平行板放電發光條紋特性

哈靜，劉立芳，何壽杰

（1.河北農業大學 理學院，河北 保定 071001；2.河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002）

氣體放電中的發光條紋是指放電過程中在正柱區出現的一種明暗相間的發光現象.直流放電中的條紋通常被解釋為一種電離波或離子聲波，這種波的產生機理被認為是由于氣體分子分步電離導致的放電不穩定性［1］.條紋按是否發生移動分為穩定的條紋和移動的條紋［1］.穩定的發光條紋能夠被肉眼清晰所見，主要發生在氫氣、氮氣、空氣等雙原子氣體環境中.而移動的條紋一般存在于惰性氣體中，其移動速度可以達到10～1 000m／s，不易被眼睛觀察到.氣體放電中條紋現象的存在，一方面破壞了放電的穩定性，限制了其在生產和生活中的應用；另一方面，由于條紋特性與放電特性（電場、粒子密度等）密切相關，因此有可能開辟一條新的等離子體診斷方法.因此自從發現以來人們對其進行了廣泛的研究，但是至今人們對于其形成機理和特性仍然存在很多爭論，因此放電過程中條紋的等離子體參數依然是人們研究的熱點課題之一［2－3］.光譜診斷法由于對不同尺寸、均勻或非均勻等離子體等都可進行精確診斷，同時不會對等離子體本身特性產生干擾，現已廣泛地應用于等離子體參量測量中［4－5］.本文利用發射光譜法研究了氮氣環境下平行板放電中條紋的發光特性，得到了條紋區氮氣分子振動溫度的空間分布特性.

1 實驗裝置和計算方法

1.1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意圖，陰極和陽極分別為銅制圓盤，陰極和陽極之間為長5cm，內直徑為0.5cm的石英管.放電系統被置于真空室內，真空室側面開有一觀察窗口，以利用相機和光譜儀（HR4000CG）進行發光特性的測量.光纖一端接光譜儀，另一端與一透鏡系統相連，透鏡系統和與其相接的光纖固定于可移動的平臺上，高壓直流電源通過一個限流電阻與陰極相連，陽極通過電流表接地，放電電流通過電流表測量得到.實驗中所用氣體中氮氣的質量分數為99.99%.

假設空心陰極出口處坐標為坐標原點，從陰極指向陽極的方向為x軸正方向.通過光學平臺調整透鏡系統和光纖沿x軸方向進行逐點掃描可以測量得到發光條紋不同位置處的發射光譜.

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic of experimental set－up

1.2 N2分子振動溫度的計算

分子振動溫度是等離子體研究中重要的參數之一［4－6］.分子振動溫度與電子－分子之間碰撞截面密切相關.碰撞截面由電子能量決定，并且振動激發是電子能量損失的主要途徑之一.

根據雙原子分子理論，振動譜帶的強度依賴于上態躍遷的粒子總數Nv′和Av′v″躍遷幾率.對分子譜線，可以寫成［7］

其中v′，v″分別為上下態振動量子數，h為普朗克常數，c為光速.對于雙原子分子，分子振動能級的振動能量由式（2）給出

其中ωe，ωeχe和ωeye是一個電子能級的振動常數.對N2分子而言，ωe＝2 035.10cm－1，ωeχe＝17.08cm－1，第3項以及后面高次項可忽略不計［7］.

上態粒子數分布Nv′滿足玻爾茲曼分布，即其中，N0為原子數密度；k為波爾茲曼常數；T為振動溫度.

綜合（1），（2），（3）式，可以得到

2 實驗結果與討論

2.1 發光光譜

圖2為氣壓90Pa，電流為0.5mA時拍攝得到的發光條紋圖像，其中陰極口處的亮光區為負輝區，中間的暗區為法拉第暗區，而在正柱區內可見清晰地明暗相間的發光條紋.對于發光明紋，由陰極向陽極分別對應于第1，2，3，4，5和6級.

圖2 放電條紋的發光圖像Fig.2 Images of striation

為了計算氮氣分子的分子振動溫度，測量得到了氮氣分子的第二正帶系N2（C3Пu→B3Пg）的發射光譜.圖3為90Pa，放電電流為0.5mA時第2級明紋中心處測量得到的發射光譜.圖3同時給出了第二正帶系各發射譜線的振動序帶.

