等離子體輝光放電光強分布特性研究

陳鋼++張航++嚴金華

摘要：為了解等離子體輝光放電過程中各個區(qū)域的放電特性，利用FB9001型冷陰極輝光放電儀對氣體放電的等離子體特性進行了實驗研究。實驗中對等離子體輝光放電時放電管中的光強分布進行拍照記錄，得出等離子體輝光放電中光強的圖像，繪制出其光強的縱向分布曲線圖。實驗結(jié)果與等離子體輝光放電光強分布的理論曲線基本一致，為認識輝光放電各區(qū)域的放電特性提供了一種非常直觀、簡單的實驗方法。

關(guān)鍵詞：等離子體；輝光放電；光強分布

1.引言

作為物質(zhì)第四態(tài)的等離子體有著很多獨特的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，國內(nèi)外對于等離子體輝光放電現(xiàn)象研究了其電子濃度、離子濃度、電子溫度等電學特性。如研究等離子體放電過程中的電壓-電流特性[1]，電子分布特性[2]，等離子體溫度[3]，等離子體的均勻性[4]。另外發(fā)展出利用利用等離子體開展診斷[5，6]，材料表面改性[7]等等。等離子體在生活中也比較常見，比如日光燈中的等離子體放電，各種氣體激光器中的等離子體，等離子體電視機等。但由于等離子體的獲得往往比較麻煩，在本科及研究生教學中很難開展，也不是很普及。即便開展這方面的實驗，也大多停留在表面，比如放電電壓、電流及真空度的一些測量。而對等離子體內(nèi)在的特性，如放電區(qū)的能量分布，電子溫度，電子濃度等內(nèi)在特性，往往學生很難了解清楚。而這些內(nèi)在特性才是等離子體能夠被很好利用的主要特征，因此在有條件的情況下開展等離子體內(nèi)在參量測量實驗，有助于培養(yǎng)學生從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從基本原理到實際應(yīng)用的全方位學習的素質(zhì)和能力。本實驗的主要目的是通過直流輝光放電實驗理解輝光等離子體放點時的光強分布及特性，繪制出理論輝光放電光強分布曲線圖，并與實際輝光放電光強分布圖進行比較。利用實驗室已有的放電等離子體參量測試儀，測量空氣放電的各項參數(shù)，從而有助于認識等離子體特性。實驗要解決的問題是氣體的充放、真空環(huán)境的保持，以及最后參量測量結(jié)果的理論和實驗對比等，進而深入研究等離子體的各種特性。

2.實驗原理

將氣體密封在一個長圓柱形玻璃放電管中，并將管內(nèi)的氣壓控制在幾十帕，再在放電管二端的陰極和陽極之間加上可調(diào)節(jié)的直流高壓，當所加直流高壓達到某一個電壓值時，放電管內(nèi)氣體就會發(fā)生輝光放電現(xiàn)象，適當調(diào)節(jié)放電電壓和放電電流，可以看到放電管內(nèi)充滿了明亮發(fā)光的等離子體，而整個放電空間又被分割為明暗相間的八個光層[8]，如下圖所示，其中6區(qū)域即為等離子正柱區(qū)。

3.實驗過程及結(jié)果

實驗中使用FB9001型冷陰極輝光放電演示儀一套，利用機械泵進行抽真空，在系統(tǒng)真空度達到約10Pa時，關(guān)閉隔膜閥和微調(diào)閥，維持一定的真空度。逐步提高陽極高壓，當電壓表指示值到達1.2kV左右，放電管起輝，放電開始維持。此時再調(diào)節(jié)高壓調(diào)壓器，電壓幾乎不再增高，而電流表指示值逐漸增加，當電流到達10mA左右，即可觀察到穩(wěn)定的輝光放電等離子體及其不同的特征區(qū)域。實驗過程中，為了能觀察到清晰的各個區(qū)域，需要對真空壓強、放電電壓及電流進行合適的選擇，否則可能有個別的特征區(qū)域不明顯，難以區(qū)分。當能夠出現(xiàn)清晰的各個區(qū)域的特征后，記錄圖像，如圖2所示。然后利用軟件將放電管軸線處的亮度定量表述并畫出曲圖，如圖3所示。

圖4為光強分布的理論變化圖，從圖中可以看出輝光放電的8個區(qū)中最明顯的是等離子正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)。從圖2 的光強分布來看等離子正柱區(qū)雖然不是最亮的區(qū)域，但卻是最均勻，分布最廣的區(qū)域。從圖中可以很輕易的分辨出法拉第暗區(qū)和等離子正柱區(qū)，另外大致可以分出阿斯頓暗區(qū)（ab段）、陰極輝區(qū)（bc段）、陰極暗區(qū)（cd段）、負輝區(qū)區(qū)（de段）、法拉第暗區(qū)（ef段）、等離子體區(qū)（fg段）、和陽極暗區(qū)（gh段）?？梢钥闯龅入x子區(qū)亮度分布還是相對均勻的，而陰極輝區(qū)和負輝區(qū)由于亮度比其它地方大得多，阿斯頓暗區(qū)、陰極暗區(qū)范圍很小，因此曲線走勢非常陡峭，不太容易區(qū)分。但和理論曲線的符合程度還是很高的。

4.小結(jié)

為了對等離子體特性有深入的了解，利用實驗室FB9001型冷陰極輝光放電演示儀進行了等離子體輝光放電實驗，研究了放電氣壓、電壓、電流等參量對放電特性的影響。在合適的參數(shù)下，能夠觀察到清晰完成的8個放電區(qū)域的特性。然后記錄實驗圖片，并用圖像軟件提取軸線處的亮度分布圖，從而更明確地顯示出放電管中各個區(qū)域的光強分布，實驗結(jié)果和理論分布曲線分布比較一致。該方法對認識放電等離子體特性提供了一種非常直觀、簡單的方法。

參考文獻：

[1]張洪志，崔海峰，姚斌.氣體放電等離子體特性測量I-V曲線不對稱性的研究.物理實 驗，2006，26（7）

[2]盧志瓊，楊中海，金曉林.直流輝光放電中電子分布特性的研究.電子科技大學物理電子學院.2008-5

[3]凌一鳴，鮑煒. 用探極-光譜法診斷扁平氦氖激光器放電等離子體電子溫度[J]. 激光雜志，1990，11（3）：128-130

[4]林立中.直流輝光放電正柱區(qū)等離子體軸向不均勻性及不穩(wěn)定性的實驗研究.福州大學電子科學與應(yīng)用物理系.2005-4

[5]徐彪，低溫等離子體技術(shù)在高分子材料表面改性中的應(yīng)用研究，南京理工大學.2008

[6]張曉輝，同軸ECR微波等離子體系統(tǒng)設(shè)計，大連理工大學.2007

[7]Auciello O.等離子體診斷（第一卷）[M].鄭少白，胡建芳，郭淑靜，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1994.136～137.

[8]馬養(yǎng)武，陳鈺清，激光器件，浙江大學出版社，2002.6 4-5