6、个常数；对于电子，它并不是一个常数，而与电场强度E有关。扩散  当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况，这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散，其基本特征是：电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电

7、粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。在管壁附近，双极性扩散受到管壁的影响。此时，电子运动速度快，先附于管壁，使管壁带负电位。负电位阻止后来电子的抵达，但吸引正离子，在其附近形成正电荷鞘层。在鞘层中，电子的浓度随着接近管壁而递减，最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。二、仪器结构及说明结构说明：仪器采用的是一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘防止漏电，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝，可利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空

8、系统安装在机箱的内部。三、仪器主要配置及组成DHPD-1等离子体诊断实验仪装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统等部分组成，具有结构合理、调节方面、测量参数多等特点。气体放电管：采用玻璃烧结而成，内附两组钨丝探针。及两边采用不锈钢材料制成的水冷套及放电管固定托架。测量系统：包括辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压测量放电管电压表：三位半数显，测量范围是02000V，测量精度2%辉光电流表：三位半数显，测量范围是02A，共分5档，测量精度0.5%探针电压表：三位半数显，测量范围：0±200V，测量精度0.5%探针电流表：三位半数显，测量范围：020

9、mA，测量精度0.5%；击穿电压测量：三位半数显，测量范围：02V，测量精度0.5%；测量系统包括两组直流稳压稳流电源：一组放电管工作电压，调节范围是01500V，另一组为探针测量电源，调节范围是0±100V，稳定度0.5%。真空系统：采用2XZ-2型旋片真空泵，对密封容器抽除气体而获得真空，真空的测量采用热偶真空计，用于测量本底真空和工作时的工作气压。真空的密封采用金属和橡胶密封；真空调节采用隔膜阀粗调和微调阀精细调节，调节快速方便、稳定性好。2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标：1） 工作电压：AC220V/50 Hz 2）抽气速率：2L/S3）极限压力：6×101 Pa

10、 4）电机功率：0.37KW5）进气口内径：25mm 6）用油量：0.65L7）噪声：72LwdB(A)进气系统：进气通过金属管路联接，可通入不同的工作气体，通过转子流量计控制气体的流量，同时通过高真空微调阀调节，达到控制放电管中的工作压强。四、技术参数及特性1、工作电压： AC220V±5% 50HZ2、整机功率： 最大功率1.5KW4、整机重量： 约100Kg5、外形尺寸(mm)： 长1000×宽660×高12306、放电管：30× 350mm7、电极距离：30320mm 可调8、工作气压：10Pa200Pa9、工作电压：0V1500V连续可调，电压

11、稳定度1%10、放电电流：10-6A0.3A可测11、探针工作电压：0±100V，稳定度0.5%12、探针电流测量范围：020mA五、设备安装及调试1、安装环境要求1）、电源： AC220V，50Hz，最大功率1.5KW2）、温度、湿度、气源及冷却水：应保障设备工作稳定正常3）、安装室：室内整洁，空气流通，无尘埃。4）、接地线：室内具有独立接地线32、安装顺序1）、确认安装环境满足设备安装要求2）、检查设备良好情况（检查在运输过程中是否造成损坏）3）、检查放电管及放电管部件是否完好无损4）、安装放电管部件托架。5）、确认各电气部件完好无损。6）、连接真空管路及真空橡胶管。7）、连接好

12、设备地线。8）、关闭流量计，连接好外接气源。六、设备操作使用及注意事项1）、检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。2）、接通总电源，打开总电源开关旋钮，确认冷却水箱水容量打开冷却水开关按钮。3）、打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，抽放电管内真空。4）、打开电阻真空计电源开关，测量此时反应室的压强，抽真空约15分钟使放电管内真空达到所需要求。测量放电管内的本底真空，真空度优于10Pa。6）、将高压输出线加在放电管两端，注意：在实验过程中禁止用手去触摸高压电源线以及放电极杆，防止触电。7）、将功能选择开关打在“放电电流测量”档，开启高压开关按钮，缓慢调节高压调节旋钮，调

13、节到一定的电压时，放电管内将将产生辉光放电现象。8）、关闭隔膜阀，开启流量计开关，调节一定的流量，给真空室输送工作气源，同时调节微调阀使工作气压达到所需要求。9）、试验结束时，将高压电源调至0，关闭高压开关按钮，关闭气路，关闭真空泵，关闭冷却水，关闭总电源，拔掉总电源线。七、设备维护1、定期更换冷却水，清洗冷却水箱，保证循环水系统的正常工作。2、在放电管壁受到污染时及时打开真空反应室，清洁放电管管壁（避免用尖锐物体划伤放电管内壁）。3、所有电气旋钮及开关状态在使用前一定要确认是否在“原始”状态。4、真空系统维护：1）、注意真空泵换油；2）、注意反应室及管道清洁；3）、注意密封面清洁；4）、真空

