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文檔簡介
直流輝光放電等離子體參數(shù)的測量及分析直流輝光放電等離子體參數(shù)主要內(nèi)容1.引言2.直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生3等離子體的診斷4.結論主要內(nèi)容1.引言直流輝光放電就是將一個玻璃管密封,將氣壓抽至幾十帕,在管子的兩端加上高電壓,玻璃管內(nèi)氣體被擊穿,同時可以發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)起輝,在不同的放電區(qū),光強、電子溫度不同。利用直流輝光放電現(xiàn)象原理制成的器件應用十分廣泛,例如等離子顯示器、等離子鍍膜。直流輝光放電是等離子體的一個重要研究領域,為進一步提高它在各個領域的應用,科研工作人員在理論和實驗兩方面一直進行著不斷的研究和工作。1引言直流輝光放電就是將一個玻璃管密封,將氣壓抽至幾十帕,在管子的2直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生輝光放電管兩端加上直流高壓電后,管子會產(chǎn)生輝光,適當調(diào)整放電電壓和放電電流,管子會出現(xiàn)明暗相間的八個條紋,進而管子可以被分為八個區(qū)域。我們對正輝區(qū)最感興趣,該區(qū)域光強均勻連續(xù),空間靜電荷密度接近于零,因此又叫正柱區(qū)或等離子區(qū)。在該區(qū)域,電子的濃度一般為1010/cm3~1012/cm3,具有很高的遷移率,導電性能接近良導體。在正輝區(qū),電場強度恒定用以保持平衡狀態(tài)。電勢降落的大小與電離、消電離以及擴散有關。2直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生輝光放電管兩端加上直流高壓電后3等離子體的診斷等離子體參數(shù)的測量又叫等離子體診斷,等離子體診斷的方法有試探電極法、光譜線法、霍爾效應法等,其中試探電極法是等離子體診斷最常用和最方便的方法,試探電極法又稱朗繆爾探極法,是在輝光放電管等離子體區(qū)置入一個金屬導體,這個金屬導體被稱為探極,在探極加上電壓,通過測量通過電極的電流得到等離子體區(qū)的付安特性曲線。。3等離子體的診斷等離子體參數(shù)的測量又叫等離子體診斷,等離子體3.1實驗裝置如圖為FB700等離子體實驗裝置,直流輝光放電電壓0~2000V可調(diào),電流0~50mA。探極材料為鎢棒,探極電壓:0~200V可調(diào),探極直徑:1mm,探極裸露長度:1mm,探極到陽極距離:85mm。3.1實驗裝置如圖為FB700等離子體實驗裝置,直流輝光放電3.2數(shù)據(jù)處理和分析探極電壓(v)0510152025303540探極電流(mA)-0.18-0.16-0.13-0.10-0.05-0.010.270.581.23探極電壓(v)455055606570758085探極電流(mA)2.514.579.1210.0310.6311.0111.4011.4611.48輝光放電管等離子體區(qū)伏安特性測量數(shù)據(jù)記錄測試條件:放電電壓:499v,放電電流:6.8mA,氣壓:29Pa,氣體:空氣3.2數(shù)據(jù)處理和分析探極電壓(v)0510152025303根據(jù)表1,作出輝光放電管等離子區(qū)的特性曲線,如圖4所示。等離子子區(qū)特性曲線3.2數(shù)據(jù)處理和分析根據(jù)表1,作出輝光放電管等離子區(qū)的特性曲線,如圖4所示。等離3.2數(shù)據(jù)處理和分析從圖中可以看出,在曲線AB段,探極電壓升高時,探極電流幾乎不變化。這是因為在AB段,探極電壓比探極所在空間電位小的多,在探極周圍形成了正離子鞘層,探極的電力線僅作用在鞘層內(nèi)的正離子,不能跑出層外,正離子靠熱運動到達探極,單位時間內(nèi)落在探極表面的正離子有:Vi是正離子平均速度,S為探極面積,ni為正離子濃度,e為電子電荷,從式中可以看出,Ip與探極電壓沒有關系,因此AB段與橫軸近似平行。3.2數(shù)據(jù)處理和分析從圖中可以看出,在曲線AB段,探極電壓升
在BC段,探極電流隨探極電壓的升高而增加。這是因為探極電壓升高時,探極與探極所在空間電位差減小,探極周圍的正離子鞘層變薄。當探極電壓超出B點電壓時,能量高的電子也可以穿過正離子鞘層到達探極,故電流增加較快。在C點時,到達探極的正離子數(shù)目和電子數(shù)目相等,故總電流為零。
