直流辉光放电中等离子体诊断实验指导手册(教师用)-东北大学
直流辉光等离子体系列实验报告-复旦大学物理教学实验中心
直流辉光等离子体系列实验报告陈金杰合作者张帆指导老师乐永康（复旦大学物理系上海 200433）摘要：利用直流辉光等离子体实验装置,获得等离子体。
并研究直流低气压放电现象，测量等离子体伏安曲线，测定气体击穿电压验证帕邢定律，利用Langmuir单探针和Langmuir双探针测量等离子体的密度、温度和德拜长度等参数。
并就相关现象进行讨论。
关键词：直流辉光等离子体气体放电伏安特性击穿Langmuir探针引言：关于等离子体等离子体（Plasma）是一种由大量正、负带电粒子和中性粒子组成的准中性气体，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。
等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。
等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。
严格来说，等离子是具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的的自由电子。
等离子体可通过放电、加热、光激励等方法产生,它有以下特点: [1](1) 电子温度高于离子温度由于电子和离子的质量差别悬殊,电子更容易从电场中获得能量,因此电子的平均动能远大于离子的平均动能,即电子和离子有各自独立的不同平衡温度。
电子温度比离子温度高得多,而离子温度与等离子体中中性粒子温度一样。
引入等离子体中的极板也可以保持较低的温度。
等离子体高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。
(2) 具有丰富的活性粒子通过与电子的非弹性碰撞,各种粒子得到活性激发。
这些活性粒子具有不同能量,可在固体表面发生各种物理和化学效应。
所以需要在很高温度下才能进行的化学反应在等离子体中很容易完成。
(3) 存在等离子体鞘层在等离子体中引入负(或正) 电极,为屏蔽外电势对等离子体的影响,在电极周围形成正(或负) 电荷层,称为等离子体鞘层。
辉光放电等离子体特性实验研究
它们 各 自得 到 的 电流 相 等 ， 所 以外 电流 为零 。然
而， 一般说来 ， 由于两个探针所在的等离子体 电位
稍 有不 同 ， 所 以外加 电压 为零 时 ， 电流 不是零 。随 着 外加 电压 逐 步 增 加 ， 电流 趋 于 饱 和 。最 大 电流 是饱 和 离子 电流 、 。
第２ ８ 卷
第５ 期
大
学
物
理
实
验
Ｖ０ １ ． ２ ８ Ｎｏ ． ５ Ｏｅ ｔ ． ２ ０１ ５
２ ０ １ ５年 １ Ｏ月
Ｐ ＨＹＳ Ｉ Ｃ ＡＬ Ｅ ＸＰ Ｅ ＲＩ ＭＥ ＮＴ ＯＦ Ｃ ０Ｌ Ｌ ＥＧＥ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ － ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ０ １ ８ － ０ ４
实验 中采 用探针 法 。探 针法 分单探 针 法和双
探针 法 。
（ １ ） 单探针法 。探针是封入等离子体 中的一 个小 的金属 电极 （ 其 形 状 可 以是 平 板形 、 圆柱 形 、
球形 ） 。以放 电管 的 阳极 或 阴极 作 为 参 考 点 ， 改 变探 针 电位 ， 测 出相应 的探 针 电流 ， 得 到探针 电流
１ 气体放 电等离子体实验原理
１ ． １ 稀薄气 体产 生 的辉光放 电
与其 电 位 之 间 的 关 系 ， 即 单 探 针 伏 安 特 性 曲线 。
辉光放 电是气体导电的一种形 态， 在置有板 状 电极 的玻璃管内充人低压气体或蒸气， 当两极
间电压较高 （ １ ０ ０ ０伏 ） 时， 稀薄气体 中的残余正 离 子在 电场 中加速 ， 有 足够 的动 能轰击 阴极 ， 产生
辉 光 放 电等 离 子体 特 性 实 验研 究
辉光放电等离子体等效电路模型建立及验证
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摘要
摘要
对于低气压辉光放电等离子体特性的研究，广大科研工作者一般采用专业的 多物理场仿真软件进行仿真模拟以辅助理论研究。仿真模拟能够有效的帮助全面 分析物理模型，及其里面各种场相互作用，粒子的碰撞等等。然而仿真模拟也存 在无法收敛的风险和计算时间过长的不足，而且仿真的可靠性严重依赖于参数设 置的精确度以及化学反应式的正确与否。本文提出一种新的方法，首先测量得到 装置的电压、电流波形，然后通过电路仿真的方法匹配得出等离子体等效电路模 型中的元器件参数，最后根据等离子体的等效电路理论利用元器件参数进一步求 得等离子体的主要参数。本文做了以下几部分工作：
学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。
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本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位 后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。
