直流辉光等离子体气体放电(讲义)(52011060109552354)

直流辉光放电装置的优点是结构较简单，造价较低。但缺点是电离度较低，且电极易受到等离子体中 的带电粒子的轰击。电极受到带电粒子的轰击后，将产生表面原子溅射，这样一来，不仅电极的使用寿命 被缩短，同时溅射出来的原子将对等离子体造成污染。 4）帕邢定律（Paschen Law）
气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始，从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。 随电场增强变得足够大时，电流就从非自持达到了自持过程，也就是发生了电击穿。
⎟⎟⎠⎞ ⎟⎟⎠⎞
− +
exp⎜⎜⎝⎛ − exp⎜⎜⎝⎛ −
eV 2kTe eV 2kTe
⎟⎟⎠⎞ ⎟⎟⎠⎞
=
2i+
tanh⎜⎜⎝⎛
eV 2kTe
⎟⎟⎠⎞
⇒ dI = eIS dV(I =0,V =0) 2kTe
其中Is是正离子饱和电流。
由此可知：电子温度： Te = 2k
eI S dI
(7)
dV(I =0,V =0)
=
I
0
exp
⎡ ⎢ ⎣
e(Vp −
（5）
其中
I0
=
1 4
n0ve A ⋅ e
对（5）式取对数得：
lnI
=
lnI 0
−
eVs kTe
+
eVp kTe
其中
lnI 0
−
eVs kTe
= 常数
故
lnI = eVp + 常数
kTe
可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。作关对数曲线，由直线部分的斜率可决定电子温度Te。 单探针法有一定的局限性，因为探针的电位要以放电管的阳极或阴极电位作为参考点，而且一部分放 电电流会对探针电流有所贡献，造成探针电流过大和特性曲线失真。双探针法是在放电管中装两根探针， 双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。这是因为流到系统的电子
⎟⎟⎠⎞
i2+
−
I 2
=
i2−
=
−eA2
Jr
exp⎜⎜⎝⎛
e
V2 − VS kTe
⎟⎟⎠⎞
(6)
⇒
i1+ i2+
+I 2
−I 2
=
A1 A2
exp⎜⎜⎝⎛
eV kTe
⎟⎟⎠⎞
当两个探针参数一致，i1+= i2+= i+，A1=A2。故：
I
=
2i+
exp⎜⎜⎝⎛
eV 2kTe
exp⎜⎜⎝⎛
eV 2kTe
电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对等离子体的干扰大为减小。 双探针法的伏安特性曲线如图 5 所示。在坐标原点，两根探针之间没有电位差，但由于两个探针所在
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。
图 5 理想双探针曲线
设探针的面积分别为A1,A2,电位为 V1,V2,电压V=V1-V2≥0。 流过探针 1，2 的离子和电子电流分别为：i1+， i1-，i2+，i2-,面积为A1,A2。
1
德拜长度 ： λ D
=
⎜⎛ ⎝
kT e 4 me 2
⎟⎞ ⎠
2
（1）
3) 稀薄气体产生的辉光放电 气体放电可以采用多种能量激励形式，其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。直流放
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。在电极两端施加电压时，通过调节电阻 R 值可得到气体放电伏安特性，如图（1）所示。
(4) 探针材料与气体不发生化学反应。 (5) 探针表面没有热电子和次级电子的发射。
图 3 单探针法电路
图 4 单探针法 I-V 曲线
单探针法电路如图 3 所示。典型的单探针法 V-I 曲线如图（4）所示。在 AB 段，探针的负电位很大， 电子受负电位的拒斥，而速度很慢的正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，即所 谓“正离子鞘”，它把探针电场屏蔽起来。等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针，形成探 针电流，所以 AB 段为正离子流，这个电流很小。
3
ne
=
n0
exp
⎡ ⎢ ⎣
e(Vp − kTe
Vs
)
⎤ ⎥ ⎦
（3）
式中的n0为等离子区中的电子密度，Te为等离子区中的电子温度，k为玻耳兹曼常数。在电子平均速度 为ve时，在单位时间内落到表面积为A的探针上的电子数为：
Ne
=
1 4
neve A
（4）
探针上的电子电流为：
I
=
Ne
⋅e
=
1 4
neve A ⋅ e
是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一 般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。
等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）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）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2) 等离子体的主要参量： （1）等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；对 于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描 述。一般用Ti表示离子温度，Te表示电子温度。 （2）等离子体密度：单位体积内（一般以立方厘米为单位）某带电粒子的数目。ni 表示离子浓度， ne 表示电子密度。在等离子体中ne≈ni。 （3）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。 （4）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的“鞘层”。
测试等离子体的方法被称为诊断，它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断有探针法、霍尔 效应法、微波法、光谱法等。 静电探针也称朗缪尔探针，是一种最早用来测试等离子体特性的工具之一。 由于它的结构简单，用途广泛，至今仍被人们所使用。实际上，探针就是一根金属丝，除了顶端外，其余 部分是用绝缘材料包起来的。由于电子的热速度远大于离子的热速度，因此当探针插入到等离子体中时， 电子首先到达探针的表面。这样，探针的表面电位是负的。当接上外界电源之后，探针上面就有电流通过。 通过测量探针的伏安曲线（V~I），即可以确定出等离子体的密度n0和电子的温度Te。
2. 实验目的
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）理解直流电气击穿的机制，验证帕邢定律。 3）了解等离子体的性质，采用 langmuir 双探针测量等离子体参数
3. 实验原理
1) 等离子体及其物理特性 等离子体（又称等离子区）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。也就
过了B点，随着探针负电位减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使一些快速电子能够克服电场拒斥作 用，抵达探极，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐下降，所以BC段为正离子流加 电子流。到了C点，电子流刚好等于正离子流，互相抵消，使探针电流为零。此时探针电位就是悬浮电位 VF。
继续减小探针电位绝对值，使到达探针电子数比正离子数多得多，探极电流转为正向，并且迅速增大， 所以 CD 段为电子流加离子流，以电子流为主。
虽然静电探针在等离子体诊断技术中已被广泛地使用，但会对等离子体的平衡状态造成扰动。特别 是对于高频放电，静电探针会产生很大的干扰
4. 实验装置
DH2005 型直流辉光等离子体实验装置。
5. 实验内容（电极间距不变）
1) 了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象。 2) 测量电压--电流曲线（升压和降压），分析其异同。 3) （以下只测升压曲线）相同条件下多次测量电压—电流曲线，研究数据的离散性。 4) 取不同的工作气压（氮气或空气），测量辉光放电阶段的放电电压、电流曲线，研究工作气压对
直流辉光等离子体气体放电
1. 引言
等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态体系，是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状 态，在自然界中 99%的物质是以等离子体状态存在的。等离子体有别于其他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。等离子体技术是一个关 系国家能源、环境、国防安全的重要技术，气体放电是产生等离子体的一种常见形式，在低温等离子体材 料表面改性、刻蚀、化学气相沉积、等离子体发光等方面有广泛的应用，同时也是实验室等离子体物态特 性研究的重要对象。
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