DHPD1型等离子体诊断实验仪要点.docx

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DHPD1型等离子体诊断实验仪要点

等离子体发生技术及应用

DHPD-1型等离子体诊断实验仪

（附实验讲义）

使

用

说

明

书

杭州大华科教仪器研究所

杭州大华仪器制造有限公司

一、气体放电原理

干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。

这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。

依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。

主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。

20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。

气体放电的基本物理过程，气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：

激发、电离、消电离、迁移、扩散等。

基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。

激发 荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。

这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。

要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态，就必须给予（Em-E1）的能量；这个能量所相应的电位差设为Eve，则有

Eve＝Em-E1

电位ve称为激发电位。

实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。

引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。

受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态，并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。

气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。

在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态，这时便称为处于亚稳状态，处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。

亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：

一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子，升到更高的能级，然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。

另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能，它本身回到常态。

亚稳原子的寿命约为10-4～10-2秒；由于它寿命较长，在放电中常常起重要的作用。

当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。

这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。

电离 电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。

与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。

Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。

同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。

引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。

如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。

在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。

这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。

这个过程称为潘宁效应。

消电离 如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。

消电离的方式有三种：

①电子先与中性原子结合成为负离子，然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。

②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。

③电子与正离子直接复合。

迁移 在电场作用下，带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。

经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比

U＝KE

系数K称为电子（离子）迁移率。

对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数，而与电场强度E有关。

扩散 当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。

带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。

扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。

多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。

其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况，这时出现所谓双极性扩散。

这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散，其基本特征是：

电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。

结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。

两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。

在管壁附近，双极性扩散受到管壁的影响。

此时，电子运动速度快，先附于管壁，使管壁带负电位。

负电位阻止后来电子的抵达，但吸引正离子，在其附近形成正电荷鞘层。

在鞘层中，电子的浓度随着接近管壁而递减，最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。

二、仪器结构及说明

结构说明：

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。

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。

三、仪器主要配置及组成

DHPD-1等离子体诊断实验仪装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统等部分组成，具有结构合理、调节方面、测量参数多等特点。