A thesis submitted to XIDIAN UNIVERSITY in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electronic Science and Technology
By Lin Hao Supervisor: Prof. Li Xiaoping December 2014
直流辉光等离子体系列实验报告 复旦大学物理教学实验中心fudan
直流辉光等离子体系列实验报告陈金杰合作者张帆指导老师乐永康（复旦大学物理系上海 200433）摘要：利用直流辉光等离子体实验装置,获得等离子体。
并研究直流低气压放电现象，测量等离子体伏安曲线，测定气体击穿电压验证帕邢定律，利用Langmuir单探针和Langmuir双探针测量等离子体的密度、温度和德拜长度等参数。
并就相关现象进行讨论。
关键词：直流辉光等离子体气体放电伏安特性击穿Langmuir探针引言：关于等离子体等离子体（Plasma）是一种由大量正、负带电粒子和中性粒子组成的准中性气体，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。
等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。
等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。
严格来说，等离子是具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的的自由电子。
等离子体可通过放电、加热、光激励等方法产生,它有以下特点: [1](1) 电子温度高于离子温度由于电子和离子的质量差别悬殊,电子更容易从电场中获得能量,因此电子的平均动能远大于离子的平均动能,即电子和离子有各自独立的不同平衡温度。
电子温度比离子温度高得多,而离子温度与等离子体中中性粒子温度一样。
引入等离子体中的极板也可以保持较低的温度。
等离子体高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。
(2) 具有丰富的活性粒子通过与电子的非弹性碰撞,各种粒子得到活性激发。
这些活性粒子具有不同能量,可在固体表面发生各种物理和化学效应。
所以需要在很高温度下才能进行的化学反应在等离子体中很容易完成。
(3) 存在等离子体鞘层在等离子体中引入负(或正) 电极,为屏蔽外电势对等离子体的影响,在电极周围形成正(或负) 电荷层,称为等离子体鞘层。
等离子作业指导书
等离子作业指导书一、背景介绍等离子作业是指在等离子体物理学领域中进行的实验、研究或工程应用。
等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的高度电离的气体状态，具有很高的热度和电导率。
等离子作业的目的是研究等离子体的性质、行为和应用，以及开发相关的技术和设备。
二、作业目标本次等离子作业的目标是掌握等离子体基本特性的实验测量方法和技术，了解等离子体在各个领域的应用，以及掌握等离子作业所需的安全操作规范。
三、作业内容1. 等离子体实验测量方法和技术a. 等离子体参数测量：介绍常用的等离子体参数测量方法，如等离子体密度、温度和电荷等的测量方法和仪器。
b. 等离子体诊断技术：介绍等离子体诊断技术的原理和应用，如光谱诊断、电子探测器和探针诊断等。
c. 等离子体模拟与仿真：介绍等离子体模拟与仿真的方法和软件工具，如等离子体流体模拟、粒子模拟和电磁场模拟等。
2. 等离子体在各个领域的应用a. 等离子体物理学研究：介绍等离子体物理学的基本理论和研究方法，以及等离子体在天体物理学、核物理学和凝聚态物理学中的应用。
b. 等离子体工程应用：介绍等离子体工程应用的基本原理和技术，如等离子体刻蚀、等离子体喷涂和等离子体焊接等。
c. 等离子体在能源领域的应用：介绍等离子体在核聚变、等离子体切割和等离子体发电等能源领域的应用。
3. 等离子作业安全操作规范a. 等离子体实验室安全操作规范：介绍等离子体实验室的安全操作规范，包括防护措施、紧急处理和事故预防等。
b. 等离子体设备操作规范：介绍等离子体设备的操作规范，包括设备启动、运行和停止等操作步骤。
c. 等离子体工程施工规范：介绍等离子体工程施工的规范要求，包括设备安装、电气接线和安全检查等。
四、作业要求1. 学习资料：自行查找相关学习资料，包括教科书、学术论文和实验手册等。
2. 实验操作：根据学习资料进行实验操作，掌握等离子体实验测量方法和技术。
3. 文献阅读：阅读相关文献，了解等离子体在各个领域的应用和研究进展。
辉光放电等离子体诊断
(5)、探针表面没有热电子和次级电子的发射。
则：对于插入等离子体的单探针有：
随机电流： ，Байду номын сангаас
根据玻耳兹曼定理：
电子密度
式中：Vp为探针电位，Vs为等离子体电位
所以：探针电流
而对于插入等离子体的双探针有：
设探针的面积分别为A1,A2；电位为V1,V2；电压V=V1-V2≥0。
c:等离子体频率：表示等离子体对电中性破坏的反应快慢，是等离子体震荡这种集体效应的频率为。
粒子震荡频率：
电子震荡频率：
d:德拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电荷的“鞘层”。
