下载文档原格式
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。
低温等离子体发射光谱学研究共3篇低温等离子体发射光谱学研究1低温等离子体发射光谱学研究随着科技的进步和应用领域的不断扩大，对等离子体的研究和应用也日益重要。
目前，低温等离子体在新材料制备、污染治理、医疗治疗等方面得到了广泛应用。
研究低温等离子体的电子结构和性质对于深入了解等离子体的生成机制以及掌握其控制方法具有至关重要的作用。
而低温等离子体的发射光谱学就是研究其电子结构和性质的重要手段之一。
所谓低温等离子体，是指温度在室温下或不超过室温的等离子体，由于其电子温度远高于离子和中性粒子的温度，所以其等离子体内部分子结构可以被剥离或重新组合，就像分子的打乱与重组。
低温等离子体通常采用电场、热凝、激光等方法激发原子或分子，使得其电子被激发到激发态，然后返回基态时发射出电磁波（光）信号，这就是低温等离子体的发射光谱。
低温等离子体发射光谱学的重点是研究这些发射光谱信号与等离子体内部能级结构之间的关系。
其具体操作方式是将低温等离子体置于强光源下照射，使得等离子体内部电子被激发到激发态，然后返回基态时发射光谱信号以及各种谱线，之后通过光谱仪将这些发射光谱信号测量、分离和分析。
通过对数据的分析，我们可以根据发射光强、发射波长、发射谱线的数量及宽度等数据，得出有关等离子体内部电子结构、电子温度、离子浓度、分子结构等多方面信息的结论。
低温等离子体发射光谱学的研究不仅有助于我们深入了解等离子体的性质和性质变化，还可以为等离子体应用提供有效的技术支持。
例如，在新材料制备方面，可以通过控制低温等离子体内部电子结构和电子温度，来合成具有特定性能和特性的纳米材料和金属材料。
在污染治理方面，可以利用低温等离子体的氧化剂特性来处理工业废气和水，达到净化环境的目的。
在医疗治疗方面，可以利用低温等离子体的杀菌效果，开发出新型的医疗设备和治疗方法，用于治疗感染性疾病等。
总之，低温等离子体发射光谱学的研究不仅有助于我们深入了解等离子体的生成机制和性质，还可以为等离子体应用提供有效的技术支持。
等离子体物理中的等离子体诊断技术等离子体是一种高度电离的气体，它具有复杂的性质和行为。
在等离子体物理研究中，准确测量和分析等离子体参数是至关重要的。
等离子体诊断技术提供了一系列工具和方法，用于探测和研究等离子体的性质和行为。
本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术，并探讨它们在等离子体物理研究中的应用。
一、光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体辐射光谱来获取等离子体参数的方法。
利用光谱仪和光电探测器，可以获取等离子体中的电子密度、温度、离子浓度等信息。
其中，基于精确测量等离子体辐射谱线强度和形状的方法，如测量波长位移和线宽等，可以获得等离子体的流体参数，并进一步研究等离子体的动力学行为。
二、散射诊断技术散射诊断技术是一种通过测量等离子体中散射光的性质来推断等离子体参数的方法。
通过测量等离子体中的散射光的强度、偏振和波长等，可以推算出等离子体中的粒子密度、温度、流动速度等信息。
其中，拉曼散射和汤姆逊散射是常用的等离子体诊断技术，可以用来研究等离子体的密度梯度、流体运动以及离子温度等。
三、探针诊断技术探针诊断技术是一种通过测量等离子体中的电子或离子电流来推断等离子体参数的方法。
利用探头与等离子体相互作用，可以测量电子温度、电子密度、离子密度等参数。
常用的探针诊断技术包括电子探针和离子探针。
电子探针通过测量电子引出电流和电压的关系，可以得到等离子体的电子温度和电子密度。