在CD段,探極電流隨探極電壓的升高而迅速增加,這是因為過了C點,能量小的電子也能穿過鞘層到達探極,到達探極的電子數(shù)目為:3.2數(shù)據(jù)處理和分析在BC段,探極電流隨探極電壓的升高而增加。這是因為探3.3數(shù)據(jù)處理和分析所以電流強度為:
對上式式兩邊取對數(shù)得:由于等式右邊第一項和第二項為常數(shù),由此式變成:
3.3數(shù)據(jù)處理和分析所以電流強度為:對上式式兩邊取對數(shù)3.2數(shù)據(jù)處理和分析有(4)式可得:
則在曲線CD段,取M(50,4750),N(20,270)兩點,將數(shù)據(jù)帶入得:3.2數(shù)據(jù)處理和分析有(4)式可得:則在曲線CD段,取M(53.2數(shù)據(jù)處理和分析由于電子服從麥克斯韋分布律,電子的平均速度為:
帶入數(shù)據(jù)得:在曲線DE段,探極電流基本上不隨探極電壓變化而變化,此時,探極電流已達到飽和。從圖中的曲線可以觀察到,飽和電流值Ieo≈11.46mA=3.44sA。由(1)式可得:3.2數(shù)據(jù)處理和分析由于電子服從麥克斯韋分布律,電子的平均速3.2數(shù)據(jù)處理和分析帶入數(shù)據(jù)到(10)式得:
從式(10)可以看出等離子的電子濃度受探極電流的影響,當探極電流達到飽和時,電子濃度達到1010cm-3,這說明了等離子區(qū)發(fā)生了氣體發(fā)生了高度電離,從(7)式的結果來看,電子的溫度達到幾萬度,但玻璃管并未被軟化,這是因為電子的質量很小,當和其他的粒子碰撞時能量損失很小,離子和原子的平均動能小于電子,系統(tǒng)的整體溫度不是很高。3.2數(shù)據(jù)處理和分析帶入數(shù)據(jù)到(10)式得:從式(10)4結論直流輝光放電產(chǎn)生的等離子體是非平衡態(tài)的等離子體,是電子、離子、氣體分子共存的氣體,電子的密度與放電電壓、放電管內(nèi)的氣壓有關,一般為1010/cm3~1012/cm3,可以看出氣體發(fā)生了高度電離,電子的溫度可達到幾萬度,由于離子和原子的能量小于電子的,系統(tǒng)的整體溫度不高,一般只有幾十度,所以直流輝光放電產(chǎn)生的等離子體是冷等離子體,具有良好的導電性和導熱性。電子濃度、電子溫度是等離子體的重要參數(shù),決定著等離子的性質和用途,測量這些參數(shù)的方法有很多種,其中朗繆爾探針法是最簡單也是最常用的方法。輝光放電等離子體在工業(yè)、國防等方面的廣泛應用促進了對等離子體的進一步研究和等離子體診斷技術的發(fā)展。4結論直流輝光放電產(chǎn)生的等離子體是非平衡態(tài)的等離子體,是電子直流輝光放電等離子體參數(shù)的測量及分析直流輝光放電等離子體參數(shù)主要內(nèi)容1.引言2.直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生3等離子體的診斷4.結論主要內(nèi)容1.引言直流輝光放電就是將一個玻璃管密封,將氣壓抽至幾十帕,在管子的兩端加上高電壓,玻璃管內(nèi)氣體被擊穿,同時可以發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)起輝,在不同的放電區(qū),光強、電子溫度不同。利用直流輝光放電現(xiàn)象原理制成的器件應用十分廣泛,例如等離子顯示器、等離子鍍膜。直流輝光放電是等離子體的一個重要研究領域,為進一步提高它在各個領域的應用,科研工作人員在理論和實驗兩方面一直進行著不斷的研究和工作。1引言直流輝光放電就是將一個玻璃管密封,將氣壓抽至幾十帕,在管子的2直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生輝光放電管兩端加上直流高壓電后,管子會產(chǎn)生輝光,適當調(diào)整放電電壓和放電電流,管子會出現(xiàn)明暗相間的八個條紋,進而管子可以被分為八個區(qū)域。我們對正輝區(qū)最感興趣,該區(qū)域光強均勻連續(xù),空間靜電荷密度接近于零,因此又叫正柱區(qū)或等離子區(qū)。在該區(qū)域,電子的濃度一般為1010/cm3~1012/cm3,具有很高的遷移率,導電性能接近良導體。在正輝區(qū),電場強度恒定用以保持平衡狀態(tài)。電勢降落的大小與電離、消電離以及擴散有關。