德拜长度：
2、等离子体参数的静电探针诊断原理
流过探针1，2的离子和电子电流分别为：i1+，i1-，i2+，i2-。
对双探针整体为悬浮的故：
则从2流入1的电流为：
，
所以：
故：
大致I-V函数关系曲线见下图：
由此可知：电子温度：
等离子体密度：
注：
图11、理想双探针曲线
三、实验仪器：
DH2005直流辉光等离子体实验装置
1、总电源开关2、冷却水电源开关3、真空泵电源开关4、电阻真空计开关5、高压电源开关6、探针电源7、高压调节旋钮8、高真空微调阀9、隔膜阀调节旋钮10、工作选择开11、电流量程选择开关12、探针电压调节电位器(粗调) 13、探针电压调节电位器（细调）14、放电管电压测量表15、辉光电流测量表16、击穿电压测量表17、暗电流测量表18、探针电压表19、探针电流表20、电阻真空计21、转子流量计22、总电源指示灯
等离子体电子工程(21)—辉光放电与低温等离子体
（5.6）
该式表明，Te 随着 pa 的增大而降低。图 5.5 表示了氦放电时详细 理论计算结果
图 5.5 电子温度 Te 随压强 p 增高而降低的计算结果（半径为 a 的氦正柱区）
在正柱区，电子是由于直流电场的焦耳加热效应而吸收功率的。 根据第 2 章的公式（2.3）和第 3 章的公式（3.29） ，电场 E 所导致的 电子漂移速度为 ud e E ，电流密度为 eneud ；正柱区单位长度上所加 电压 E[V ] ， 所以单位体积中电子吸收的功率为 Pabs eneud E 。 另一方面， 作为正柱区内功率的损失过程，我们可以列举弹性碰撞或电离、激发 以及带电粒子在管壁上的复合等（参见 3.6 节） 。这里，我们假设主 要的损失是弹性碰撞引起的功率损失 ne (2me / mi ) e (3 Te / 2) 和非弹性碰 撞中电离的功率损失 eVI I ne ，那么从能量平衡原理可以得到下式：
eneud E 3me e ne Te eVI I ne mi
（5.7）
5.2.4 各种条件下的辉光放电 压强为 1Torr 量级的直流辉光放电的基本特征已经在图 5.4 中给
予了描述。 当降低压强时， 阴极区域的长度 dc 会伸展， 正柱区会变短； 当压强下降很多时，正柱区最终会消失，放电管的绝大部分区域将是 负辉区，即从图 5.4（c）状态转移到图 4.1 的状态。在这样的低气压 辉光中， pd c 值低于帕邢定律中的极小值（ ( pd ) min ） ，维持放电所需的 鞘层电压 Vc 较高，电场也较强。在图 4.1 中那样以负辉区为主体的放 电类型中，还有低气压时的热阴极 DC 放电【见图 5.1（b） 、 （c ） 】以 及等离子体工艺中常用的平行板型 RF 放电（见图 6.3） 。 另一方面， 从 1Torr 向上增大压强会引起与上述过程相反的现象： 负辉区及其两侧的暗区缩小，正柱区扩展。这样的辉光放电现象通常 是发生在 100Torr 以下。在约为一个大气压的情况下，虽然辉光放电 的维持是可能的，但这时必须注意选择外部电路的参数，并要对阴极 进行强冷却以至于不进入电弧放电状态。这样的高气压辉光，最近在 等离子体工艺中得到应用，其重要性正被人们重新认识。直流高气压 辉光放电在电极间距较长时的特性类似于低气压辉光放电， 在阴极附 近可以看到阴极鞘层区域、负辉区和法拉第暗区。由于压强较高，所 以粒子间的平均自由程较短，正柱区会集中在放电管的中部。集中后 的正柱区有时会在放电管内形成振荡，出现不稳定现象。为便于大家 参考，我们在图 5.6 中给出了铜为阴极时放电电流密度 j 和压强 p 的 关系。这里 j 在压强较低时与 p 2 、在压强较高时与 p 4/3 成正比关系。
直流辉光等离子体气体放电(讲义)(52011060109552354)
1
图（1）气体放电伏安特性曲线
由气体放电伏安特性曲线可看出，在开始电流随电压增加而增加，但此时电流上升变化得较缓慢， 表明放电管中的气体电离度很小，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，电流会呈指数关系上升，这时电压较高但电流不大，放电管中也无明显的电光。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，同时在放电管内的气体发生了击穿，观测到耀眼的电光。 这时因电离而电阻减小，电流开始增长，电压Vs称为气体的击穿电压。放电转为辉光放电，电流开始上升 而电压一直下降到E点，然后电流继续上升但电压恒定不变直到F点，而后电压随电流的增加而增加到G点， 放电转入较强电流的弧光放电区。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区如图(2)所示：
气体放电击穿电压Vs是放电开始击穿所需的最低电压，帕邢在汤森提出气体放电击穿理论之前便在实 验室中发现了在一定的放电气压范围内，气体放电击穿电压Vs是气压（p）和极间距离（d）乘积的函数，
2
即：
Vs = f ( pd )
（2）
上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于 pd 的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。 5）等离子体诊断
-
图（2）低气压放电现象
