輝光放電等離子體特性的實(shí)驗(yàn)研究

張青蘭，張彩霞

(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，太原030024)

等離子體是由大量的帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀(guān)體系，是物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體有許多獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，例如溫度高、粒子動(dòng)能大;具有類(lèi)似金屬的導(dǎo)電性能;化學(xué)性質(zhì)活潑，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng);具有發(fā)光特性，可以用做光源［1］。因此等離子體技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，如磁流體發(fā)電、等離子體切割、等離子體光源和等離子體顯示，等等。等離子體還為表面材料、半導(dǎo)體材料的生成和制備提供了良好的環(huán)境［2-6］。準(zhǔn)確測(cè)量等離子體參數(shù)，是空間探測(cè)、航天器防護(hù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］。

輝光放電等離子體屬于非熱力學(xué)平衡等離子體，也稱(chēng)冷等離子體，屬于工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的等離子體之一。一方面，電子具有足夠大能量使反應(yīng)物分子激發(fā)、離解和電離;另一方面，反應(yīng)體系又得以保持低溫，使反應(yīng)體系能耗減少，并可節(jié)約投資。電子溫度主要在1～20 eV之間，電子密度范圍為1012～1025m－3。

本文通過(guò)Langmuir單探針?lè)ㄑ芯苛丝諝廨x光放電等離子體參數(shù)的分布特性，對(duì)實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)采用兩種方法進(jìn)行處理，并對(duì)影響等離子體參數(shù)分布的因素進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理

單探針?lè)ㄊ菍⒁粋€(gè)小的金屬電極作為探針?lè)馊氲入x子體中，以放電管的陽(yáng)極或陰極作為參考點(diǎn)，改變探針電位Up，測(cè)出相應(yīng)的探針電流Ip，就可得到探針電流與其電位之間的關(guān)系，即探針?lè)蔡匦郧€(xiàn)，如圖1所示。

圖1 探針的伏安曲線(xiàn)示意圖

根據(jù)Ip-Up曲線(xiàn)的特征把曲線(xiàn)劃分為三部分：電子飽和區(qū)、過(guò)渡區(qū)和離子飽和區(qū)。在電子飽和區(qū)(Up－Us?0)，探針周?chē)纬呻娮忧剩结樖占氖请娮与娏?，離子被排斥。隨著外電壓的正增加，探針電流趨向飽和電子電流Ie0;在離子飽和區(qū)(Up－Us?0)，探針周?chē)纬呻x子鞘，探針收集的是離子電流，電子被排斥。隨著外電壓的負(fù)增加，探針電流趨向飽和離子電流Ii0;在過(guò)渡區(qū)(Up－Us＜0)，探針周?chē)鷮⑿纬呻x子鞘，離子鞘將阻擋電子向探針運(yùn)動(dòng)，只有能量大于鞘層排斥能的電子才能到達(dá)探針形成電子電流，假定等離子區(qū)內(nèi)電子的速度服從麥克斯韋分布，則減速電場(chǎng)中靠近探針表面處的電流為［8］：

式中：Te為等離子區(qū)中的電子溫度;k為玻耳茲曼常數(shù)。

其中：

由式(3)可知，在過(guò)渡區(qū)ln Ip與Up成直線(xiàn)關(guān)系，如圖2半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)中從Uf到Us的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)部分。直線(xiàn)的斜率tanφ：

圖2 ln I p隨U p變化的關(guān)系曲線(xiàn)示意圖

式中：ne為等離子區(qū)中的電子密度;ˉve為電子的平均速率;S為探針裸露在等離子區(qū)中的表面面積;me為電子的質(zhì)量;k為玻耳茲曼常量。

根據(jù)單探針?lè)y(cè)得伏安特性曲線(xiàn)，由該曲線(xiàn)做出對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)ln Ip與Up，再根據(jù)半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的斜率即可求得電子的溫度Te，進(jìn)而求得等離子區(qū)中的電子密度ne．

本文利用湖南湘潭大學(xué)技術(shù)科學(xué)研究所制造的ED-2型等離子特性測(cè)量?jī)x研究了輝光放電等離子體的特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先保證管中空氣在合適的氣壓與合適的放電電壓下產(chǎn)生輝光放電等離子體。通過(guò)電位器改變探針上的電位，進(jìn)而改變探針電流，記錄探針電壓及對(duì)應(yīng)探針電流。圖3為探針在13 Pa、1 kV的伏安特性曲線(xiàn)。

圖3 探針在13 Pa，1 kV條件下的伏安特性

等離子體特性參量的大小與過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)密切相關(guān)，過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)為懸浮電位Uf，此時(shí)對(duì)應(yīng)Ip=0，可從數(shù)據(jù)或圖中看出Uf=－105.75 V。末端為等離子體的空間電位Us。求Us有兩種方法：

1)可由指數(shù)增長(zhǎng)端曲線(xiàn)上延和線(xiàn)性增長(zhǎng)端曲線(xiàn)下延的交點(diǎn)決定［1］。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)未必理想，從圖2看出線(xiàn)性增長(zhǎng)端不明顯，無(wú)法通過(guò)交點(diǎn)求得Us，而從半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)中可明顯看出曲線(xiàn)拐點(diǎn)。這時(shí)由于改變探針電位的電位器不是十分容易控制電阻特別緩慢的變化，導(dǎo)致從圖3探針的伏安特性曲線(xiàn)看不到由過(guò)渡區(qū)到電子飽和區(qū)的拐點(diǎn)，而取對(duì)數(shù)后將大大弱化數(shù)據(jù)間的差距，便可清楚地看到拐點(diǎn)，如圖4．從圖4看出，過(guò)渡區(qū)的半對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)線(xiàn)性關(guān)系并不十分好，但由過(guò)渡區(qū)向電子飽和區(qū)的拐點(diǎn)大致可看出Us=－20.5V．由此可找出過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)的始末端，從而由過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)擬合直線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)半對(duì)數(shù)曲線(xiàn))求出斜率，如圖5．

