实验三 低压气体辉光放电等离子体的参量测量

实验三低压气体辉光放电等离子体的参量测量

一、实验目的和要求

1.观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线

的测量，理解辉光等离子体的电学特性;

2.采用Langmuir双探针测量直流辉光放电等离子体的参数，用双探针法测量气体

放电等离子体的电子密度和电子温度。

二、实验基础知识

1. 等离子体

宏观物质存在的形态不限于一般所熟知的固、液、气三态，等离子体被称为第四态。我们知道，物质的温度越高，它的分子或原子就活跃。在固体里，一般温度下，原子和分子按照严格的规律整齐排列。温度升高到熔点以上变为液体时，它们就可以运动，但还要受到一定的限制。温度再升高，蒸发为气体后，分子或原子都能自由运动，不受限制。但原子内部的电子还被束缚在一定轨道上运动，不能脱离原子核。如果温度再升高，电子就可以脱离原子，完全自由地运动。失去电子的原子也成为带电的正离子。由正离子和电子按一定比例组成总电荷为零的物质形态，就称为等离子态。这种物质就称为等离子体，或者等离子区。因此等离子体定义为包含大量正负带电粒子，而又不出现净空间电荷的电离气体。即其中正、负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体早就被人们所见到：宏伟的极光、闪电或电网上的火花、五颜六色的霓虹灯、明亮的高压汞灯、钠灯和日光灯都是等离子体在发光；地球周围的电离层、整个太阳以及其它恒星也是由等离子体组成。等离子体可分为等温等离子体和不等温离子体。一般气体放电产生的等离子体属不等温离子体。

等离子体有一系列的不同于普通气体的独特性质：有很高的温度，气体分子高度电离，是电和热的良导体；带正电荷和带负电荷的粒子密度几乎相等，宏观上是电中性的；等离子体可以为外加电场或磁场所支配；等离子体具有很大且复杂的电导率；产生等离子体震荡。虽然等离子体在宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性

的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度。当系统尺度大于德拜长度时，系统呈现电中性，当系尺度小于德拜长度时，系统可能出现非电中性。

近年来等离子体物理已成为受控热核反应、天体物理、空间科学、固体物理等领域的理论基础。在工程技术上也得到了广泛的应用，如等离子喷涂、熔焊和切割、等离子体炼钢、炼鈦、等离子体发电、等离子炮以及宇宙飞行中的离子推进器等。六十年代又形成一门新的等离子化学。物质呈等离子态时，由于存在着离子、激发态原子、分子或游离基团以及高能电子、紫外线等不同的辐射线，它们之间相互作用可以引起一系列固、液、气三态中所不能进行的化学反应，产生过去无法得到的产物。无论对化学反应机理的研究和对实际应用都开创了一个嶄新的途径。

2. 低压气体放电的规律

低气压放电可分为三个阶段：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作显著差异。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：

从左至右，其唯象结果如：

图3-1 低气压放电现象

阴极：阴极由导电材料制成，二次电子发射系数 对放电管的工作有很大影响。

(1)阿斯顿(Aston)暗区：紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是—个有强电场和负空间电荷的薄的区域．它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中．在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。

(2)阴极辉光区：紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区．这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进人的正离子向阴极移动形成的．这种阴极辉光有—个相当高的离了密度．阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力．明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区．(3)阴极暗区：这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度．

阴极区：阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区．大部分功率消耗在辉光放电的极区．在这个区域内．被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩．

(4)负辉光区：紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电中它的光强度最亮．负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极侧最强．在负辉光区内。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。(5)法拉第暗区：这个区紧靠在负辉光区的右边，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，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低．净空间电荷很低，轴向电场也相当小．

(6)正辉柱: 正辉柱是准中性的，在正辉柱中电场很小，一般是1v／cm．这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正辉柱等离子体是粉红色至蓝色．在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正辉柱变长．正辉柱是—个长的均匀的辉光。除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波．

(7)阳极辉光区: 阳极辉光区是在正辉柱的阳极端的亮区，比正辉柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有．它是阳极鞘层的边界．

(8)阳极暗区: 阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正辉柱向阳极运动中引起的，其电场高于正辉柱的电场．

图3-2 低压放电实验原理

辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10－102 Pa 时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分部如图3-1所示。正輝光区是我们感兴趣的等离子区。在这个区中，气体高度电离，电场强度很小，且沿轴方向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布率，由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子的温度。但是，由于电子的质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小。所以电子的平均动能比其它粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此虽然电子的温度很高(约为105K), 但放电气体的整体温度并不明显升高, 放电管的玻璃壁并不软化。

图3-3 稀薄气体的辉光放电区

3. 等离子体的主要参量

描述等离子体的主要参量为：

（1） 电子温度Te 。它是等离子体的一个主要参量。因为在等离子体中，电子碰橦

电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接的关系，即与电子的温度相关联。等离子体物理学中，常用电子的能量来表示它的温度。所谓1个电子伏特的温度就是1kT ＝1eV ，此时

光

强

场

强

电

势