实验三低压气体辉光放电等离子体的参量测量

1、实验三 低压气体辉 光放电等离子体的参量测量一、实验目的和要求1. 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;2. 采 用 Langmuir 双 探 针 测 量 直 流 辉 光 放 电 等 离 子 体 的 参 数 ， 用 双 探 针 法 测 量 气 体 放电等离子体的电子密度和电子温度。二、实验基础知识1. 等 离 子 体宏观物质存在的形态不限于一般所熟知的固、液、气三态，等离子体被称为第 四态。我们知道，物质的温度越高，它的分子或原子就活跃。在固体里，一般温度

2、下，原子和分子按照严格的规律整齐排列。温度升高到熔点以上变为液体时，它们 就可以运动，但还要受到一定的限制。温度再升高，蒸发为气体后，分子或原子都 能自由运动，不受限制。但原子内部的电子还被束缚在一定轨道上运动，不能脱离 原子核。如果温度再升高，电子就可以脱离原子，完全自由地运动。失去电子的原 子也成为带电的正离子。由正离子和电子按一定比例组成总电荷为零的物质形态， 就 称为等 离子态 。这 种物质 就称为 等离子 体， 或者等 离子区。因此 等离 子体定义为 包含大量正负带电粒子，而又不出现净空间电荷的电离气体。即其中正、负电荷密 度相等，整体上呈现电中性。等离子体早就被人们所见到：宏伟的极

3、光、闪电或电 网上的火花、五颜六色的霓虹灯、明亮的高压汞灯、钠灯和日光灯都是等离子体在 发光；地球周围的电离层、整个太阳以及其它恒星也是由等离子体组成。等离子体 可分为等温等离子体和不等温离子体。一般气体放电产生的等离子体属不等温离子 体。等离子体有一系列的不同于普通气体的独特性质：有很高的温度，气体分子高 度电离，是电和热的良导体；带正电荷和带负电荷的粒子密度几乎相等，宏观上是 电中性的；等离子体可以为外加电场或磁场所支配；等离子体具有很大且复杂的电 导率；产生等离子体震荡。虽然等离子体在宏观上是电中性的，但是由于电子的热 运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电

4、中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德 拜长度。当 系统尺度大于德拜长度时，系统呈现电中性，当系尺度小于德拜长度时， 系统可能出现非电中性。近年来等离子体物理已成为受控热核反应、天体物理、空间科学、固体物理等 领域的理论基础。在工程技术上也得到了广泛的应用，如等离子喷涂、熔焊和切割、 等离子体炼钢、炼鈦、等离子体发电、等离子炮以及宇宙飞行中的离子推进器等。 六十年代又形成一门新的等离子化学。物质呈等离子态时，由于存在着离子、激发 态原子、分子或游离基团以及高能电子、紫外线等不同的辐射线，它们之间相互作 用可以引起一系列固、液、气三态中所不能进行的化学反应，

5、产生过去无法得到的 产物。无论对化学反应机理的研究和对实际应用都开创了一个嶄新的途径。2.低压气体放电的规律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：阳能睛区 In JI I正电桩图3-1 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（Asto n） 暗区: 紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是一个有强电场和负空间

6、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。56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.这种阴极辉光有一个相当高的离了密度.阴极辉光的轴向长 度取决于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

7、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.(4)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. 正辉柱:正辉柱是准中性的，在正辉柱中电场很小，一般是1v /

8、 cm.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。空气中正辉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，正辉柱变长.正辉柱是一 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.(7) 阳极辉光区:阳极辉光区是在正辉柱的阳极端的亮区，比正辉柱稍强一些，在各 种低气压辉光放电中并不总有.它是阳极鞘层的边界.(8) 阳极暗区:阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的 空间电荷，是在电子从正辉柱向阳极运动中引起的，其电场高于正辉柱的电场.可调高压源#图3-2 低压放电实验原理阳扱阴极辉光放电是气体导电的一种形态。

9、当放电管内的压强保持在10 102 Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分部如图3-1所示。正輝光区是我们感兴趣的等离子区。在这个区中，气体高度电离，电场强度很小,且沿轴方向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布率,由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子的温度。但是，58#由于电子的质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小。所以电子的平 均动能比其它粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此虽然电子的温度很高(约为10 5K),但放电气体的整体温度并不

