DHPD-1型等离子体诊断实验仪

等离子体发生技术及应用DHPD-1型等离子体诊断实验仪（附实验讲义）使用说明书杭州大华科教仪器研究所杭州大华仪器制造有限公司1一、气体放电原理干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。气体放电的基本物理过程，气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。激发荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态，就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为Eve，则有Eve＝Em-E1电位ve称为激发电位。实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态，并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态，这时便称为处于亚稳状态，处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子，升到更高的能级，然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能，它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-4～10-2秒；由于它寿命较长，在放电中常常起重要的作用。当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。电离电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如2氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。消电离如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。消电离的方式有三种：①电子先与中性原子结合成为负离子，然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。③电子与正离子直接复合。迁移在电场作用下，带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比U＝KE系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数，而与电场强度E有关。扩散当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况，这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散，其基本特征是：电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。在管壁附近，双极性扩散受到管壁的影响。此时，电子运动速度快，先附于管壁，使管壁带负电位。负电位阻止后来电子的抵达，但吸引正离子，在其附近形成正电荷鞘层。在鞘层中，电子的浓度随着接近管壁而递减，最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。二、仪器结构及说明结构说明：仪器采用的是一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘防止漏电，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝，可利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系统安装在机箱的内部。三、仪器主要配置及组成DHPD-1等离子体诊断实验仪装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统等部分组成，具有结构合理、调节方面、测量参数多等特点。气体放电管：采用玻璃烧结而成，内附两组钨丝探针。及两边采用不锈钢3材料制成的水冷套及放电管固定托架。测量系统：包括辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压测量放电管电压表：三位半数显，测量范围是0～2000V，测量精度2%辉光电流表：三位半数显，测量范围是0～2A，共分5档，测量精度0.5%探针电压表：三位半数显，测量范围：0～±200V，测量精度0.5%探针电流表：三位半数显，测量范围：0～20mA，测量精度0.5%；击穿电压测量：三位半数显，测量范围：0～2V，测量精度0.5%；测量系统包括两组直流稳压稳流电源：一组放电管工作电压，调节范围是0～1500V，另一组为探针测量电源，调节范围是0～±100V，稳定度0.5%。真空系统：采用2XZ-2型旋片真空泵，对密封容器抽除气体而获得真空，真空的测量采用热偶真空计，用于测量本底真空和工作时的工作气压。真空的密封采用金属和橡胶密封；真空调节采用隔膜阀粗调和微调阀精细调节，调节快速方便、稳定性好。2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标：1）工作电压：AC220V/50Hz2）抽气速率：2L/S3）极限压力：6×10－1Pa4）电机功率：0.37KW5）进气口内径：25mm6）用油量：0.65L7）噪声：72LwdB(A)进气系统：进气通过金属管路联接，可通入不同的工作气体，通过转子流量计控制气体的流量，同时通过高真空微调阀调节，达到控制放电管中的工作压强。