直流辉光放电等离子体参数的测量及分析课件.ppt

1、直流辉光放电等离子体参数直流辉光放电等离子体参数的测量及分析的测量及分析主主 要要 内内 容容1.引引 言言2.直流辉光放电等离子体的产生直流辉光放电等离子体的产生3等离子体的诊断等离子体的诊断 4.结论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玻璃管内起辉,在不同的放电区，光强、电子温度不同。利用在不同的放电区，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，例如等离子直流辉光放电现象

2、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。理论和实验两方面一直进行着不断的研究和工作。1引引 言言2 2 直流辉光放电等离子体的产生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

3、子可以被分为八个区域，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。我们对正辉区最我们对正辉区最感兴趣感兴趣,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。在该区域，电子的浓度一般为10101010/cm/cm3 310101212/cm/cm3 3,具有很高的迁移率，导电性能具有很高的迁移率，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、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

4、关。消电离以及扩散有关。3 3等离子体的诊断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、霍尔效应法的方法有试探电极法、光谱线法、霍尔效应法等等,其其中试中试探电极法是等离子体诊断最常用和最方便的方探电极法是等离子体诊断最常用和最方便的方法，试法，试探电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

5、性压，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曲线。3.13.1实验装置实验装置如图为如图为FB700FB700等离子等离子体实验装置，直流辉体实验装置，直流辉光放电电压光放电电压0 02000V2000V可调，电流可调，电流0 050mA50mA。探极材料为钨棒，探探极材料为钨棒，探极电压：极电压：0 0200V200V可调，可调，探极直径：探极直径：1mm1mm，探极，探极裸露长度：裸露长度：1mm,1mm,探极探极到阳极距离：到阳极距离：85mm85mm。3.23.2数据处理和分析数据处理和分析探极电压（v）0510152025303540探极电流（mA）-0.18-0.16-

6、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：测试条件：放电电压：499v499v，放电电流：，放电电流：6.8mA6.8mA，气压：，气压：29Pa29Pa，气体：空气，气体：空气根据表根据表1 1，作出辉光放电管等离子区的特性曲线，如图，作出辉光放电管等离子区的特性曲线，如图4 4所示所示。等离子子区特性曲线等离子子区特性曲线3

7、.23.2数据处理和分析数据处理和分析3.23.2数据处理和分析数据处理和分析从图中可以看出，在曲线从图中可以看出，在曲线ABAB段，探极电压升高时，探极电流几段，探极电压升高时，探极电流几乎不变化。这是因为在乎不变化。这是因为在ABAB段，探极电压比探极所在空间电位小的多，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探极表面的正离子有：SenVIiip

8、41V Vi i是正离子平均速度，是正离子平均速度，S S为探极面积，为探极面积，n ni i为正离子浓度，为正离子浓度，e e为电子电荷，为电子电荷，从式中可以看出，从式中可以看出，I Ip p与探极电压没有关系，因此与探极电压没有关系，因此ABAB段与横轴近似平行。段与横轴近似平行。在在BCBC段，探极电流随探极电压的升高而增加。这是因为探极电压段，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。当探极电压超出变薄。当探极电压超出B B点电压时，能量高的电子也可以穿过正

9、离子点电压时，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。在鞘层到达探极，故电流增加较快。在C C点时，到达探极的正离子数目点时，到达探极的正离子数目和电子数目相等，故总电流为零。和电子数目相等，故总电流为零。在在CDCD段，探极电流随探极电压的升高而迅速增加，这是因为过段，探极电流随探极电压的升高而迅速增加，这是因为过了了C 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：为：eTkVeeeSVnN00413.23.2数据处理和分析数据处理和分析3.33.3数据处理和分析数据处理和分析所以电流强度为：所以电流

10、强度为：espTkVVeeeeeSenVeNI)(041 对对上式上式式两边取对数式两边取对数得：得：ePeseeTkVeTkVeSenVI041lnln由于等式右边第一项和第二项为常数，由此式变成：由于等式右边第一项和第二项为常数，由此式变成：常数eeTkVeIln 3.23.2数据处理和分析数据处理和分析有（有（4 4）式可得）式可得：VITkeeelntan则则eeIVkeTln在曲线在曲线CDCD段，取段，取M M（50,475050,4750），），N N（20,27020,270）两点，将数据带入得：）两点，将数据带入得：)(1075.2270lg4750lg30501004.54

11、3KTe3.23.2数据处理和分析数据处理和分析eeempiTkV8)/(1006.11011.91416.31073.71038.18828416scmVe由于电子服从麦克斯韦分布律，电子的平均速度为：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：带入数据得：在曲线在曲线DEDE段，探极电流基本上不随探极电压变化而变化，此时，探极电段，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，饱和电流值流已达到饱和。从图中的曲线可以观察到，饱和电流值I Ieoeo11.46mA=3.44sA11.46mA=3.44sA。由（。由（1 1）式可得：）式

12、可得：eeeoempiTkSeIn843.23.2数据处理和分析数据处理和分析 带入数据到带入数据到(10)(10)式得：式得：)(101.71003.1039.0108.41044.343108107cmne从式（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）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这说明了等离子区发生了气体发生了高度电离，从（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）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

13、是因为电子的质量很小，当和其他的粒子碰撞时能量损并未被软化，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。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 4结论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、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，一般为为10101010/cm/cm3 310101212/cm/cm3 3,可以看出气体发生了高度

14、电离，电子的温度可达到几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、电子温度是等离子体的重要参数，决定着等离子的性和导热性。电子浓度、电子温度是等离子体的重要参数，决定着等离子的性质和用途，测量这些参数的方法有很多种，其中朗缪尔探针法是最简单也性质和用途，测量这些参数的方法有很多种，其中朗缪尔探针法是最简单也是最常用的方法。辉光放电等离子体在工业、国防等方面的广泛应用促进了是最常用的方法。辉光放电等离子体在工业、国防等方面的广泛应用促进了对等离子体的进一步研究和等离子体诊断技术的发展。对等离子体的进一步研究和等离子体诊断技术的发展。