10、明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。光强图3-3 稀薄气体的辉光放电区3. 等离子体的主要参量描述等离子体的主要参量为：(1) 电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量。因为在等离子体中，电子碰橦 电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接的关系，即与电子的温 度相关联。等离子体物理学中，常用电子的能量来表示它的温度。所谓1个 电子伏特的温度就是1kT = 1eV ,此时1T1eV191.6 101.38 10:11600K即绝对温度11600K。文献中常常把kT简写成T,这时T必须以能量单位(eV) 表示。(2) 带电粒子的密度，即电子的密度ne和正离子的密度ni。在等离子体中，一般 地有

11、ne ni 。(3) 轴向电场强度El。它表征为维持等离子体的存在所需要的电场强度。(4) 电子的平均动能Ee。(5) 空间电荷分布。此外，还有等离子体的振荡频率、等离子体的电磁辐射等。4 .等离子体参数的静电探针诊断原理测试等离子体的方法称为诊断。它是等离子体物理实验的重要的部分。等离子 体诊断有探针法、霍尔效应法、微波法、光谱法等。用探针法测定等离子体的参 量是朗缪尔于1923年提出的。它的特点是简单，而且实验结果也令人满意，所以 一直沿用到现在。它的基本方法是在等离子体中放进一个叫做探针的很小金属电 极，其形状可以是平板状、圆柱状、球状。通过测量探针的I - V曲线，就可推导 出Te、n

12、e和空间电位等参量。探针法测量又分为单探针法和双探针法。本实验所研究的对象是低压气体等离子体，它是在真空管中直流輝光放电的阳 极正柱区形成的。放电管的外形如图3-1所示。在稀薄的气体放电管中形成的等离 子体，由于电子和离子的质量相差很悬殊，很难使两者的能量通过碰撞达到平衡， 往往没有统一的温度。在日光灯和本实验所用的放电管中，它的电子的温度可以达 上万度数量级，而离子的温度仅在室温附近。所以这是低温等离子体。在低温等离 子体中，离子可以近似的认为是不动的，所以可只用电子的密度和电子的温度来描 述。59珂斯雷皿龙 開崔耳巨图3 - 4放电管外形图单探针法单探针如图3-5所示。以放电管的阳极作为参

13、考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，即探针的伏安特性曲线。探针进入到等离子体，如果探针的电位低于它所在的空间电位Vp，电子受负电 位的拒斥作用，而速度很慢的正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空 间电荷层，即形成一层所谓“正离子鞘等离子区” 一层外壳。外壳的厚度远小于电 子或离子的自由路程及探针的线度，它把探针电场屏蔽起来。外壳以外的等离子都 因外壳的屏蔽作用而不受探针的影响。探针的线度要远小于电子的自由程，不影响 等离子区的电场分布，表面积也要小到它的电流不会影响放电电流的程度。等离子 区中正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针，形成探针电流。如曲线AB段所示，它 是正离子电流，这个

14、电流很小。这时饱和离子电流为：1 -IisnyeA(3-1)这里n是离子密度，Vi是离子的平均速度，e是电子的电荷,A是探针的面积。过了B点，随着探针电位逐渐升高，负电位 减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使 一些快速电子能够克服电场拒斥作用， 抵达探针极，探针开始收集到动能较大 的电子，这些电子形成的电流抵消了部 分正离子流，使探针电流逐渐下降。这 时探针的总电流由饱和的离子流I is和 电子流I e两部分组成：I = | e-I i s(3-2)图3- 4单探针的伏安特性曲线如BC段所示。但这时探针的电位仍低于 等离子体的电位Vp。到了 C点，电子流刚好等于离子流，互相抵消，使探针电流为 零

15、。此时，探针电位就是悬浮电位Vf。继续减小探针电位的绝对值，到达探极电子数比正离子数多得多时，探针电极 转为正向，并且迅速增大，所以CD段为电子流加离子流，以电子流为主。当探针电 位上升到Vs时，探针电位Vp和等离子体的空间电位Vs相等，正离子鞘消失，全部 电子都能到达探极。此时，飞向探针的所有电子也都被探针所收集，这对应于曲线 上的D点。此后，电流达到饱和。如果Vp进一步升高，探极周围的气体也被电离， 使探极电流迅速增大，甚至烧毁探针。ne二 n 0 expe(Vp - Vs)kTe(3-3)其中，Te是等离子体区中的电子温度，k为玻耳兹曼常数，n。为等离子区中的电子对于曲线的CD段，由于电