离子探针则通过测量离子引出电流和电压的关系，可以获得等离子体的离子密度。
四、辐射诊断技术辐射诊断技术是一种通过测量等离子体辐射强度和能谱来推断等离子体参数的方法。
辐射诊断技术可以提供等离子体的电子温度、电子密度、离子浓度以及辐射湮没通量等信息。
常用的辐射诊断技术包括软X射线诊断、硬X射线诊断、γ射线诊断等。
这些技术可以用于研究等离子体中的能量输运、等离子体的辐射特性以及等离子体与壁面相互作用等。
综上所述，等离子体诊断技术在等离子体物理研究中起着重要的作用。
物理实验技术中的等离子体参数测量方法概述等离子体是一种高度电离气体状态，广泛存在于自然界和工业应用中。
在物理研究和工程实践中，准确测量等离子体参数对于理解等离子体行为以及优化等离子体应用至关重要。
本文将概述物理实验技术中常用的等离子体参数测量方法。
1. 等离子体密度测量等离子体密度是描述等离子体的基本参数之一，衡量等离子体中带电粒子的数量。
测量等离子体密度的一种方法是利用光谱技术。
光谱法通过测量发射光的强度和波长来确定等离子体密度。
此外，也可以使用电测量技术，如电子探针或Langmuir探针测量等离子体密度。
2. 等离子体温度测量等离子体温度是描述等离子体的热力学性质的重要参数。
其中一种测量等离子体温度的方法是利用等离子体的辐射特性。
等离子体发射的辐射光谱与温度有关，通过测量辐射光的强度和波长可以得到等离子体的温度信息。
此外，还可以使用电测量技术，如电子能谱测量等离子体温度。
3. 等离子体电荷测量等离子体的电荷性质对于等离子体行为的理解和控制具有重要意义。
测量等离子体的电荷可以使用电子探针或Langmuir探针等技术。
电子探针通过测量等离子体中电子的能谱来确定电荷信息。
Langmuir探针则测量等离子体中的电流和电压以获得电荷信息。
4. 等离子体传输参数测量等离子体的传输参数是描述等离子体动力学行为的重要参数，如等离子体密度、温度、速度和流动等。
其中一种常用的方法是利用激波法测量等离子体的速度和流动性质。
激波法测量等离子体流动的原理是通过在等离子体中产生激波并测量激波传播的速度和形状来推断等离子体的速度和流动参数。
此外，也可以利用激光干涉仪等光学技术测量等离子体的速度和流动性质。
5. 等离子体诊断技术的发展趋势随着科学技术的发展，等离子体诊断技术也在不断进步。
传统的等离子体参数测量方法已经得到了广泛的应用，但仍存在一些局限性，如测量精度、实时性和非侵入性等方面的挑战。
因此，研究人员正在不断探索新的等离子体诊断技术。
低温等离子体介绍低温等离子体，即冷等离子体，指的是在相对较低的温度下，分子或原子失去一部分或所有的电子，形成带有正离子和自由电子的气体状态。
与高温等离子体相比，低温等离子体具有较低的温度和较低的能量密度，是一种非平衡态的等离子体。
在科学研究领域，低温等离子体被用于研究基础物理现象、原子物理、分子物理和凝聚态物理等。
低温等离子体的形成和性质研究已经揭示了许多重要的物理现象和过程，例如等离子体的弛豫过程、等离子体不稳定性、等离子体辐射和能量输运等。
低温等离子体的研究对于理解宇宙中等离子体的存在和动力学行为具有重要意义。
在工业生产领域，低温等离子体被广泛应用于等离子体化学反应和等离子体物理处理。
等离子体化学反应是一种利用低温等离子体产生的高能量和活性种子，进行表面改性、薄膜沉积、材料合成和污染物降解等化学反应的技术。
低温等离子体物理处理则是利用低温等离子体的离子束、电子束和辐射等物理效应来处理材料表面的技术。
这些应用包括表面清洁、改性、涂层、离子攻击和离子表面合成等。
在医学领域，低温等离子体被用于医学诊断和治疗。
低温等离子体诊断技术利用等离子体产生的光谱特征，通过分析等离子体辐射光谱来诊断疾病和监测生物标志物。
