直流辉光放电等离子体参数测量
直流辉光等离子体气体放电(讲义)(52011060109552354)
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。
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
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
e = 1.6 ×10−19 库，k = 1.38 ×10−23 J • K −1，1 eV = 11600K 。
理论值中，电压增大时，电流应达到饱和，斜率可认为是零，但在实验中，电流还是随着电压的增 加而增加。这是因为：理论计算中，认为离子鞘层厚度不变，当电压达到饱和值后，所有电子均已进入鞘 层，再增加 V 电流也不会有变化。而在实际中，随着 V 的增加，鞘层厚度会增大，包含电荷数增多，所 以电流会继续增大。因此实际曲线与理想曲线略有不同。
《气体放电中等离子体的研究》报告
气体放电中等离子体的研究姓名＿＿＿＿＿学号＿＿＿＿＿院系＿＿＿＿＿气体放电中等离子体的研究一引言等离子体是由大量的自由电子和离子组成，在整体上表现为近似电中性的电离气体。
由于等离子体有着许多独特的物理和化学性质，它已广泛应用于能源、航空、表面处理及垃圾焚烧等领域。
准确测量等离子体的参数，是各领域研究及应用的关键环节。
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。
本文主要介绍了探针法的工作原理，利用探针法测量等离子体的一些主要参量，并通过实验分析了影响实验结果的各种因素。
二实验原理1 等离子体定义及其物理特性等离子体是一种由等量正负电荷离子和中性粒子组成的电离气体，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。
描述等离子体的一些主要参量有电子温度Ｔe、带电粒子密度、轴向电场强度ＥL、电子平均动能Ｅe、空间电位分布等。
2 气体放电原理气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射频等能量形式。
其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。
直流放电形成辉光等离子体的典型结构如图1所示。
图1 气体放电管工作原理图图2辉光放电的唯相结构示意图3 稀薄气体产生的辉光放电本实验研究的是辉光放电等离子体。
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1０-1０2Pａ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、电位和场强分布如图2所示。
正辉区是我们感兴趣的等离子区。
其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。
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律。
由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。
等离子体辉光放电特性测量
等离子体辉光放电特性测量一、实验目的1、了解等离子体特性2、通过对辉光发电中的等离子体的研究，利用朗缪尔单探针法和双探针法对等离子体电子温度、电子密度的测量。
二、实验原理1、辉光放电现象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。
这些区域的形成机构大致可以叙述如下：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，电子和气体分子碰撞时，打掉它的价电子，产生很强的电离，使得这里具有很高的正离子浓度，形成了极强的正空间电荷，于是破坏了放电管内的电场分布，而引起了严重的畸变，结果绝大部分的管压都集中在这一区域和阴极之间。
在这样强的电场作用下，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。
实验三 低压气体辉光放电等离子体的参量测量教材
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。
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
直流辉光放电与射频辉光放电
t = T/2
Vb = 1200 V，
C‘
t = T/2 时，Va 跳变为 +1000 V, 由于 C 上存有 –200 V电压（下正上负）, Vb = 1200 V。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程四）
T/2 < t < T
Vb → +100 V，
eee
C‘
T/2 < t < T 区间， 电子迅速中和C 上正电荷，Vb 快速下降至 +100 V， 相应地 Vb – Va = -900 V。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（六）