16、子受到一个减速电压(Vp-Vs)的作用，只有能量比 e(Vp-Vs) 大的那部分电子才能到达探针。假定在等离子区内电子的速度是按麦克斯 韦分布的，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne,按玻耳兹曼分布为密度。所以，在电子平均速度为Ve时，在单位时间内落到表面积为A的探针上的电子数为：亠 eVeA4 e e61探子上的电子电流是：JneVeeAJexpeV4_kTe(3-4)I。二丄 n。VeeA4(3-5)对(3-4)式取对数其中ln I0In le = In 丨0eVs =常数。故有kTeln I ekTeeVskTekTe(3-6)可见电子电流的对数和探针电位是线性关系。数曲线，如图3-

17、5所示，由直线的斜率tg二电子温度Te：tgleVp kTe611600 (K)(3-8)ktg r tg-若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040 。电子平均动能Ee和平均速度分别为：Ee=2 g8kTe(3-9)Ve(3-10)式中me为电子质量。由(5)式可求得等离子体区中的电子密度:ne4I0 _ I0,2二meeAve eA v kTe(3-11)62#式中|o为Vp =Vs时的电子电流，A为探针裸露在等离子区中的表面积。#双探针法单探针法有一定的局限性，因为探针的电位必须有一个参考电位，即要以放电 管的阳极或阴极作为参考点，而且一部分放电电流会对探极电流有所贡献，造成探

18、 极电流过大和特性曲线失真。1950年约翰逊等提出了一种双探针法，不需要参考电 位也可测量电子温度和电子密度，此即双探针法。双探针法是在放电管中装两根探 针，相隔一段距离L。双探针法的测量线路和伏安特性曲线如图（3-6）所示。双探针特性曲线的正、负饱和电流分别是两个探针的饱和离子电流I is1和I i s2。 因为两个探针、等离子体和外电源三者构成一个闭合电路，从等离子体流进探针1（或 2）的电流必须准确地等于由探针2（或1）流出到等离子体的电流，而能流入每个探针 的最大电流正好是它的饱和离子流。所以，在双探针法的测量中，电子电流被饱和 离子电流所限制。而饱和电流与探针面积成正比，即1 is1

19、A!1 is2A 2曲线不通过坐标原点，这是因为在坐标原点，如果两个探针处之间没有电位差 时，它们各自得到的电流相等，外电流为零。实际上，由于两个探针所在的等离子 体电位稍有不同。另外，由于它们之间可能还有接触电位差，所以外加电压为零时， 电流不是零。随着外加电压的增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流。双 探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子流。这是因 为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡，从而探针对等离子体的干扰大 为减小。为了从I V曲线上求得Te和ne,我们先令i 1+、i 1- > i 2+、i 2-分别代表探针631和探针2的离子电流和电

20、子电流，则系统能悬浮的条件是：i i + -i i - + i 2+ - i 2- =0即回路中的电流为(3-12)i 2+ -i 2- -(i 1+-i 1-) =2I(3-13)这里，我们选定从探针1到探针2为等离子体中电流的正方向。由(12)式和(13)式，则有I = i 1 - - i 1 + = i 2+ - i 2-(3-14)由于电子是按麦克斯韦速度分布率分布的，即i 1- = A 1i °exp(eV kT e)i 2- = A 2i o exp(eV 2/kT e)V1 = -(V p1-Vs1)V2 = -(V p2-V s2)它们分别代表探针相对于其所在处的等离

21、子体的电位。我们可认为i 1+ (与V1(或者V2 )无关。按(14)式，有或者i 2+ )dl _ dh_ _ di2_ dV 一 dV 一 dV这里V=V1 -V 2有dV2dV1dVdVdl _ 也 dV1di2_ dV1 _dVdV1 . dVdV2 (dV 1)(3-15)将(13)式代入上式，当V=0时，即V1=V2时，可求得dV1dVV =0A 2A1 A2(3-16)而此时I=0，所以有64i i+ = i i- = A ii °exp(eV i/kT e )把(16)、(17)式代入(15)=A 2i °exp(eV 2/kT e)(3-17)式，可得；d

