直流輝光放電等離子體參數(shù)的測量及分析課件

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(jié)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(yīng)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(lǐng)域，為進一步提高它在各個領(lǐng)域的應(yīng)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(dāng)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(dǎo)電性能接近良導(dǎo)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(guān)。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(yīng)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(dǎo)體，這個金屬導(dǎo)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(guān)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(zhì)量很小，當(dāng)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(jié)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(guān)，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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。電子濃度、電子溫