实用中采用的正弦波电压及所产生 的直流自偏压。
summary
气体放电的伏安特性与分类 气体的击穿电压与气压的关系—帕邢定律 直流辉光放电 （放电区结构和分布、放电过程，空心阴极放电） 射频辉光放电 （射频放电的特点、自偏压的产生）
Appendix: 弹性碰撞界面与电子速度的关系
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程五）
V阿 ≈ -1000 V，
t=T
Vb ≈ -1900 V，
C‘
t = T 时，Va跳变为 -1000 V，由于 C 上存有 900 V电压（上正下负）, Vb = -1900 V。
如上所示每经历一周期， Va都将更负一些。到若干周期以后，电压波形趋于稳定，整体向负 电位偏移而产生负的直流分量，即负的自偏压。
射频辉光放电的特点
击穿电压低，放电气压低，放电 易自持，电极可以放在放电室外 面等。
实际用于气体放电的射频源频率统一 为13.56 MHz，以避免干扰正常通讯。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程一）
t=0
等离子体辉光放电 - 河南大学精品课程网
等离子体辉光放电【实验目的】1.观察低压气体辉光放电现象。
2.用探针法测量等离子体中电子等效温度、电子浓度、正负离子的平均速度、平均动能。
3.验证等离子体区电子浓度服从麦克斯韦速度分布律。
【教学重点】1.观察气体辉光放电的现象；2.等离子体辉光放电的原理；3.探针法测量等离子体物理参数的方法；【教学难点】离子体物理参数的计算步骤【时间安排】3学时【教学内容】一、检查学生预习情况检查预习报告。
二、学生熟悉实验仪器设备机械泵、真空放电管、高压电压等。
三、讲述实验目的和要求1. 检查真空系统是否存在漏点；放电管内真空用机械泵抽至50Pa左右，并保持稳定；缓慢旋转高压电源旋钮，增加高压到1000V左右，应看到放电管被点亮；辨认各个放电区域.2. 调节高压和气压，使放电管内等离子区稳定，并且颜色均匀（无层状）；缓慢降低探极电压，并且记录探极电压和探极电流；做lgeI V−特性曲线，进行数据处理，得到电子等效温度、电子平均速度、电子平均动能、电子浓度和正离子的浓度.四、实验原理一、辉光放电现象当放电管内的气压降低到几十帕时，两极加以适当的电压，管内气体开始放电，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.二、用试探电极法研究等离子区所谓试探电极就是在放电管里引入一个不太大的金属导体，导体的形状有圆柱形、平面形、球形等。
我们实验用的是圆柱形。
试探电极是研究等离子区的有力工具，利用探极的伏特——安培曲线，可以决定等离子区的各种参量。
测量线路如图2所示。
在测量时尽量保持管子的温度和管内气体的压强不变。
实验测得的探极电压和电流曲线如上图3。
对这一曲线作如下的解释：AB 段表示加在探极上的电压比探极所在那一点的空间电位负得多，在探极周围形成了正的空间电荷套层，套层的厚度一般小于等离子区中电子的自由路程。
这时探极因受正离子的包围，它的电力线都作用在正离子上，不能跑出层外，因此它的电场仅限于层内。
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。
直流辉光放电等离子体激发光源自动调节控制系统
空后充入氩气 ， 气脏维持在 １０ ０ ａ。 围内， Ｏ ～１５ ０ｐ ［ 范 加负高 压 ５ ０ ０ Ｏ ～１５ ０Ｖ。样 品表 面原 子被溅 射激 发 并产生 特征 光 谱， 对光谱信号进行检测 ，可对样品元素进行 定性和 定量分 析 。直流辉光放 电过程 有三 个重要 ： 作参 数 ，分别 为放 【 电电流 、 电电压和放 电室 内气 压 ， 放 工作 时这三个 参数相互 影响 。 一般对放 电条件 的控制 日标 是调节其 中一个参数 ，保 持另外两个参数恒定 。 没计选用保持给定放 电电流恒定 ］本
密度明 显 提 高 ，元 素 含 量 的相 对 标 准 偏 差 （ Ｓ 均 优 于 Ｒ Ｄ） ３ ５ 放 电电压的稳定 时间由手 动时 的大 于 ９ 缩短 到 ３ ． ％。 ０Ｓ Ｏ
ｓ以 内 。
ｓｕｃ） ｏ ｒｅ具有基 体 效应 小 、分析 灵敏 度 高、激发 能 力 强等 特
点 ，近年来在 国 内外 得到 了广泛 的关 注 和发展 ｌ ］ 】 。辉光 放 电光源的突出优点是可 以对样品表面进行深度 轮廓分析 ，在
镀 层 、表 面 处理 、 品 质 量 控 制 等 分 析 测 试 领 域 中 得 到越 来 产
１ 系 统 工 作 原 理
Ｇ ｉ 型 直 流 辉 光 放 电光 源 工 作 时 ， 源 的放 电室 抽 真 ｒ ｍｍ 光
越 广 泛 的 应 用 ［ 。目前 国外 辉 光 放 电 光谱 仪 商 品 仪 器 生 产 ４ ］ 厂 家 仅 有 法 国 Ｊ 公 司 、美 国 Ｌ Ｃ 公 司 和 德 国 Ｓ Ｅ ：Ｒ Ｙ ＥＯ Ｐ （ ０ Ｔ
第３卷， ３ ｌ 第 期