在直流辉光放电管中，从阴极到阳极基本上可以划分八个区域，即阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗 区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区和阳极辉光区。其中，前三个区总称为阴极位降区。大部分 源电压是在该区域下降，主要是由于从阴极发射出来的电子在阴极位降区被加速。阴极位降区较暗，不发 光。从阴极位降区出来的电子将与负辉区中的原子或分子发生碰撞，使其激发或电离。因此，负辉区发出 的光较明亮。经过负辉区后，电子的能量变得较低，以至没有足够的能量再去激发原子或分子，因此在法 拉第暗区，发光较暗。在正柱区，电场基本上是均匀的，且电子的密度与离子的密度近似相等。因此该区 域就是等离子体区。接近阳极，电子被吸引且受到加速，而离子则被排斥。被加速的电子仍能激发原子或 分子，形成发光的阳极辉光区。
辉光放电与等离子体
辉光放电与等离子体1、辉光放电通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。
气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。
辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。
辉光放电（或异常辉光放电）可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成，也可以用交流（矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频）靶电源通过真空市内的气体放电产生。
气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。
（1）直流辉光放电①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加；②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值（即饱和值）；③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升当电极间的放电电压大于某一临界值（点火起辉电压）时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。
工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。
④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。
其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。
⑵脉冲直流辉光放电脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。
可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。
脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉（因频率较高，肉眼难以分辨）。
溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个（以后）重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。
直流辉光放电等离子体参数测量
谢谢！
主要参考资料： 《气体放电物理》 徐学基 复旦大学出版社 《Light and light sources》Peter Flesch 低温氩等离子体中的单探针和发射发射光谱诊断技术 牛田野 物理学报 第56卷第四期 Mode transitions in low pressure rare gas cylindrical ICP discharge studied by optical emission spectroscopy ,T Czerwiec J.Phys D Appl. Phys. 37,2004 2827 Characterization of argon plasma by use of optical emission spectroscopy and langmuir probe measurements Int. Riaz Ahmad. J. Mod.Phys B Vol.17 No.14 ,2003 ,2749
正柱区Ar光谱
电子温度的计算
选择能够完全分辨的763.5nm和826.5nm谱线
λ（nm） 763.5 826.5 Aji（s-1） 2.45e+7 1.53e+7 Ei（eV） 11.55 11.83 Ej(eV) 13.17 13.28 组态 3p5 4p-3p5 4s 3p5 4p-3p5 4s LScouple
因此，知道饱和离子流和零点处斜率即可求 出电子温度
I kTe eA M
eV ) 2kTe
探针吸收的饱和离子流
I eI-V曲线
dI/dV(V=0)=0.087(uA/v), I+=1.11(uA) 饱和离子流段与理论不符的原因：鞘层厚度增大 曲线没有过0的原因：两探针的面积并非完全相等
直流辉光等离子体气体放电实验
