等離子體輝光放電光強(qiáng)分布特性研究

陳鋼++張航++嚴(yán)金華

摘要：為了解等離子體輝光放電過程中各個(gè)區(qū)域的放電特性，利用FB9001型冷陰極輝光放電儀對(duì)氣體放電的等離子體特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中對(duì)等離子體輝光放電時(shí)放電管中的光強(qiáng)分布進(jìn)行拍照記錄，得出等離子體輝光放電中光強(qiáng)的圖像，繪制出其光強(qiáng)的縱向分布曲線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與等離子體輝光放電光強(qiáng)分布的理論曲線基本一致，為認(rèn)識(shí)輝光放電各區(qū)域的放電特性提供了一種非常直觀、簡單的實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：等離子體；輝光放電；光強(qiáng)分布

1.引言

作為物質(zhì)第四態(tài)的等離子體有著很多獨(dú)特的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，國內(nèi)外對(duì)于等離子體輝光放電現(xiàn)象研究了其電子濃度、離子濃度、電子溫度等電學(xué)特性。如研究等離子體放電過程中的電壓-電流特性[1]，電子分布特性[2]，等離子體溫度[3]，等離子體的均勻性[4]。另外發(fā)展出利用利用等離子體開展診斷[5，6]，材料表面改性[7]等等。等離子體在生活中也比較常見，比如日光燈中的等離子體放電，各種氣體激光器中的等離子體，等離子體電視機(jī)等。但由于等離子體的獲得往往比較麻煩，在本科及研究生教學(xué)中很難開展，也不是很普及。即便開展這方面的實(shí)驗(yàn)，也大多停留在表面，比如放電電壓、電流及真空度的一些測(cè)量。而對(duì)等離子體內(nèi)在的特性，如放電區(qū)的能量分布，電子溫度，電子濃度等內(nèi)在特性，往往學(xué)生很難了解清楚。而這些內(nèi)在特性才是等離子體能夠被很好利用的主要特征，因此在有條件的情況下開展等離子體內(nèi)在參量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從基本原理到實(shí)際應(yīng)用的全方位學(xué)習(xí)的素質(zhì)和能力。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過直流輝光放電實(shí)驗(yàn)理解輝光等離子體放點(diǎn)時(shí)的光強(qiáng)分布及特性，繪制出理論輝光放電光強(qiáng)分布曲線圖，并與實(shí)際輝光放電光強(qiáng)分布圖進(jìn)行比較。利用實(shí)驗(yàn)室已有的放電等離子體參量測(cè)試儀，測(cè)量空氣放電的各項(xiàng)參數(shù)，從而有助于認(rèn)識(shí)等離子體特性。實(shí)驗(yàn)要解決的問題是氣體的充放、真空環(huán)境的保持，以及最后參量測(cè)量結(jié)果的理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比等，進(jìn)而深入研究等離子體的各種特性。

2.實(shí)驗(yàn)原理

將氣體密封在一個(gè)長圓柱形玻璃放電管中，并將管內(nèi)的氣壓控制在幾十帕，再在放電管二端的陰極和陽極之間加上可調(diào)節(jié)的直流高壓，當(dāng)所加直流高壓達(dá)到某一個(gè)電壓值時(shí)，放電管內(nèi)氣體就會(huì)發(fā)生輝光放電現(xiàn)象，適當(dāng)調(diào)節(jié)放電電壓和放電電流，可以看到放電管內(nèi)充滿了明亮發(fā)光的等離子體，而整個(gè)放電空間又被分割為明暗相間的八個(gè)光層[8]，如下圖所示，其中6區(qū)域即為等離子正柱區(qū)。

3.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中使用FB9001型冷陰極輝光放電演示儀一套，利用機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，在系統(tǒng)真空度達(dá)到約10Pa時(shí)，關(guān)閉隔膜閥和微調(diào)閥，維持一定的真空度。逐步提高陽極高壓，當(dāng)電壓表指示值到達(dá)1.2kV左右，放電管起輝，放電開始維持。此時(shí)再調(diào)節(jié)高壓調(diào)壓器，電壓幾乎不再增高，而電流表指示值逐漸增加，當(dāng)電流到達(dá)10mA左右，即可觀察到穩(wěn)定的輝光放電等離子體及其不同的特征區(qū)域。實(shí)驗(yàn)過程中，為了能觀察到清晰的各個(gè)區(qū)域，需要對(duì)真空壓強(qiáng)、放電電壓及電流進(jìn)行合適的選擇，否則可能有個(gè)別的特征區(qū)域不明顯，難以區(qū)分。當(dāng)能夠出現(xiàn)清晰的各個(gè)區(qū)域的特征后，記錄圖像，如圖2所示。然后利用軟件將放電管軸線處的亮度定量表述并畫出曲圖，如圖3所示。

圖4為光強(qiáng)分布的理論變化圖，從圖中可以看出輝光放電的8個(gè)區(qū)中最明顯的是等離子正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)。從圖2 的光強(qiáng)分布來看等離子正柱區(qū)雖然不是最亮的區(qū)域，但卻是最均勻，分布最廣的區(qū)域。從圖中可以很輕易的分辨出法拉第暗區(qū)和等離子正柱區(qū)，另外大致可以分出阿斯頓暗區(qū)（ab段）、陰極輝區(qū)（bc段）、陰極暗區(qū)（cd段）、負(fù)輝區(qū)區(qū)（de段）、法拉第暗區(qū)（ef段）、等離子體區(qū)（fg段）、和陽極暗區(qū)（gh段）。可以看出等離子區(qū)亮度分布還是相對(duì)均勻的，而陰極輝區(qū)和負(fù)輝區(qū)由于亮度比其它地方大得多，阿斯頓暗區(qū)、陰極暗區(qū)范圍很小，因此曲線走勢(shì)非常陡峭，不太容易區(qū)分。但和理論曲線的符合程度還是很高的。

4.小結(jié)

為了對(duì)等離子體特性有深入的了解，利用實(shí)驗(yàn)室FB9001型冷陰極輝光放電演示儀進(jìn)行了等離子體輝光放電實(shí)驗(yàn)，研究了放電氣壓、電壓、電流等參量對(duì)放電特性的影響。在合適的參數(shù)下，能夠觀察到清晰完成的8個(gè)放電區(qū)域的特性。然后記錄實(shí)驗(yàn)圖片，并用圖像軟件提取軸線處的亮度分布圖，從而更明確地顯示出放電管中各個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分布曲線分布比較一致。該方法對(duì)認(rèn)識(shí)放電等離子體特性提供了一種非常直觀、簡單的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洪志，崔海峰，姚斌.氣體放電等離子體特性測(cè)量I-V曲線不對(duì)稱性的研究.物理實(shí) 驗(yàn)，2006，26（7）

[2]盧志瓊，楊中海，金曉林.直流輝光放電中電子分布特性的研究.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院.2008-5

[3]凌一鳴，鮑煒. 用探極-光譜法診斷扁平氦氖激光器放電等離子體電子溫度[J]. 激光雜志，1990，11（3）：128-130

[4]林立中.直流輝光放電正柱區(qū)等離子體軸向不均勻性及不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究.福州大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理系.2005-4

[5]徐彪，低溫等離子體技術(shù)在高分子材料表面改性中的應(yīng)用研究，南京理工大學(xué).2008

[6]張曉輝，同軸ECR微波等離子體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大連理工大學(xué).2007

[7]Auciello O.等離子體診斷（第一卷）[M].鄭少白，胡建芳，郭淑靜，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1994.136～137.

[8]馬養(yǎng)武，陳鈺清，激光器件，浙江大學(xué)出版社，2002.6 4-5