低温等离子体治疗技术则利用低温等离子体的生物活性和氧化作用，对肿瘤和感染等病变进行治疗和消毒。
由于低温等离子体具有高反应活性、高能量密度和较低的电子温度等特点，因此它在环保、新能源和高技术领域具有广阔的应用前景。
例如，低温等离子体可以应用于废气处理、废水处理和废固体处理等环保领域，用于降解和去除有机污染物和重金属污染物。
此外，低温等离子体还可以应用于太阳能光电池、等离子体推进器、等离子体显示器和等离子体芯片等新能源和高技术领域。
总而言之，低温等离子体是一种具有重要的物理特性和广泛应用价值的等离子体。
它在科学研究、工业生产和医学治疗等领域发挥着不可替代的作用，并为环保、新能源和高技术领域的发展提供了新的机会和挑战。
等离子体实验报告摘要:本实验旨在研究等离子体的特性和性质。
通过在实验室中制备等离子体，运用各种工具和技术手段，对等离子体的形成、发展和维持条件进行探究。
本报告将详细介绍实验的步骤、实验结果和相关数据分析，以及对实验结果的讨论和结论。
引言:等离子体是一种极为特殊的物质状态，具有高温高能、带电等特性。
等离子体广泛存在于自然界中，例如太阳、星际空间和闪电等。
在地球上，等离子体也有很多应用，如等离子体显示器、等离子体喷雾技术等。
为了更好地理解等离子体的性质和应用，本实验使用等离子体发生器制备了等离子体，并对其进行了详细的观测和分析。
实验步骤:1. 实验仪器和材料准备：等离子体发生器、高压电源、压力计、真空泵、标准气体、观察窗等。
2. 系统组装：按照实验要求，将各个仪器和设备进行组装，确保实验系统正常运行。
3. 真空泵抽气：使用真空泵将实验设备的容器内的气体抽除，建立高真空环境。
4. 真空度测试：使用压力计对实验中的真空度进行测试，确保达到实验要求。
5. 充入标准气体：将标准气体充入等离子体发生器，调节气体流量和压力，使其满足实验条件。
6. 施加高压电源：将高压电源接通，施加合适的电压和电流，形成电弧放电。
7. 观察和记录：使用观察窗等设备对等离子体的形态、发展和维持条件进行观察和记录。
8. 数据采集和分析：记录实验过程中的数据，进行数据分析和处理。
实验结果:经过多次实验操作和观察，我们得到了以下实验结果：1. 在合适的压力和电压条件下，等离子体能够稳定形成，并呈现出不同的形态，如电弧、等离子球等。
2. 等离子体在高压电场作用下，呈现出辐射、发光等特性。
3. 等离子体的形成和稳定维持与气体种类、气体流量、电压和电流等因素密切相关。
4. 等离子体存在时间和空间的特性，可以通过相关仪器进行观测和测量。
讨论与结论:通过本实验，我们深入了解了等离子体的性质和特性。
在实验过程中，我们发现等离子体的形成和发展与气体种类、气体流量、电压和电流等因素密切相关。
第26卷,第11期 光谱学与光谱分析Vol 26,No 11,pp2116 21192006年11月 Spectro sco py and Spectr al AnalysisNo vember ,2006常压下低温等离子体光辐射特性测量任庆磊,林 麒*厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005摘 要 采用常压空气辉光放电(AP GD)技术在自行设计的电极板表面产生出一薄层低温等离子体,并利用光谱诊断光学系统对所产生的等离子体进行光辐射特性实验测量;实验获取了几种电极板在几个不同加载功率下的辐射光谱,并对光谱的辐射强度进行平均化处理分析。
分析结果表明此沿面A P GD 的光辐射强度与加载功率之间存在线性增加的关系,且随电极板静态电容的增加而增强。
该方法可以为控制AP GD 等离子体的产生量提供一种简便可行的途径。