四、技术参数及特性1、工作电压：AC220V±5%50HZ2、整机功率：最大功率1.5KW4、整机重量：约100Kg5、外形尺寸(mm)：长1000×宽660×高12306、放电管：ф30×350mm7、电极距离：30～320mm可调8、工作气压：10Pa～200Pa9、工作电压：0V～1500V连续可调，电压稳定度1%10、放电电流：10-6A～0.3A可测411、探针工作电压：0～±100V，稳定度0.5%12、探针电流测量范围：0～20mA五、设备安装及调试1、安装环境要求1）、电源：AC220V，50Hz，最大功率1.5KW2）、温度、湿度、气源及冷却水：应保障设备工作稳定正常3）、安装室：室内整洁，空气流通，无尘埃。4）、接地线：室内具有独立接地线＜3Ω2、安装顺序1）、确认安装环境满足设备安装要求2）、检查设备良好情况（检查在运输过程中是否造成损坏）3）、检查放电管及放电管部件是否完好无损4）、安装放电管部件托架。5）、确认各电气部件完好无损。6）、连接真空管路及真空橡胶管。7）、连接好设备地线。8）、关闭流量计，连接好外接气源。六、设备操作使用及注意事项1）、检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。2）、接通总电源，打开总电源开关旋钮，确认冷却水箱水容量打开冷却水开关按钮。3）、打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，抽放电管内真空。4）、打开电阻真空计电源开关，测量此时反应室的压强，抽真空约15分钟使放电管内真空达到所需要求。测量放电管内的本底真空，真空度优于10Pa。6）、将高压输出线加在放电管两端，注意：在实验过程中禁止用手去触摸高压电源线以及放电极杆，防止触电。7）、将功能选择开关打在“放电电流测量”档，开启高压开关按钮，缓慢5调节高压调节旋钮，调节到一定的电压时，放电管内将将产生辉光放电现象。8）、关闭隔膜阀，开启流量计开关，调节一定的流量，给真空室输送工作气源，同时调节微调阀使工作气压达到所需要求。9）、试验结束时，将高压电源调至0，关闭高压开关按钮，关闭气路，关闭真空泵，关闭冷却水，关闭总电源，拔掉总电源线。七、设备维护1、定期更换冷却水，清洗冷却水箱，保证循环水系统的正常工作。2、在放电管壁受到污染时及时打开真空反应室，清洁放电管管壁（避免用尖锐物体划伤放电管内壁）。3、所有电气旋钮及开关状态在使用前一定要确认是否在“原始”状态。4、真空系统维护：1）、注意真空泵换油；2）、注意反应室及管道清洁；3）、注意密封面清洁；4）、真空系统停机前先关真空计电源，然后再进行其它操作5）、实验结束后将真空室报空。八、常见故障及解决办法真空计指示不正常。可能原因：规管或传感器上的输出线脱落或松脱，规管或传感器内进油被污染。处理办法：检查接线，如进油，将规管或传感器撤下用乙醇溶液小心清洗，并风干。61-1气体放电特性与原理气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产生的，这种现象称为气体放电。气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。如图（1）所示为直流放电管电路示意，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，图中R是可调式限流电阻，用以测量电流—电压特性，亦称放电伏安特性，Va为直流电源，V是放电管的极间电压，是放电电流。在电极两端施加电压时，通过调节电阻R值可得到气体放电的伏安特性，如图（2）所示，图（1）直流放电管电路示意图由气体放电的伏安特性曲线可看出，开始在A、B点间电流随电压的增加而增加，但此时电流上升变化得较缓慢，表明放电管中气体电离度很小，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，电流会迅速地呈指数关系上升，从C到E区间，这时电压较高但电流不大，放电管中也无明亮的电光，自E点起，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，同时在放电管内气体发生了电击穿，观测到耀眼的电光，这时因电离而电阻减小，但电流开始增长，在E点处对应的电压VB称为气体的击穿电压。放电转变为辉光放电，电流开始上升而电压一直下降到F点，然后电流继续上升但电压恒定不变直到G点，而后电压随电流的增加而增加到H7点，放电转入较强电流的弧光放电区。I和J之间是非热弧光区，电流增加电压下降，在J和K之间是热弧光区，等离子体接近热力学、动力学平衡，从I到K的弧光放电区属于热等离子特性，在等离子体化学中很少应用。图（2）气体放电伏安特性曲线AB段为非自持放电本底电离区；BC段为非自持放电饱和区；CE段为汤森放电区；DE段为电晕放电区；EF段为前期辉光放电区；FG段为正常辉光放电区；GH段异常辉光放电区；HK段为弧光放电区。、在外加电场保持一定时，如果需要外界辐射源才能持续放电时，放电为非自持放电；当不需要外界辐射源就能保持持续放电则为自持放电。上述放电以汤森放电为例，简述下面的各种放电过程。1-2汤森放电目前工业上应用的一些等离子体过程多发生在汤森放电去，汤森是英国物理学家，第一个提出定量的气体放电理论的科学家，其中涉及几个重要的过程。8（1）电子碰撞电离——α电离过程在放电过程中，设每个电子沿电