14、系统停机前先关真空计电源，然后再进行其它操作5）、实验结束后将真空室报空。八、常见故障及解决办法真空计指示不正常。可能原因：规管或传感器上的输出线脱落或松脱，规管或传感器内进油被污染。处理办法：检查接线，如进油，将规管或传感器撤下用乙醇溶液小心清洗，并风干。1-1 气体放电特性与原理 气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产生的，这种现象称为气体放电。气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放

15、电特性。如图（1）所示为直流放电管电路示意，放电管是一个低压玻璃管，管两端接有直流高压电源的圆形电极，图中R是可调式限流电阻，用以测量电流电压特性，亦称放电伏安特性，Va为直流电源，V是放电管的极间电压，是放电电流。在电极两端施加电压时，通过调节电阻R值可得到气体放电的伏安特性，如图（2）所示，图（1） 直流放电管电路示意图由气体放电的伏安特性曲线可看出，开始在A、B点间电流随电压的增加而增加，但此时电流上升变化得较缓慢，表明放电管中气体电离度很小，继续提高电压，电流不再增加，呈本底电离区的饱和状态，继续提高电压，电流会迅速地呈指数关系上升，从C到E区间，这时电压较高但电流不大，放电管中也无明

16、亮的电光，自E点起，再继续提高电压，发生了新的变化，此时电压不但不增高反而下降，同时在放电管内气体发生了电击穿，观测到耀眼的电光，这时因电离而电阻减小，但电流开始增长，在E点处对应的电压VB称为气体的击穿电压。放电转变为辉光放电，电流开始上升而电压一直下降到F点，然后电流继续上升但电压恒定不变直到G点，而后电压随电流的增加而增加到H点，放电转入较强电流的弧光放电区。I和J之间是非热弧光区，电流增加电压下降，在J和K之间是热弧光区，等离子体接近热力学、动力学平衡，从I到K的弧光放电区属于热等离子特性，在等离子体化学中很少应用。图（2）气体放电伏安特性曲线AB段为非自持放电本底电离区； BC段为非

17、自持放电饱和区；CE段为汤森放电区； DE段为电晕放电区；EF段为前期辉光放电区； FG段为正常辉光放电区；GH段异常辉光放电区； HK段为弧光放电区。、在外加电场保持一定时，如果需要外界辐射源才能持续放电时，放电为非自持放电；当不需要外界辐射源就能保持持续放电则为自持放电。上述放电以汤森放电为例，简述下面的各种放电过程。1-2 汤森放电目前工业上应用的一些等离子体过程多发生在汤森放电去，汤森是英国物理学家，第一个提出定量的气体放电理论的科学家，其中涉及几个重要的过程。（1）电子碰撞电离电离过程在放电过程中，设每个电子沿电场方向移动1cm距离时与气体分子或原子碰撞所能产生的平均电离次数为，则叫

18、作电子碰撞电离系数，也叫汤森第一电离系数。该系数表明了电子碰撞对电离过程的贡献。汤森第一电离系数为 式中 p气体压力； Vi气体分子的电离电位； E电场强度； A与气体性质有关的常数，可由实验获得。汤森第一电离系数是与气体种类有关，且由放电时E/p比值决定的数值，它影响着放电过程的电离效率，与电子数目和电流密度的增长密切相关。在平行板电极间的电场强度E是恒定值。只要放电气压和温度保持不变，即为定值。（2）正离子碰撞电离电离过程正离子碰撞电离系数以表示，系指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数。研究可知，在相同电场条件下电子碰撞电离远大于正离子碰撞电离次数，也就是碰撞

19、电离系数>>。（3）阴极二次电子发射电离过程正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以表示。在电场作用的等离子体条件下，由阴极发射的电子在到达阳极的过程中产生正离子，这些正离子撞击阴极而使阴极发射二次电子。系数也叫汤森第二电离系数，它比汤森第一电离系数要小。气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始，从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。一旦汤森电离系数随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持达到了自持过程，也就是发生了电击穿。对于汤森放电击穿的临界电场中电压VB的计算，可用下面的半经验方程式来判断。此方程称为帕邢定律。1-3 帕邢定律（Paschen law）气体击