直流辉光等离子体气体放电实验向小雨工物13指导老师：张慧云（2013年10月24日，星期四）摘要本实验通过测定辉光等离子体升压和降压的伏安曲线，探究辉光等离子体在不同气体压强和磁场条件下电学特性的变化，进行了唯象讨论和一定的定量分析。
此外，实验中还尝试利用朗缪尔双探针测量等离子体的电子温度和电子密度，并探究了误差成因。
关键词低温等离子体辉光放电双探针法一、前言电流通过气体的现象称为气体放电。
具有一定能量的电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子将一部分动能传给原子，使原子激发或者电离，即：e−+G0→G∗+e−e−+G0→G++2e−激发原子G∗会产生特定颜色的辉光；产生的气体离子G+成为等离子体的一部分。
等离子体是由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。
事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。
无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体1。
等离子体是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。
等离子体有别于其它物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。
本实验中研究的是低温等离子体。
其中各个粒子的温度并不相同，一般用双温模型来描述。
用Ti表示离子温度，Te表示电子温度，一般电子温度比离子温度高得多。
实验中制备等离子体的方式为气体低压放电，放电过程可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。
其中各个阶段的放电在不同的应用领域由广泛的应用。
这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素看来是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异，经典的直流低气压放电在正常的辉光放电区示意图如图1：图1直流低气压等离子体辉光放电区示意图从左至右，其唯像结构如下：1.阴极区：包括阴极，阿斯顿暗区，阴极辉区和克罗克斯暗区；2.负辉区：是整个放电管中最亮的区域。
实验名称：气体放电等离子体特性实验(一).doc
实验名称：气体放电等离子体特性实验(一) -实验原理: 等离子体是物质存在的第四种形态，与物质三态（固态、液态、气态）相提并论。
等离子体由带正负电荷的粒子和中性原子组成，并在宏观上保持电中性。
气体辉光放电现象分析：当放电管内的气压降低到几十个毫米汞柱以下，两极加以适当的电压时，管内气体开始辉光放电，辉光由细到宽，布满整个管子。
当压力再降低时，辉光便分为明暗相间的八个区域，而大多数的区域集中在阴集附近。
八个极分别是：I阿斯顿暗区，II阴极光层，III阴极暗区，IV负辉区，V法拉第暗区，VI正辉区，VII阳极暗区和VIII阳极辉光。
I阿斯顿暗区(Aston dark space):这是紧靠阴极的一个极薄的区域。
电子刚从阴极发出，能量很小，不能使气体分子电离和激发，因而就不能发光，所以是暗区。
长度约有1毫米。
II阴极光层(Cathode layer):在阿斯顿暗区之后，很微薄的发光层。
因为电子经过区域I被加速，具有了较大的能量，当这些电子遇到气体分子时，发生碰撞，电子的一部分能量使气体分子的价电子激发，当它们跳回到基态时，便辐射发光。
III阴极暗区(Cathode dark space):紧靠阴极光层，两者不易区分。
由于电子经过区域II时，绝大部分没有和气体分子碰撞，因此它所具有的能量是比较大的，但电子激发气体分子的能量又必须是在一定的范围内，能量超过这一范围则激发的儿率是很小的。
因此形成了一个暗区。
在这一区域中，形成了极强的正空间电荷，结果绝大部分的管压都集中在这一区域和阴极之间。
于是正离子以很大的速度打向阴极，因而从阴极又脱出电子，而这些电子又从阴极向阳极方向运动，再产生如上所述的激发和电离的过程。
实验已经确定，阴极暗区的长度d与气体压强P的乘积是一个常数。
即：Pd=常数因此当气体压强降低时，阴极暗区的长度增加。
IV负辉区(Negative glow):它是阴极暗区后面一个最明亮的区域，并与阴极暗区有明显的分界。
双探针法测量直流辉光放电等离子体参数
双探针法测量直流辉光放电等离子体参数刘浏【摘要】郎缪尔探针在测量低气压辉光离子体中被广泛应用。
本文就双探针法测等离子体参数的原理、现象以及结论进行了探讨。
分析了本组的实验结果，求出了不同条件下辉光放电等离子体中的电子温度，分析了功率和气压对电子温度的影响，并就结果中的一些与不理想的部分做出了解释。
【关键词】等离子体参数辉光放电双探针法电子温度1.引言电流通过气体的现象称为气体放电。
从日常生活中的日光灯管、电闪雷鸣，到工业生产中广泛使用的溅射镀膜、离子镀膜、离子轰击等，都与气体放电有关。
具有一定能量的电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子把一部分动能传给原子，使该原子激发或电离，即e-+G0→G*+e-e-+G0→G++2e-激发原子G*会产生特定颜色的辉光；产生的气体离子G+成为等离子体的一部分。