气体放电管：

采用玻璃烧结而成，内附两组钨丝探针。

及两边采用不锈钢材料制成的水冷套及放电管固定托架。

测量系统：

包括辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压测量

放电管电压表：

三位半数显，测量范围是0～2000V，测量精度2%

辉光电流表：

三位半数显，测量范围是0～2A，共分5档，测量精度0.5%

探针电压表：

三位半数显，测量范围：

0～±200V，测量精度0.5%

探针电流表：

三位半数显，测量范围：

0～20mA，测量精度0.5%；

击穿电压测量：

三位半数显，测量范围：

0～2V，测量精度0.5%；

测量系统包括两组直流稳压稳流电源：

一组放电管工作电压，调节范围是0～1500V，另一组为探针测量电源，调节范围是0～±100V，稳定度0.5%。

真空系统：

采用2XZ-2型旋片真空泵，对密封容器抽除气体而获得真空，真空的测量采用热偶真空计，用于测量本底真空和工作时的工作气压。

真空的密封采用金属和橡胶密封；真空调节采用隔膜阀粗调和微调阀精细调节，调节快速方便、稳定性好。

2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标：

1）工作电压：

AC220V/50Hz2）抽气速率：

2L/S

3）极限压力：

6×10－1Pa4）电机功率：

0.37KW

5）进气口内径：

25mm6）用油量：

0.65L

7）噪声：

72LwdB（A）

进气系统：

进气通过金属管路联接，可通入不同的工作气体，通过转子流量计控制气体的流量，同时通过高真空微调阀调节，达到控制放电管中的工作压强。

四、技术参数及特性

1、工作电压：

AC220V±5%50HZ

2、整机功率：

最大功率1.5KW

4、整机重量：

约100Kg

5、外形尺寸（mm）：

长1000×宽660×高1230

6、放电管：

ф30×350mm

7、电极距离：

30～320mm可调

8、工作气压：

10Pa～200Pa

9、工作电压：

0V～1500V连续可调，电压稳定度1%

10、放电电流：

10-6A～0.3A可测

11、探针工作电压：

0～±100V，稳定度0.5%

12、探针电流测量范围：

0～20mA

五、设备安装及调试

1、安装环境要求

1）、电源：

AC220V，50Hz，最大功率1.5KW

2）、温度、湿度、气源及冷却水：

应保障设备工作稳定正常

3）、安装室：

室内整洁，空气流通，无尘埃。

4）、接地线：

室内具有独立接地线＜3Ω

2、安装顺序

1）、确认安装环境满足设备安装要求

2）、检查设备良好情况（检查在运输过程中是否造成损坏）

3）、检查放电管及放电管部件是否完好无损

4）、安装放电管部件托架。

5）、确认各电气部件完好无损。

6）、连接真空管路及真空橡胶管。

7）、连接好设备地线。

8）、关闭流量计，连接好外接气源。

六、设备操作使用及注意事项

1）、检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。

2）、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。

3）、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。

4）、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。

6）、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。

7）、将功能选择开关打在“放电电流测量”档，开启高压开关按钮，缓慢调节高压调节旋钮，调节到一定的电压时，放电管内将将产生辉光放电现象。

8）、关闭隔膜阀，开启流量计开关，调节一定的流量，给真空室输送工作气源，同时调节微调阀使工作气压达到所需要求。

9）、试验结束时，将高压电源调至0，关闭高压开关按钮，关闭气路，关闭真空泵，关闭冷却水，关闭总电源，拔掉总电源线。

七、设备维护

1、定期更换冷却水，清洗冷却水箱，保证循环水系统的正常工作。

2、在放电管壁受到污染时及时打开真空反应室，清洁放电管管壁（避免用尖锐物体划伤放电管内壁）。

3、所有电气旋钮及开关状态在使用前一定要确认是否在“原始”状态。

4、真空系统维护：

1）、注意真空泵换油；

2）、注意反应室及管道清洁；

3）、注意密封面清洁；

4）、真空系统停机前先关真空计电源，然后再进行其它操作

5）、实验结束后将真空室报空。

八、常见故障及解决办法

真空计指示不正常。

可能原因：

规管或传感器上的输出线脱落或松脱，规管或传感器内进油被污染。

处理办法：

检查接线，如进油，将规管或传感器撤下用乙醇溶液小心清洗，并风干。

1-1气体放电特性与原理

气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产生的，这种现象称为气体放电。

气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。

下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。

如图

（1）所示为直流放电管电路示意，放电管是一个低压玻璃管，管两端接有直流高压电源的圆形电极，图中R是可调式限流电阻，用以测量电流—电压特性，亦称放电伏安特性，Va为直流电源，V是放电管的极间电压，是放电电流。

在电极两端施加电压时，通过调节电阻R值可得到气体放电的伏安特性，如图

（2）所示，

图

（1）直流放电管电路示意图

由气体放电的伏安特性曲线可看出，开始在A、B点间电流随电压的增加而增加，但此时电流上升变化得较缓慢，表明放电管中气体电离度很小，继续提高电压，电流不再增加，呈本底电离区的饱和状态，继续提高电压，电流会迅速地呈指数关系上升，从C到E区间，这时电压较高但电流不大，放电管中也无明亮的电光，自E点起，再继续提高电压，发生了新的变化，此时电压不但不增高反而下降，同时在放电管内气体发生了电击穿，观测到耀眼的电光，这时因电离而电阻减小，但电流开始增长，在E点处对应的电压VB称为气体的击穿电压。

放电转变为辉光放电，电流开始上升而电压一直下降到F点，然后电流继续上升但电压恒定不变直到G点，而后电压随电流的增加而增加到H点，放电转入较强电流的弧光放电区。

I和J之间是非热弧光区，电流增加电压下降，在J和K之间是热弧光区，等离子体接近热力学、动力学平衡，从I到K的弧光放电区属于热等离子特性，在等离子体化学中很少应用。

图

（2）气体放电伏安特性曲线

AB段为非自持放电本底电离区；BC段为非自持放电饱和区；