２０ １１年 ３月
光
谱
学
与
光
谱
探针法在直流辉光放电等离子体测量中
3.2 球状探针 实验中使用的球状探针裸露部分为一
个半径约 0.5cm 的金属球，探针表面经计算 得 3.14cm2。使用球状单探针测量的各种接 地情况的探针曲线如（图 3.5）所示。
４．５
４
３．５
３
２．５
２
１．５
１
０．５
０
－６５
－４５
－２５
－０．－５５
１５
３５
５５
（a）阳极接地时的球状探针曲线
－８０
当容器壁接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.4）。
－４０
－２０
０．０４ ０．０３５
０．０３ ０．０２５
０．０２ ０．０１５
０．０１ ０．００５
０ －０．００５０ －０．０１
２０
４０
图 3.4 容器壁接地时的柱状探针曲线
9
图 3.2 电源两极板间的电位分布
当阴极接地时，实测 I-V 曲线如（图 3.3）。
在实验室对直流辉光放电等离子体测量 时，发现主放电装置的电极和容器壁接地的 情况对实际测量会产生影响。在某些接地情 况时，不能得到理想的探针电流及 I-V 曲线， 会影响测量结果。本文通过实验，对产生这 些问题的原因进行了分析。
2 探针法简介 根据探针结构的不同，除单探针外，还
有双探针、三探针、发射探针几种结构[1]， 他们已被证明在很多情况下是非常有效的。 而探头的种类也有很多，如柱状、球状、板 状、环形等。本文使用了探头形状是柱状和 球状的单探针法，以及板状的双探针，分别 对不同放电装置接地状况的低压直流等离 子体进行了测量。
可以看出，在阳极或阴极接地时，球状 探针的 I-V 曲线的形状与柱状探针时相似， 只是电流幅值大于柱状探针。这是由于在本
辉光放电
等离子体直流辉光放电一、实验设计方案1）实验目的1、了解等离子体的性质2采用langmuir双探针测量等离子体参数2）实验原理1 、等离子体参数a: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。
n i 表示离子浓度，n e 表示电子密度。
b: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T i表示离子温度，T e表示电子温度。
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。
粒子震荡频率：m inie spi02=ω电子震荡频率：m inie spe02=ωd: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图8、等离子体探针原理图9、单探针法图10、双探针法假设：(1)、被测空间是电中性的等离子体空间，电子密度n e和离子浓度n i 相等，电子与离子的速度满足麦克斯韦速度分布；(2)、探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探针的面积相等；(3)、电子和正离子的平均自由程比鞘层厚度大，这样可忽略鞘层中粒子碰撞引起的弹性散射、粒子激发和电离；(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。
则：对于插入等离子体的单探针有：随机电流：S r A eJ I -=，218441⎪⎭⎫ ⎝⎛==m T n U n J e r根据玻耳兹曼定理：电子密度)exp(0esP kT V V en n -=式中：V p 为探针电位，V s 为等离子体电位所以：探针电流S e e S P A m T kT V V e en I 2108exp 4⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=π而对于插入等离子体的双探针有：设探针的面积分别为A 1,A 2；电位为 V 1,V 2；电压V=V 1-V 2≥0。
等离子体实验报告.pdf
等离子体分析实验报告摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，并简要介绍了等离子体的应用,最后对实验结果进行讨论。
关键词:等离子体、单探针、双探针(一) 引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。
在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。
朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。
近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。
（二）实验目的1，了解气体放电中等离子体的特性。
2，利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。
（三）实验原理1，等离子体的物理特性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。