主题词 低温等离子体;常压空气辉光放电;光辐射特性;光谱测量中图分类号:O 536 文献标识码:A 文章编号:1000 0593(2006)11 2116 04收稿日期:2005 08 28,修订日期:2005 12 16基金项目:福建省自然科学基金(A0410001)资助项目作者简介:任庆磊,1981年生,厦门大学物理与机电工程学院硕士研究生 *通讯联系人引 言常压空气辉光放电(AP GD)等离子体在材料表面改性、环境保护、臭氧合成、医学和航空等诸多领域有着重要的应用价值[1],对其进行深入研究是非常有意义的。
为了有效地加以应用,有必要研究了解A PG D 等离子体的特性。
目前对其电子温度和电子密度等特性参数的测量诊断还未见有相关文献,一直缺少一种有效的诊断方法。
这在很大程度上影响了这种等离子体的有效定量应用。
注意到等离子体具有光辐射特性,这就使人们有希望从其光辐射特性中获得定量描述AP GD 低温等离子体的方法。
由光谱测量分析得到的光谱强度和谱线的分布与等离子体的电子温度等参数之间肯定存在某种必然的关联性质[2,3],虽然人们一时还无法给出它们之间的这种关系,但光辐射特性仍然从一个侧面定量地反映了等离子体的强度。
因此,本文采用光谱测量的方法对A PGD 等离子体进行光辐射特性研究,分析它的定量变化规律,试图对该类等离子体的测量诊断方法进行探讨。
1 APGD 装置及原理A PGD 等离子体发生装置如图1所示,主要由放电电极板和高压电源组成。
电极板的基板介质材料分别有两种:环氧树脂玻璃纤维和聚四氟乙烯玻璃布,其结构为约0.1mm 厚的铜膜覆于1mm 厚的介质板两侧作为电极,电极的形式一侧为细条状,一侧为片状(示意图见图1)。
电极条在介质板上均匀相间平行分布。
Fig 1 The illustration of APGD plasma device当对两侧电极加载高压交流电时,电极条两侧便发生放电现象,产生低温等离子体,同时发出可见的紫色光芒。
图2为所摄沿其中一块电极板平面的AP GD 实验照片。
从本质上说,这种A PGD 等离子体产生的原理是沿面介质阻挡放电。
它是一种非平衡态的、非稳定的和不均匀的放电。
由于两放电电极之间有一绝缘介质板,当对两电极加上高电压时,绝缘介质板表面即感应出与附于板上同侧的电极极性相反的电荷,在绝缘板表面与电极条之间建立起足够强度的电场,从而使它们之间敞开在大气压下的空气发生电离放电。
由于这种空气电离放电是在高频脉冲电压作用下发生的,所以沿面AP GD 实际上是由一系列的脉冲微放电组成的。
对这种放电产生的等离子体,测量它的瞬态参数对于工程应用没有什么意义。
因此,在光谱测量实验中和数据处理时都必须考虑这些因素,采取必要的措施,如进行空间平均和时间平均处理。
Fig 2 APGD in air on the flat plan2 光谱测量实验本文采用如图3所示的光学系统对所产生的等离子体进行光辐射测量实验。
图中的光学器件为SP 750i 光栅光谱仪,其工作波长范围为180~2700nm,涵盖了沿面A PGD 发光的波长范围。
沿面AP GD 工作时,等离子体发射的光线经过光栅光谱仪后由光电倍增管将采集的光信号转变为电信号并加以放大而记录下来。
测量到的电信号的大小直接反映了光信号的强弱。
由光谱仪扫描记录的数据经Or ig in 软件处理后可得到相对辐射强度的光谱图(如图4所示)。
Fig 3 The optical system f or spectrum diagnosis ofAPGDFig 4 The spectra of APGD by grating spectrograph从光谱图可以看出,A PGD 等离子体的辐射光谱很丰富,在280~420nm 的波长范围内有较明显的峰值,即从紫外到可见光都有不同的辐射强度,但最强的是在紫外区段。