22、I(dV)V i i2 . kTeh .i 2：卜 e(3-18)这样，从双探针的I-V的曲线，(见图3-7中虚线)可定出i 1+和V=0处的斜率(理)V=0。从公式：dVV=0。Te詣上亠堺山k、十+丨？十dI就可以确定电子的温度Te ,式中曼常数，e是电子电量。k图3-7 双探针法测量的伏安特性双探针法公式中的(dI/dV) v=0并不是V=0处的实验测量值，因为实验值中包含有放电电场的分量。而这里指的V=0处应该是整条曲线的中心对称点处，即dI/dV 最大值处。计算时应从图上找出该点，画切线求斜率。用双探针测量电子的密度ne时，是用饱和正离子电流lis，而不是饱和电子电流。近似有：lis

23、 - -neeA式中，M是离子质量(本实验中是水银的质量)。求出电子温度后即可求得电子的密度：(3-20 )由双探针法可测定等离子体内的轴向电场El 0一种方法是分别测定两根探针所65#在处的等离子体的电位V1和V2 O由下式得El=(V1-V2)/L( 3-21 )式中，L为两探针间距。、实验仪器DH2005型 直流辉光放电等离子体装置(1) DH2005仪器的结 构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。

24、测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系统安装在机箱的内部。(2)DH2005直流辉光等离子体实验装置操作面板图直显牌誰苦离F Hi冥啜裝昔击穿电压EEffli14.HTO17探针电压放电管电压辉光电流i 4电流量程开关78粗调细调高压调节mm16探针电流O 19 D电压输出10T门11粗调细调电压调节总电源真空泵冷却水电流量程微调阀隔膜阀25HZ各操作部件名称：1、总电源开关2、冷却水电源开关3、真空泵电源开关4、电阻真空计开关5、高压电源开关6、工作选择开关7、高压调节粗调旋钮8、高压调节细调旋钮9、探针电流量程旋钮(四个量程)10、探针电压粗调旋钮11、探针电压细调旋钮12、放电管

25、电压表13、击穿电压显示表14、辉光电流测量表15、辉光电流量程旋钮16、探针电流表(四个量程)17、探针电压表18、探针电流输入端19、探针电压输出端20 、 电 压 输 出 换 向 开 关21、电 阻真空 计22、转子流量计23、总电源指示灯24 、 高 真 空 微 调 阀25 、高 真空隔 膜阀其中，工作选择开关有四个挡位，功能如下： 断：开关在此位置时，高压没有输出，在更换电极距离和在调试过程中将开关置 于“断”档位上。 辉光放电测量： 即产生辉光放电后的电压、电流测量。 击穿电压测量： 其原理是当放电管中的电流增大导致气体击穿时， 在内部取样电 阻上的电压增大， 导致二极管导通， 此

26、时电压表显示的是二极管的导通电位值。当 电压在0.50.6V 时可以认为气体击穿，记录下此时放电管两端的电压。（实际的击 穿电压值是放电管电压显示的电压值）。 探针测量： 此时将接通探针测量电压。四、实验内容1. 在电极距离一定的情况下， 测量不同压强下低压气体辉光放电的过程， 比较不同 压强下低压气体放电的规律；2. 在电极距离一定的情况下， 采用双探测测量直流辉光等离子体的电子温度和离子 体的密度参数。2-1 ） 放 电 电 压 和 放 电 电 流 一 定 情 况 下 （ 即 直 流 功 率 一 定 ）， 不 同 气 体 压 强 下 ， 双 探 针 的 I-V 变 化 数 据 ；2-2 ）

27、气体压强一定情况下， 不同直流功率（改变放电电压）下， 双探针的 I-V 变化 数据。五、实验步骤5-1 DH2005 设备的 启动 ：1. 检 查确 认设备 各部件 完好 ， 连接 安全（ 注意接地）。2. 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。3. 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。4. 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。5. 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。5-2 低压放电气体的伏安特性测量：1. 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（10-100Pa 范围）；2. 将工作气压稳定在10Pa,将工作选择开关置于“辉光放电测量”挡位。缓慢调节 高压调节旋钮（操作部件7和8），使得低压气体处于辉光放电状态。此时，缓慢调 节高压大小，每隔20V记录相应的放电电流大小。同时根据电流值大小，转换不同 的电流量程。共做20组数据测量，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果；3. 将电压、电流测量结果填入下表，并绘制电压-电流曲线；4. 在10-100Pa 范围内改变工作电压，