DHPD1型等离子体诊断实验仪要点.docx

1、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

2、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EveEm- 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

3、-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10-410-2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

4、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

5、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：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。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。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UKE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

6、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

7、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、

8、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02000V，测量精度2%辉光电流表：三位半数显，测量范围是02A，共分5档，测量精度0.5%探针电压表：三位半数显，测量范围：0200V，测量精度0.5%探针电流表：三位半数显，测量范围：020mA，测量精度0.5%；击穿电压测量：

9、三位半数显，测量范围：02V，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01500V，另一组为探针测量电源，调节范围是0100V，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/50 Hz 2）抽气速率：2L/S3）极限压力：6101 Pa 4）电机功率：0.37KW5）进气口内径：25mm 6）用油

10、量：0.65L7）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： AC220V5% 50HZ2、整机功率： 最大功率1.5KW4、整机重量： 约100Kg5、外形尺寸(mm)： 长1000宽660高12306、放电管：30 350mm7、电极距离：30320mm 可调8、工作气压：10Pa200Pa9、工作电压：0V1500V连续可调，电压稳定度1%10、放电电流：10-6A0.3A可测11、探针工作电压：0100V，稳定度0.5%12、探针电流测

11、量范围：020mA五、设备安装及调试1、安装环境要求1）、电源： AC220V，50Hz，最大功率1.5KW2）、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32、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）。

12、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

13、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

14、：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

15、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；