2.2 分子振動溫度的空間分布

利用氮氣分子第二正帶系N2（C3Пu→B3Пg）3組振動序帶計算 N2分子振動溫度，分別為Δν＝－1（0－1，1－2，2－3），Δν＝－2（0－2，1－3，2－4），Δν＝－3（0－3，1－4，2－5）.計算所用參數取自文獻［8］.圖4為與圖3所測光譜相對應的lnB隨分子振動能量變化圖，斜率為－3.4×10－4，對應的分子振動溫度為4 050K.實驗分別對不同級明紋中心進行光譜測量，并利用上述理論對明紋中心的分子振動溫度進行了計算.圖5為分子振動溫度沿軸向的分布圖.從圖5可以看出，從陰極向陽極方向明紋中心的分子振動溫度先增加，后減少.第1級明紋處分子振動溫度為3 970K，第5級明紋時達到了4 300K，第6級明紋降低到4 170K.由（3）式可知，分子振動溫度越高，表明上態粒子數越高.而上態粒子是由于基態分子和電子碰撞激發躍遷至激發態.由發光條紋形成機理可知，條紋區的平均電場強度與相鄰條紋間的間距相關.而由圖2計算得到的條紋間距基本相等，因此每個級別條紋間的平均電場強度應該相等.假設電子能量只與平均電場強度有關，則各條紋間的電子平均能量基本不變，因此上態激發粒子數目主要是由電子密度決定的.從分子振動溫度分布圖可知，由陰極向陽極，電子數目不斷增加.但是當接近陽極時，由于陽極對電子的強烈吸收作用，造成電子密度出現下降，引起碰撞激發速率下降，造成激發態粒子數目和分子振動溫度下降.

2.3 氣壓對條紋特性的影響

圖6和圖7為放電電流為0.5mA，不同氣壓下分子振動溫度和發光條紋圖像.由圖可知，隨著氣壓的升高，相同級別明紋中心處分子振動溫度和正柱區長度增加，條紋間距（相鄰明紋或相鄰暗紋間的距離）減小.當氣壓增加到200Pa時，只能分辨出第1級明紋，靠近陽極端條紋消失，發光均勻.氣壓增高時，正柱區放電區域在徑向出現收縮，帶電粒子密度增加，同時由于基態氮氣分子密度隨著氣壓的增高而增加，激發碰撞幾率增加，從而使更多數目的基態氮分子躍遷至激發態，引起分子振動溫度的升高，而隨著激發碰撞幾率增加，基態氮分子可以在更短的距離內被激發到激發態，因此條紋間距隨著氣壓的增高而降低.另外，由圖7可知，氣壓增高時，條紋間距減小，因此條紋間的平均電場隨著氣壓的增高而升高，引起平均電子能量的增加.這也是造成分子振動溫度隨氣壓升高而升高的原因.

圖3 第1明紋中心處N2發射光譜N2（C3Пu→B3Пg）Fig.3 Emission spectra of first bright striation for N2（C3Пu→B3Пg）

圖4 分子振動擬合曲線（0.5mA，第2級明紋） Fig.4 Fitted vibrational temperature（0.5mA，second bright striation）

圖5 不同級別明紋中心振動溫度分布Fig.5 Vibrational temperature of bright striations

圖6 不同氣壓時明紋中心分子振動溫度 Fig.6 Vibrational temperature of bright striationsat different pressure

圖7 不同氣壓下的放電圖像Fig.7 Images of discharge at different pressure

3 結論

利用發射光譜法研究了平行板放電條紋的發光特性，結果表明放電電流0.5mA，氣壓90Pa時，明紋中心處的分子振動溫度為3 970～4 300K.由陰極向陽極，明紋中心處的分子振動溫度先增加后下降，并且相同級別的明紋中心處分子振動溫度隨著氣壓的升高而升高.另外，氣壓增加時條紋間距減小，條紋區總長度增加.本工作對于進一步理解放電條紋形成機理和特性具有一定的參考意義.

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