等离子体（plasma）是指电离度大于1％的电离介质，是和固、液、气同一层次的物质存在形式。
在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。
郎缪尔探针法由伸入等离子体内的导体作为探针，向它施加电压，通过测定探针电流，得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参数。
本小组用双探针发对直流辉光放电等离子体的参数进行了测量，本文将对测量的结果进行分析和探讨。
2.直流气体辉光放电放电特性与原理【1】气体低压放电课分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。
其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。
这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在着显著差异。
经典的直流低气压放电在正常的辉光放电区示意图如右图：从左至右，其唯象结果如下：阴极区包括阴极，Aston暗区，阴极辉区和克洛克斯暗区。
负辉区整个放电管中最亮的区域。
其中电场相当低。
几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强爆发。
法拉第暗区在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低。
试验现象和数据分析
直流辉光放电等离子体参数的测量作者：陈斌 合作：周宇辰 指导老师：乐永康摘要：利用直流辉光等离子体实验装置,获得等离子体。
并等离子体伏安曲线，验证帕邢定律，同时利用不同磁场及磁场位置对等离子体的发光现象进行唯像描述，并就相关现象进行讨论。
1、引言等离子体（Plasma ）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态。
等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。
本实验中使用杭州大华仪器制造有限公司的DH2005型直流辉光等离子体实验装置。
2、实验装置和原理：1. 装置：DH2005型直流辉光放电等离子体装置（如下图）图1实物图其中放电管直径45mm ，长200mm ，电极间距在 50-180mm 范围内连续可调，探针直径 1mm 。
实验过程中抽气口接机械泵抽真空，同时进气口持续充纯氩气，通过调节维持恒定的压强。
2. 基本原理1)直流放电形成辉光等离子体的经典结构如下图所示：放电管图2 实验电路阳极 放电管 阴极 双探针 螺母（调节极距）抽气口 进气口在氩气被击穿形成等离子体前，要经历暗放电阶段，包括本底电离区、饱和区、汤森放电区和电晕放电区。
在汤森放电区，当电压继续增加时，若电源高内阻，则电流小，击穿不了气体，放电管处于电晕区；若电源是低内阻，气体就会被击穿，放电将从暗放电区转移到正常的辉光放电区。
2)辉光放电的结构图3a. 阿斯顿暗区：阴极前面的很薄的一层暗区，是F.W.阿斯顿于1968年在实验中发现的。
在本区中，电子刚刚离开阴极，飞行距离尚短，从电场得到的能量不足以激发气体原子，因此没有发光。
b. 阴极辉区：由于电子已具有足以激发原子的能量，在本区造成激发而形成的区域，当激发态原子恢复为基态时就发光。
（发热较大，在实验加高压过程中注意不要持续加高压使放电管受热不均，也可使电极不总处于一个位置）c. 阴极暗区：又称克鲁克斯暗区。
辉光放电
辉光放电（Glow discharge）辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。
比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。
同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。
§6.1 辉光放电的产生及典型条件最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。
调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A特性曲线。
管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。
放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。
限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。
如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。
辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。
辉光放电的典型条件：①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似均匀。
②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。
一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电压U b，否则不能起辉。