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。
描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度e T 。
它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。
（2）带电粒子密度。
电子密度为e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。
（3）轴向电场强度L E 。
表征为维持等离子体的存在所需的能量。
（4）电子平均动能e E 。
（5）空间电位分布。
本实验研究的是辉光放电等离子体。
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10～102Pa 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、电位和场强分布如图一所示。
8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。
直流辉光放电等离子体参数的测量及分析
ne eS 4 I eo 8k Te pi me
3.2数据处理和分析
带入数据到(10)式得：
4 3.44107 10 3 ne 7 . 1 10 ( cm ) 10 8 4.8 10 0.0391.0310
性质和用途，测量这些参数的方法有很多种，其中朗缪尔探针法是最简单也
是最常用的方法。辉光放电等离子体在工业、国防等方面的广泛应用促进了 对等离子体的进一步研究和等离子体诊断技术的发展。
的正离子，不能跑出层外，正离子靠热运动到达探极，单位时间内
落在探极表面的正离子有：
Ip
1 V i ni e S 4
Vi是正离子平均速度，S为探极面积，ni为正离子浓度，e为电子电荷， 从式中可以看出，Ip与探极电压没有关系，因此AB段与横轴近似平行。
3.2数据处理和分析
在BC段，探极电流随探极电压的升高而增加。这是因为探极电压
50 30 Te 5.04 10 2.75 104 ( K ) lg 4750 lg 270
3
3.2数据处理和分析
由于电子服从麦克斯韦分布律，电子的平均速度为：
Ve
带入数据得：
8k Te pi me
8 1.381016 7.73104 8 Ve 1 . 06 10 (cm / s) 28 3.1416 9.1110
2 直流辉光放电等离子体的产生
辉光放电管两端加上直流高压电后，管子会产生辉光，适当调整放电电压和放电电流 ，管子会出现明暗相间的八个条纹，进而管子可以被分为八个区域。我们对正辉区最 感兴趣,该区域光强均匀连续，空间静电荷密度接近于零，因此又叫正柱区或等离子区 。在该区域，电子的浓度一般为1010/cm3～1012/cm3,具有很高的迁移率，导电性能 接近良导体。在正辉区，电场强度恒定用以保持平衡状态。电势降落的大小与电离、 消电离以及扩散有关。
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。
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。
等离子体的参数测量[001]
![等离子体的参数测量[001]](https://img.taocdn.com/s3/m/7f533d29eff9aef8941e0696.png)
等离子体的参数测量（补充材料）等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应用，其主要原因在于等离子体具有两个突出的优点：同其它的方法（如化学方法）相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生更多的活性成分，从而引发用其它方法不能或难以实现的物理变化和化学反应。
活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基，以及高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子，活性分子碎片。
比如，工业等离子体工程已经发展成了一种更有效率的工业加工方法，不但能在减少副产品、废料，以及污染和有毒废物的情况下达到相关的工业结果，甚至能完成其它方法不能实现的目标。
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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，但国内关于等离子体技术的研究和教学还远远落后于等离子体技术在工程中的应用，比如，现在实用的很多科研和生产上的等离子体设备有很多是进口的，有关等离子体的教学课程开展得较少，而教学实验则更少。
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本实验以直流辉光等离子体为例，希望学生通过实验，能了解等离子体物理的基本知识和一些重要的应用领域，并掌握等离子体检测的常用方法，为今后的学习研究打下基础。
