直流辉光放电等离子体参数的测量及分析.ppt

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1、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

2、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/cm3～1012/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，

3、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0～2000V可调，电流0～50mA。探极材料为钨棒，探极电压：0～200V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）2.514.579.1210.03

4、10.6311.0111.4011.4611.48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，

5、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

6、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Ieo≈11.46mA=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

7、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/cm3～1012/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