§6.2 辉光放电的组成区域和基本特征对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌如图6.2(a)。
从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴极区。
下面对各放电区一一进行介绍。
1、阿斯顿暗区（Aston Dark Space）：它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿斯顿暗区。
应用物理专业实验：专业实验2 直流辉光放电正柱区的单探针诊断
实验2直流辉光放电的静电单探针诊断低气压直流辉光放电是一种稳定的自持放电，分为正常辉光和反常辉光两类，是实验室人工产生等离子体的主要方法。
等离子体是一种包含等量的足够高密度正负带电粒子的中性电离气体，是宇宙中物质存在的第四种状态。
气体放电产生的等离子体是一种导电气体，具有等离子体的一切物理特性，是研究等离子体性质的常选对象。
低气压直流辉光放电在空间上可以分为多个区域，其中，正柱区是放电区间中的那段明亮均匀的辉光区，正柱区的存在也正是此类放电获名的原因。
正柱区中电子和离子的数目是相等的，因此整体是中性的；同时正柱区内没有明显的电场存在，因此电子的能量分布服从玻尔兹曼分布，电子的能量可以用电子温度表示；正柱区是辉光放电产生的等离子体区。
等离子体的两个最重要的特征参数就是电子温度和电子密度（也是离子密度），为了测量这两个参数，1926年langmuir 提出了一种简单使用的探针，称为langmuir探针。
【实验目的】（1）学习langmuir探针方法的工作原理，利用langmuir探针研究正柱区的等离子体特征参数随放电条件的变化规律，从中认识等离子体的电中性和等电位等基本特征，体会物理现象和物理测量过程之间的内在联系。
（2）学习langmuir探针诊断辉光放电正柱区的等离子体参数的实验方法；研究实验方法与探针原理之间的联系和区别，了解实验研究和理论研究方法的对立同一性；（3）体验科研数据的复杂性，初步学会对科研数据的分析方法。
【实验内容与要求】（1）学习langmuir探针实验的工作原理。
（2）使用朗缪尔探针诊断辉光放电正柱区的等离子体状态参数．【可供选择的仪器】1. 直流辉光放电发生装置2. 氩气的控制与调节系统3. 直流数字电压表和电流表4. langmuir探针系统【实验原理】Langmuir探针（Langmuir Probe）是等离子体诊断的基本手段。
为了了解Langmuir探针的工作原理，首先考察一下一根悬浮于等离子体中的金属丝附近会出现什么现象。
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近代物理实验系列-等离子体诊断实验实验指导手册(教师用书)
东北大学
2017.6.30
等离子体是由中性粒子、电子、离子、光子等基本粒子组成的各向异性运动的物质形态，被称为除了固态、液态、气态外物质第四态，等离子体应用广泛，也是近代物理、材料研究的重要领域之一。
因此，也是大学物理以及相近专业的近代物理实验课程的必修内容。
改变插入到放电管的正柱区内的朗缪尔探针的电压（一般-100V 到+100V 变化），使之吸收等离子体内的离子和电子，并分析探针上的电流 I 和电压 V 的关系可以对等离子体进行诊断分析。
本实验的实际操作有助于更加深刻的理解老师在课堂上讲授的相关理论。
朗缪尔探针是研究等离子体特性的主要工具，要求学生通过本次实验了解朗缪尔探针的测量等离子体的基本原理；熟练测量朗缪尔探针的 I-V 特性曲线；能够通过 I-V 特性曲线计算分析出等离子体的有关参数。
通过本实验应使学生充分理解如下内容：
①等离子体空间电位
②等离子体悬浮电位
③等离子体密度(电子密度=离子密度)
④电子温度
⑤朗缪尔探针(单探针)进行等离子体诊断的理论
SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪 1 台(如图 1 所示);实验报告；实验指导手册；记录笔和记录纸；可拍照手机。
图 1 SSV-40 型气体放电与等离子体诊断仪
3.考察知识点
⑴等离子体参数
等离子体空间电位：等离子体相对于地的电位(差)。
等离子体密度：等离子体由电子和正离子组成，宏观呈现电中性的物质状态，因此宏观的电子密度和离子密度相等也等于等离子体密度。
电子温度：等离子体中大量电子做运动具有的动能的宏观表现即温度。
探针悬浮电位：朗缪尔探针悬浮在等离子体中(由于是悬浮状态探针电流为零）时探针相对于地的电位差
德拜长度：德拜长度描述等离子体最小尺度，只有大于德拜长度的尺度才可以认为是等离子体，小于德拜长度区域内存在的电子离子的局部不稳定运动或者说局部空间电荷不为 0，不能认为是等离子体。
因此德拜长度是等离子体重要的指标，一般朗缪尔探针的针尖尺度应该小于德拜长度以致于接触式测量不至于对等离子体产生干扰。
图 2 SSV-40型放电与等离子体诊断仪放电与诊断电路简图
⑵朗缪尔探针诊断
图 2 所示，朗缪尔探针插入放电管中(真空密封)，接触等离子体；另一端与驱动电源(输出±100V 电压)相连，而驱动电源另一端则与放电管的
阳极和地相连。
数字电压表 V2 和电流表 A2 分别实时显示朗缪尔探针的
电压和电流值。