20、穿电压VB是放电开始击穿时所需的最低电压，帕邢（F.Paschen）在汤森提出气体放电击穿理论之前便在实验室中发现了在一定的放电气压范围内，气体击穿电压VB是气压（P）极间距离（d）乘积的函数，即VB=f（Pd），这种函数关系被称为帕邢定律。式中 汤森第二电离系数；A、B均为常数，它是与气体种类和实验条件有关的参数，可实验求取或查文献得到。也可将式绘出帕邢曲线来表示气体击穿电压VB与放电时气压和极间距离乘积Pd间的函数关系。1-4 气体原子的激发转移和消电离气体粒子从激发态回到较低状态或者被进一步激发到更高的状态是粒子从该激发态消失的可能途径，这种过程称之为气体粒子的激发转移，其中包括回到中性

21、低能态的消电离。电离气体中的潘宁效应、敏化荧光等都属于这种过程。实验发现，在适当的两种气体组成的混合物中，其击穿电压会低于单纯气体的击穿电压。这种效应称为潘宁效应。这种效应的过程可以用简式表示为A*+BA+B+e+EA*是一种激发态原子与中性原子B碰撞，转移激发能并使B原子电离的过程。从能量守恒的要求，A*原子的激发能应该大于或至少等于B原子的电离能。实验发现A*的激发能约接近B的电离能，这种激发转移的概率就越大。 当A*是出于某个亚稳态时，即A*在该激发态有较长的停留时间时，那就允许它与B原子有足够长的相互作用时间，因此发生潘宁效应的概率就大了。对于上述过程，从左方看是激发态A*原子的消失，

22、从右方看是正离子B+的产生，因此潘宁效应也是一种带电粒子产生的机制。1-5 辉光放电由上图所示的气体放电特性曲线可知，越过电晕放电区后，若减小外电路电阻R，或提高全电路电压，继续增加放电功率，放电电流将不断上升。同时辉光逐渐扩展到两电极之间的整个放电空间，发光也越来越明亮，叫做辉光放电。辉光放电是气体放电的一种重要形式。低气压辉光放电的击穿机制是，从阴极发射电子，在放电空间引起电子雪崩，由此产生的正离子再轰击阴极使其发射出更多电子。它是由电子雪崩的不断发展而引起的放电。按其状态，辉光放电又可分为三个不同阶段，即前期辉光、正常辉光和异常辉光。由入土所示的伏安特性曲线的EG段对应的是广义的正常辉光

23、放电区。在EF段为前期辉光放电区，有如图所示的伏安特性曲线可看出，它是由电晕放电到正常辉光放电之间的过渡区，位于伏安特性曲线的“DEFFD”段闭合的环形区是一个亚稳态区域，实验研究表明，它是与放电条件有关的，随机变化的，放电参数敏感区，为此，前期辉光放电区实际上也交叉着电晕放电区。越过F点之后，FG段为正常辉光区，其特定是电流随电场输入功率的增大而增加，但极间电压几乎保持不变，且明显低于击穿电压（也叫着火电压）。越过G点之后由图看出，伏安特性曲线的电压和电流呈急剧上升势态达到H点，GH段为异常辉光放电区。辉光放电是一种复杂稳定的自持放电过程，是低温等离子体化学领域广泛采用的放电形式。2 辉光放

24、电等离子体类型辉光放电等离子体常用的有以下几种形式。直流辉光放电 直流辉光放电的典型条件是，放电管中配置两个对向金属电极且极间电场均匀，管内气压置于1.331.33×104Pa之间的某个确定值，电源电压高于气体击穿电压VB，放电回路的限流电阻允许放电管通过毫安级以上的电流，即可产生辉光放电。如图3所示为直流辉光放电时典型放电特性沿轴向变化的分布说明。其中表示了放电管中的区域结构，分别为发光强度、等离子体电位、电场、净电和密度等参数分布曲线。由图可见，沿阴极到阳极方向可划分为明暗相间的八个区域，即阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区和阳极暗区。其中，

25、前三个区域总称为阴极位降区或简称阴极区。但以上所述只是正常辉光放电的一种典型情况，并非所有辉光放电均如此。实际上辉光放电外观有许多不同形式，与放电管形状、尺寸、放电气体的种类、气压、电极的形状、大小、材质以及极间距离等诸多因素有关。异常辉光放电 在低温等离子体化学领域，通常采用短间隙异常辉光放电。其放电电位分布特定是等离子体具有放电空间最高电位，阴极鞘层主要发生电子碰撞电离和离子碰撞电离。电子碰撞电离作用主要来源于阴极二次电子发射致电子雪崩，离子碰撞电离也是阴极鞘中的电离机制之一。此外，还可能存在光电离机制。但即便是以上各种机制的加合也不能满足击穿判据。阳极鞘层比阴极鞘层薄得多，显然更不可能产