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等离子体物理基础随着温度的升高，物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。
如果温度继续升高到10K4甚至更高，将会有越来越多的物质分子/原子被电离；这时，物质就变成了一团由电子、离子和中性粒子组成的混合物，称为等离子体；也正因此，等离子体常被称作物质的第四态。
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等离子体（Plasma ）一词来源于古希腊语，意为可塑物质或浆状物质，作为专业词汇，最早出现在生物学名词原生质{proto plasma ）中。
1929年，朗缪尔（Langmuir ）和汤克斯（Tonks ）在研究气体放电时首次将“plasma”一词用于物理学领域，用来表征所观察到的放电物质。
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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
I i2 i2 (i1 i1 )
流过探针的尽电流
探针1 探针2
i1 i I A eV 1 1 exp( ) i2 i2 I A2 kTe
若近似认为 A 1 A 2
则 i1 i2 I
I I tanh(
eI dI dV(V 0) 2kTe
2 阳极 4 阴极 6 进气口
5 冷却水管
7 DH直流辉光等离子体试验台
8 放电管
1.辉光放电现象描述
d=155mm, 40pa 阳极 辉区
正柱区
法拉第暗区
阴极 辉区
阿斯顿 暗区
阿斯顿暗区：电子能量不足以大量激发
阴极辉区：电子能量高，发光最强 法拉第暗区：电子重新获得能量
正柱区：等离子体
只有放电管足够长才能出现明显的正柱区！
实验展望：1.在提高分辨率的基础上，选择自吸收率小的光谱，如 750.4nm，811.5nm，或者高激发态能级的谱线，如404.4nm，426.6nm 2. 采用更精确的C-R模型，考虑碰撞过程
4未解之谜
两次试验差别在于第一次实验没有开Ar钢瓶阀门，固可能有杂质气体，但从 前者的谱线看，也只有阴极区存在782.3nm，查阅资料，H无该谱线，O虽有， 但激发电位过高，为47eV左右。有可能是阴极溅射，如Ba783.95nm，W在 782nm～783nm间有很多谱线，且二者激发电位都很低。
λ （nm） Ej(eV) Ei(eV) g 750.4 751.5 763.5 772.37 772.42 826.5 800.6 801.5 840.8 842.5 852.1 912.3 13.48 13.27 13.17 13.15 13.33 13.28 13.17 13.09 13.3 13.09 13.28 12.91 11.62 11.62 11.55 11.55 11.72 11.83 11.62 11.55 11.83 11.62 11.83 11.55 1 1 5 3 3 3 5 5 5 5 3 3
3
P2 -3 P2 P1
3P -1 1
探针法和光谱法得到的数据比较 20pa 2W 探针法（K） 光谱法 (K) 7.40×104 2.77×103 40pa 2W 6.74×104 2.61×103 40pa 4W 7.37×104 2.85×103
出现数量级上的差异，主要原因：1.低气压放电时不能满足LTE的假设 2.光谱仪分辨率和测量范围受限制
2.双探针法测量电子温度与浓度
鞘 层
等离子体 认为鞘层与探针面积相等，且鞘层内无碰撞， 假设电子服从波尔兹曼-麦克斯韦分布，离 子被鞘层加速而具有单一能量
i eAjr exp[ e(Vp Vs ) kTe ]
探针
Vs V2
双探针整体悬浮
V1
i1 i2 i1 i2 0
3. 光谱测量
（1）光谱仪定标：a用光谱仪测量标准灯的光谱 b在已知标准灯光谱（厂家）的基础上，进行 拟合插值，得到对应波长的强度值 c 通过强度比得到不同波长的响应值
（2）通过光学导轨固定光纤探头（原创）
假设激发态粒子浓度服从波耳兹曼分布 辐射功率 用双线法
( )=
g 1 hc Anm n0 n e En / kT 4 nm Z E E2 1 I1 g1 A v 1 1 KT e I2 g 2 A2 v2
探针I-V曲线
探针I-V曲线
dI/dV(V=0)=0.14(uA/v),I+=1.63(uA) 20pa 2W 电子温度(104k) 电子密(1011/cm-3) 7.40 2.27
dI/dV(V=0)=0.136(uA/v),I+=1.73(uA) 40pa 2W 6.74 3.48 40pa 4W 7.37 3.52
直流辉光放电等离子体 参数测量
电光源 06300310019 杨深
实验内容概述
测量辉光放电伏安特性曲线 验证帕邢定律（击穿电压） 双探针法测量电子温度与浓度 不同放电区域的光谱测量与定性分析 通过发射光谱计算正柱区电子温度
实验装置
1 2 4 8 5 6
3
7
1 抽气口，接机械泵 3 双探针