这里假定阳极位降可以忽略(因为阳极位降很小，有时正有
时负有时为 0)。
结构上朗缪尔探针是一个高熔点金属丝(0.2mm 钨丝)并做真空密封处
理，如下图 3 所示。
一般用钨丝或钼丝或钽丝，真空还原环境也可以用石
墨丝。
图 3 朗缪尔单探针
图 4 朗缪尔双探针
图 5 朗缪尔探针安装位置图
注：详尽的朗缪尔探针诊断理论见“近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础。
部分”参考文献：
ngmiur Probe Diagnostics F.F Chen University of California 2003
2.Hiden langmuir Probe manual 2003
3.Plasmart Probe system manual 2004
4.SmartProbe manual 2002
5.近代物理实验-气体放电与等离子体诊断理论基础2017
4.实验步骤
实验前的准备：
设备检查包括电源位置、设备是否接地、真空泵油量以及其它影响实
验或给实验带来隐患的因素。
确保微调阀已关闭(顺时针拧到底)。
打开气瓶，并调节减压阀到 0.5 个大气压左右。
限流电阻调节开关 R1，R2 和 R3,以及档位开关是否拨到最左侧。
检
查实验报告，实验指导手册，实验记录本、实验记录笔、手机等必要实验
工具是否备齐。
实验前必须经过必要的培训或在老师指导下进行操作。
注意安全。
具
体实验操作步骤参考图 1 所示。
5.调节放电管正常辉光放电：
步 1：打开“总电源”开关，再打开放电管驱动器“电源”开关。
(先
不要打开朗缪尔探针电源)。
步 2：打开“真空泵”开关，启动真空泵开始抽真空，同时观察真空
计读数，直到真空度大于 10Pa
步 3：打开微调阀，并缓慢调节“压力调节按钮”，同时观察真空度
直到稳定在设定值为止,(压力在 20-100Pa，在 30-50Pa 为宜)。
步 4：打开“总电压调节”开关，直到 1100V 左右。
步 5：“档位”开关打到 1，拨动“限流电阻调节开关”1 由左向右
旋动，每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而电压不变位置，为正常辉光放电。
若没有出现正常辉光放电，则继续，直到“限流电阻调节开关”1 被拨动到最右边为止，这时拨
动“档位”开关打到 2，并拨动“限流电阻调节开关”2 由左向右旋动，
每旋动一次限流电阻，其阻值相应减小一次，观察放电管外型，出现电流
增大而电压不变位置，为正常辉光放电，若没有出现正常辉光放电，则继续。
直到“限流电阻调节开关”2 被拨动到最右边为止，这时拨动“档位”
开关打到 3，并拨动“限流电阻调节开关”3 由左向右旋动，每旋动一次
限流电阻，其阻值相应减小一次，这时观察放电管外型，出现电流增大而
电压不变位置，为正常辉光放电。
若没有出现正常辉光放电，则继续。
本
实验仪器在20Pa-100Pa 以内又可以获得正常辉光放电形貌。
其它同学可以
改变放电压力如20Pa，30Pa，40Pa， 50Pa 重复上述步骤；观察不同的压
力下的放电管正常辉光放电形貌。
步 6：这时微微调整“压力调节钮”调整压力，目的使朗缪尔探针刚
好处于正柱区（注：正柱区有时也会出现明暗相间也属正常，这时要保证
探针在正柱区的明亮处，或者继续增加压力是正柱区变成均匀）。
步 7：打开朗缪尔探针驱动电源的“开关”按钮。
步 8:调节朗缪尔探针电压调节按钮，使之在-100V，然后缓慢从-100V，步长<0.5V，增加直到+100V，同时及时记录此时的探针电流。
步 9：关闭朗缪尔探针电源，气体放电电源。
步 10：结束实验
步 11：课后，整理朗缪尔探针数据在坐标纸或计算机上独立绘出朗缪
尔探针 I-V（-100V----+100V）特性曲线。
步 12：根据 I-V 特性曲线求解等离子体参数
例如
图 6 朗缪尔探针 I-V 特性曲线
回答问题：
(1)求解等离子体悬浮电位
答：悬浮电位是探针电流零点对应的电压值,从表可知悬浮电位为-34V;
(2)求解等离子体空间电位
答：对 I-V 数据取半度数 lnI-V,从悬浮电位开始.I(A) V(V)有:
因此 lnI-V 特性曲线如下
图 7 I-V 数据取半度数 lnI-V 曲线图
空间电位为过渡区和电子饱和区直线交点处对应的电位即 Vs=15V
(3)求解等离子体电子温度
答：由 lnI-V 特性曲线可知过渡区直线斜率为α=0.067，所以电子温度为：
T eV =
kT
e
e
=
1
=
α
1
0.067
kT
e =e
1
=14.9eV
0.067
(4)求解等等离子体密度：
答：等离子体密度等于电子密度也等于离子密度根据空间电位处有：
I esat
1 ⋅e ⋅n
e
即N=5.95X1014/m3
⋅A
4
8k⋅T e
π⋅m e =
（5）求解等离子体德拜长度：
答：德拜长度
λD =
其中ε = 8.85434 ⨯10-12 (F / m ) ； k = 1.38⨯10-23 (J / K ) ； = 1.6 ⨯10-19 (C )
因此计算得：
λ = 1.15⨯10
-3
评分原则： 数据记录与处理50%：包括I-V 数据完整；I-V 曲线绘制；
等离子体参数计算求解正确50% 包括等离子体空间电位、悬浮电位、 电子温度、等离子体密度、德拜长度
0 D ε0 ⋅k ⋅T e e ⋅e ⋅n e
m。