圖4 探針在13 Pa，1 kV條件下整個(gè)區(qū)間的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

2)可以通過(guò)等離子體I-V特性曲線(xiàn)的一次和二次微商來(lái)求得。一次微商的最大值以及二次微商為0的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于等離子體空間電位，如圖6。圖7為其對(duì)應(yīng)得到的過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)的擬合直線(xiàn)及對(duì)應(yīng)直線(xiàn)方程。比較圖5、圖7，說(shuō)明兩種方法求得的斜率相差不大。等離子體中的電子溫度分別為11.69，12.26 eV。但前者方法由于只靠目測(cè)，或由指數(shù)增長(zhǎng)端對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)手動(dòng)擬合直線(xiàn)的上延和線(xiàn)性增長(zhǎng)端半對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)手動(dòng)擬合直線(xiàn)下延的交點(diǎn)決定，結(jié)果總免不了與實(shí)際的Us有所錯(cuò)位。相比之下后者結(jié)果更可靠易得。以下實(shí)驗(yàn)中均采用第二種方法求Us。

圖5 探針在13 Pa，1 kV條件下過(guò)渡區(qū)的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

圖6 I p-U p特性曲線(xiàn)的一次微分

圖7 探針在13 Pa，1 kV條件下的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

2.2 相同氣壓不同電壓下等離子的特性

圖8為探針在一定氣壓10 Pa而放電電壓不同時(shí)的伏安特性曲線(xiàn)，圖9為對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)。從圖8可知隨著放電電壓的增加，曲線(xiàn)左移、上移。在可比部分說(shuō)明相同探針電壓下放電電壓越高探針電流越大。在730 V的探針?lè)睬€(xiàn)比較正常，而在800 V、900 V的探針曲線(xiàn)比較失真，探針在該氣壓、放電電壓條件下的伏安特性曲線(xiàn)中飽和電子流區(qū)不明顯或看不到。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)有時(shí)實(shí)驗(yàn)的曲線(xiàn)既無(wú)飽和離子流區(qū)又無(wú)飽和電子流區(qū)，這一問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

圖8 探針在不同放電電壓下的伏安特性曲線(xiàn)

圖9 探針在不同放電電壓下的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

根據(jù)式(4)、(5)，由圖9中擬合直線(xiàn)的斜率求得在730V、800V、900V的不同放電電壓下，電子溫度及濃度見(jiàn)表1。

表1 在同一氣壓10Pa、不同放電電壓條件下等離子體中電子的溫度與濃度

在式(5)中，裸露在等離子區(qū)中的探針表面面積S由探針的直徑D=1.159 mm，深入到等離子體中的長(zhǎng)度l內(nèi)≈3 mm求得。

從表1數(shù)據(jù)中可看出，等離子體在800，900 V時(shí)的飽和電子流與電子的濃度有差別，但差別不大?？偟膩?lái)說(shuō)，放電電壓越高，電子溫度越低，而電子濃度越大。隨著放電電壓的增大，電子在高壓電場(chǎng)中獲得的能量增大，粒子之間碰撞更加頻繁，電子與正離子和原子碰撞概率增加，從而會(huì)有更多電子從原子中被激發(fā)出來(lái)，電子數(shù)目增加，即電子密度增大。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣壓一定，若逐漸提高放電電壓，等離子層數(shù)由多變少，而顏色漸漸變濃，說(shuō)明等離子濃度增大。在較高壓電場(chǎng)中，能量大于離子鞘層排斥能的電子較多，到達(dá)探針形成的電流增大，致使隨電壓的增加曲線(xiàn)上移。由于電子與正離子和原子碰撞頻率的增加，電子的能量消耗會(huì)比較快，從而導(dǎo)致電子溫度有所下降。

2.3 相同電壓不同氣壓下等離子的特性

圖10為探針在放電電壓為800 V一定而氣壓不同時(shí)的伏安特性曲線(xiàn)，圖11為對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)。從圖10可看出隨著氣壓的增加曲線(xiàn)左移、上移。在可比部分說(shuō)明相同探針電壓下氣壓越高探針電流越大。

圖10 探針在不同氣壓下的伏安特性曲線(xiàn)

圖11 探針在不同氣壓下的半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

根據(jù)式(4)、(5)，由圖11中擬合直線(xiàn)的斜率求得在5，10，20 Pa的不同放電氣壓下，電子溫度、濃度分別見(jiàn)表2。

表2 在同一放電電壓、不同氣壓條件下等離子體中電子的溫度與濃度

從表2可看出，隨氣壓的增高電子溫度下降，電子密度增大。氣壓增加時(shí)，放電氣體的密度增加，電子的平均自由程減小，電子與其他粒子、原子和正離子碰撞的概率增加。更多的電子從原子中被激發(fā)出來(lái)，進(jìn)而電子密度增加。在此過(guò)程中電子不斷消耗能量，導(dǎo)致電子溫度下降［9］。電子密度增加，則電子克服離子鞘層排斥能的概率增加，探針電流增大，曲線(xiàn)上移。

3 結(jié)論

本文通過(guò)Langmuir單探針?lè)ㄑ芯苛丝諝廨x光放電等離子體參數(shù)的分布特性，通過(guò)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明利用等離子體I-V特性曲線(xiàn)的一次微商的最大值點(diǎn)求得等離子體的空間電位結(jié)果可靠。對(duì)影響等離子體參數(shù)分布特性的放電電壓、氣壓研究表明：放電電壓越高，電子的溫度越低，密度越高;氣壓越高，電子的溫度越低，密度越高。

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