26、生强电离而达到气体击穿放电。其电位、电场分布情况是，阴极位降区的电位梯度很大，其后则比较平缓，因此只在阴极附近存在强电场。这就使得带电粒子在阴极位降区的运动主要是电场作用下的迁移运动，而在正柱区占优势的则为无规热运动。电子雪崩是在电子定向运动超过它的无规热运动条件下发生的。因此，正是在阴极位降区“电子离子对”倍增，电离增长很快。这也是阴极位降区称为辉光放电必不可少部分的缘由。基于带电粒子在不同区域的运动特点不同，与管壁的关系也不一样。在阴极区，由于定向运动占优势，管壁对阴极位降区的发光和电位分布影响不大。正柱区则不然，由于快速电子先期到达管壁形成等离子体鞘，最终将产生径向电位梯度。另外，由于等

27、离子体电位高于阳极电位，所以阳极也发射二次电子，并成为负辉区的电子源和能量源。但阳极二次电子进入负辉区以后又被逆向加速。在高频交流电场中如此往复，因而形成电子振荡。当阳极二次电子发射概率很大或阳极尺寸太小时，阳极电位逆转，即阳极电位高于等离子体负辉区电位，此时有一定的净电子流到达阳极。相应地在距阳极一定距离的区域内形成由电子构成的空间电荷层称为电子鞘。高气压辉光放电 由正常辉光放电的理论分析可知放电电流密度随气压的平方成正比例变化，所以高气压放电时电流密度显著升高，放电管的维持电压也非常高。产生这种现象的原因在于放电中出现了新的基本过程。当气压高于105Pa时，阴极由于受到高速正离子轰击而加热

28、到很高的温度，因而产生显著的热电子发射。这种发射比正离子轰击阴极的二次电子发射有效得多。例如，在高气压和超高气压放电时，放电电流密度很大，阴极发射电流密度也很大。在高电流密度发射的状态下，很容易使阴极局部温度升高，从而局部面积上形成热电子发射，这大大高于过程的二次电子发射效率。另一方面，高气压正柱区内，气体原子的温度也明显升高，可与电子温度接近，因而可发生显著的热电离过程，同时正柱向轴向收缩，使热效应加剧，造成放电向弧光放电转变，管压降变低。为了维持稳定的高气压辉光放电，必须严格控制热效应，加强外界的冷却措施，使放电管很快散热以保持冷的状态。辉光放电气体的高速流动体系本身就可以提供这种冷却条件

29、。若进一步增加辉光放电的电流，当其达到一定值时伏安特性会忽然“急转直下”，管压降徒降而放电电流大增，这表明放电机制发生了质的变化，也就是从辉光放电过渡到弧光放电了。弧光放电也是一种稳定的放电形式，其主要特点是阴极发射电子的机理与辉光放电不同，可能是热发射或场致发射，管压降很低，而放电电流很大，可以从0.1A到kA等量级。同时电极间整个弧区发出很强的光和热。所发生的等离子体称为电弧等离子体，属于热等离子体。由以上分析可知，在确定的放电条件下，随伏安特性变化可能出现各种放电形式，实际上放电管内条件和电路控制参数条件对放电特性的影响很大。当放电气体种类和组成一定时，电场强度和气压，这两个可操作宏观参

30、量是影响放电的关键性因素。也就是气体放电等离子体的类型与电场强度E、气压P、电流密度间有一定关系。一般来说，在低气压、强电场条件下，电流密度小时易产生辉光放电，电流密度增大到一定值后，则过渡到弧光放电。实验一 直流低气压放电现象观察一、实验目的 观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。二、实验仪器 DHPD-1型 等离子体诊断实验仪三、实验原理 低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之

31、间存在作显著差异。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：从左至右，其唯象结果如下：图3、低气压放电现象阴极 阴极由导电材料制成，二次电子发射系数对放电管的工作有很大影响。阿斯顿(Aston)暗区 紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是个有强电场和负空间电荷的薄的区域它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。 阴极辉光区 紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进人的正离子向阴极移动形成的这种阴极辉光有个相当高的离了密度阴极辉光的轴向长度取决于

32、气体类型和气体压力明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区 阴极暗区 这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度 阴极区 阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区大部分功率消耗在辉光放电的极区在这个区域内被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩 负辉光区 紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电中它的光强度最亮负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极侧最强在负辉光区内。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。 法拉第暗区 这个区紧靠在负辉光区的右边，在这