2直流輝光放電等離子體的產(chǎn)生輝光放電管兩端加上直流高壓電后3等離子體的診斷等離子體參數(shù)的測量又叫等離子體診斷,等離子體診斷的方法有試探電極法、光譜線法、霍爾效應法等,其中試探電極法是等離子體診斷最常用和最方便的方法,試探電極法又稱朗繆爾探極法,是在輝光放電管等離子體區(qū)置入一個金屬導體,這個金屬導體被稱為探極,在探極加上電壓,通過測量通過電極的電流得到等離子體區(qū)的付安特性曲線。。3等離子體的診斷等離子體參數(shù)的測量又叫等離子體診斷,等離子體3.1實驗裝置如圖為FB700等離子體實驗裝置,直流輝光放電電壓0~2000V可調(diào),電流0~50mA。探極材料為鎢棒,探極電壓:0~200V可調(diào),探極直徑:1mm,探極裸露長度:1mm,探極到陽極距離:85mm。3.1實驗裝置如圖為FB700等離子體實驗裝置,直流輝光放電3.2數(shù)據(jù)處理和分析探極電壓(v)0510152025303540探極電流(mA)-0.18-0.16-0.13-0.10-0.05-0.010.270.581.23探極電壓(v)455055606570758085探極電流(mA)2.514.579.1210.0310.6311.0111.4011.4611.48輝光放電管等離子體區(qū)伏安特性測量數(shù)據(jù)記錄測試條件:放電電壓:499v,放電電流:6.8mA,氣壓:29Pa,氣體:空氣3.2數(shù)據(jù)處理和分析探極電壓(v)0510152025303根據(jù)表1,作出輝光放電管等離子區(qū)的特性曲線,如圖4所示。等離子子區(qū)特性曲線3.2數(shù)據(jù)處理和分析根據(jù)表1,作出輝光放電管等離子區(qū)的特性曲線,如圖4所示。等離3.2數(shù)據(jù)處理和分析從圖中可以看出,在曲線AB段,探極電壓升高時,探極電流幾乎不變化。這是因為在AB段,探極電壓比探極所在空間電位小的多,在探極周圍形成了正離子鞘層,探極的電力線僅作用在鞘層內(nèi)的正離子,不能跑出層外,正離子靠熱運動到達探極,單位時間內(nèi)落在探極表面的正離子有:Vi是正離子平均速度,S為探極面積,ni為正離子濃度,e為電子電荷,從式中可以看出,Ip與探極電壓沒有關系,因此AB段與橫軸近似平行。3.2數(shù)據(jù)處理和分析從圖中可以看出,在曲線AB段,探極電壓升
在BC段,探極電流隨探極電壓的升高而增加。這是因為探極電壓升高時,探極與探極所在空間電位差減小,探極周圍的正離子鞘層變薄。當探極電壓超出B點電壓時,能量高的電子也可以穿過正離子鞘層到達探極,故電流增加較快。在C點時,到達探極的正離子數(shù)目和電子數(shù)目相等,故總電流為零。
在CD段,探極電流隨探極電壓的升高而迅速增加,這是因為過了C點,能量小的電子也能穿過鞘層到達探極,到達探極的電子數(shù)目為:3.2數(shù)據(jù)處理和分析在BC段,探極電流隨探極電壓的升高而增加。這是因為探3.3數(shù)據(jù)處理和分析所以電流強度為:
對上式式兩邊取對數(shù)得:由于等式右邊第一項和第二項為常數(shù),由此式變成:
3.3數(shù)據(jù)處理和分析所以電流強度為:對上式式兩邊取對數(shù)3.2數(shù)據(jù)處理和分析有(4)式可得:
則在曲線CD段,取M(50,4750),N(20,270)兩點,將數(shù)據(jù)帶入得:3.2數(shù)據(jù)處理和分析有(4)式可得:則在曲線CD段,取M(53.2數(shù)據(jù)處理和分析由于電子服從麥克斯韋分布律,電子的平均速度為:
帶入數(shù)據(jù)得:在曲線DE段,探極電流基本上不隨探極電壓變化而變化,此時,探極電流已達到飽和。從圖中的曲線可以觀察到,飽和電流值Ieo≈11.46mA=3.44sA。由(1)式可得:3.2數(shù)據(jù)處理和分析由于電子服從麥克斯韋分布律,電子的平均速3.2數(shù)據(jù)處理和分析帶入數(shù)據(jù)到(10)式得:
從式(10)可以看出等離子的電子濃度受探極電流的影響,當探極電流達到飽和時,電子濃度達到1010cm-3,這說明了等離子區(qū)發(fā)生了氣體發(fā)生了高度電離,從(7)式的結果來看,電子的溫度達到幾萬度,但玻璃管并未被軟化,這是因為電子的質量很小,當和其他的粒子碰撞時能量損失很小,離子和原子的平均動能小于電子,系統(tǒng)的整體溫度不是很高。3.2數(shù)據(jù)處理和分析帶入數(shù)據(jù)到(10)式得:從式(10)4結論直流輝光放電產(chǎn)生的等離子體是非平衡態(tài)的等離子體,是電子、離子、氣體分子共存的氣體,電子的密度與放電電壓、放電管
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