33、个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低。净空间电荷很低，轴向电场也相当小。 正电柱 正电柱是准中性的，在正电柱中电场很小，一般是1vcm这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正电柱变长正电柱是个长的均匀的辉光。除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波。 阳极辉光区 阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有。它是阳极鞘层的边界。阳极暗区 阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极

34、鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。图4、低压放电实验原理四、实验内容和步骤1、了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象，画出示意图，并进行分析。2、取3个不同的工作气压，测量辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量结果填入下表。绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差异，并分析原因。分析工作气压对伏安曲线的影响机制。3、根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的实验方案，画出电路图。具体实验步骤如下：A、检查仪器的完整性，连接好所有的管路，安装好放电管部件。拧紧放电管固定螺帽。用专用套筒拧紧极板密封螺帽；B

35、、将高压输出电源线接至放电管两端的正负极板上，注意此时操作应确保电源在关闭的状态下，所有开关均处于原始状态；C、打开总电源开关；D、关闭转子流量计，打开隔膜阀，并依次接通冷却水电源，真空泵电源，抽取本底真空约5分钟，接通电阻真空计电源。E、打开转子流量计，调节气体流量到一定值，调节隔膜阀，同时调节微调阀将气压稳定在所需工作气压，开高压，并将工作选择打到辉光放电测量；F、缓慢调节高压调节旋钮，调节高压大小，同时根据电流值大小，转换不同的电流量程，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果，每隔20V记录一组数据，共30组；G、将电压、电流测量结果填入下表，并绘制电压-电流曲线。H、通过调节放电电极的间

36、距，重复B至G实验步骤。I、改变极板材料重复以上实验步骤。五、实验数据处理1、将所测的电压、电流值记录在表1中。2、根据表1的数据描绘出辉光放电电压-电流曲线。3、根据实验数据总结实验结论。（结论：直流辉光放电中，电极距离一定时，电流随电压的升高的增大，且气压升高时，电流增大的速率变快。）表1、电压、电流测量值电极距离：mm工作气压：Pa工作气压：Pa工作气压：Pa电压/v电流/mA电压/v电流/mA电压/v电流/mA六、思考题1、 暗放电区电流的测量应注意什么问题？ 2、 阴极与阳极显著的热效应差别的原因？ 3 、工作气压对辉光放电中的电压-电流曲线有何影响？其影响机制是什么？实验二 气体击

37、穿电压的测定及帕邢定律验证实验一、实验目的 1、理解直流电气击穿的机制 2、验证帕邢定律二、实验装置DHPD-1 等离子体诊断实验仪三、实验原理在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定：上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。最小击穿电压：将帕邢定律对进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的值，四、实验内容1、 在保持乘积不变的条件下，取不同的、值共5组，测量对应的气体击穿电压。将测量结果填入表1。2、 改变的值，让其单调变化，取不同值共9组，测量对应的击穿电压。将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。3、 根据测量结果，分析击穿电

38、压与乘积的关系，以及击穿电压与、值的关系。五、实验步骤A、按照实验内容的要求，讨论和制定最优的实验测量方案。B、拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。C、插上电源线，将总电源开关打开。D、关闭转子流量计，打开隔膜阀，并依次接通冷却水电源，接通真空泵电源，抽取本底真空约5分钟，接通电阻真空计电源。E、将工作选择打到击穿电压测量。调节转子流量计的流量，同时关闭隔膜阀，调节微调阀流量，将气压稳定在所需工作气压P，接通高压电源开关； F、缓慢调节高压调节旋钮，调节高压大小，观测击穿电压测量表，当击穿电压突然增大时，记下该击穿电压值V（放电管电压测量表）。调节工作气压，记下相

39、应的击穿电压值。G、重复上述过程记测量其它极板距离时的击穿电压值。H、将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。六、实验数据处理表3、 乘积不变时变击穿电压VP*d = Pa*md/mmP/PaV/v表4 、单调变化时击穿电压Vd/mmP/PaP*d/Pa*mV/v以空气为例，Pd的范围从0.5到10实验三 直流辉光放电等离子体参数的测量一、实验目的 1、 了解等离子体的性质2 、采用langmuir双探针测量等离子体参数二、实验装置DHPD-1型等离子体诊断实验仪三、实验原理1 、等离子体参数a：等离子体密度：单位体积内（一般以立方厘米为单位）某带电粒子的数目。ni 表示离子浓度，ne 表示电子密度。b：等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子