可见虽然A P GD 工作时可见到紫色光谱,但那还不是主要的辐射成分。
当加载功率P 不同时,A PGD 的放电强度不同,所产生的低温等离子体强度也不同。
故本文在几块电极板的正常工作范围内选择了四个不同的加载功率P 进行测量,考察沿面A PG D 放电的光辐射特性随功率P 变化的规律,从而寻找比较简便的控制A PGD 产生等离子体的 量 的方法。
实验所用电极板上的电极条是间隔分布的,所以沿面A PG D 产生的等离子体是不均匀的。
当放电强的区域对准光栅光谱仪入射狭缝时,其扫描所得的光谱峰值会比较高,反之则较低。
为使所测量的结果全面反映沿面A PGD 的光辐射特性,对实验方案进行如下设计:安装电极板时使电极条处在水平状态,将电极板垂直安放并距狭缝20mm,板的中央部分对准入射狭缝(见图3),这样相对于入射狭缝有限面积的电极板AP GD 可近似地视为无限大平面的A PGD ;在相同的加载功率P 下,调整电极板的垂直安装高度,调整范围与电极条的间距相同;用光栅光谱仪扫描并记录下电极板处于各高度时沿面A PGD 的光谱,以便进行空间平均处理。
虽然放电具有非平衡非稳定性,但整个A PGD 发光波长的扫描过程需花费几分钟,与脉冲微放电的周期相比,足以保证测量数据时间上的平均。
测量中发现,即使电极板上的电极条分布不同或者改变电极板的上下相对位置或改变加载功率,光谱的谱线分布都是相同的,不同的只是其强度。
这是因为A PGD 在空气中工作,被电离的气体总是氧气、氮气及少数其他气体,所测得的谱线正是对应这些气体电离时释放出的光能。
3 数据处理及分析根据沿面AP GD 的工作情况和图4的光谱,本文考虑从两个角度来分析A PG D 的相对光辐射强度与加载功率之间的关系。
一是直接寻找A P GD 光谱最高峰值与加载功率P之间的关系;二是对测得的光谱图进行面积积分,求其与加载功率P 之间的关系。
由于放电的不均匀性,故描述光辐射强度与加载功率之间的关系时,用光谱最高峰值平均值I pm 和面积积分平均值I am 更科学且更具一般性。
虽然光谱图中有几个峰值,但是最高峰值I 0max 总是在图4中的波长 =337 25nm 处。
而光谱线下的面积I a 可以用公式(1)求得,积分时取I 0的基准近似为0。
I a =!21I 0d(1)根据实验方案,对于同一块电极板,加载相同功率,可以获得对应电极板在不同位置高度时的辐射光谱最高峰值和积分面积值。
图5为其中一块电极板的这两个数值随其相对于入射狭缝的高度z 变化的曲线。
根据图5的曲线可以利用空间积分公式(2)与(3),求得此加载功率下光谱最高峰值平2117第11期 光谱学与光谱分析均值I pm 和面积积分平均值I a m 。
I pm =1z 2-z 1!z 2z 1I 0ma x d z(2)I a m=1z 2-z 1!z 2z 1I ad z (3)从而确立这块电极板的光辐射强度随加载功率变化的数据曲线,如图6所示。
Fig 5 The radiation intensity of APGD at givenpowerFig 6 The radiation intensity of APGD vs powera:I pm vs P ;b:I a m v s P从处理结果图6可以看出A PG D 等离子体的光辐射强度与加载功率是呈线性关系的。
本文认为谱线峰值高低反映了所产生的低温等离子体中的电子数量和离子数量,即电子密度。
峰值高,对应的电子密度就大。
反之则低。
图6中的曲线a 表明I pm 随P 呈线性增长。
当然,电子密度随P 的增长不一定是线性的,但可以判断会是呈增长趋势的。
等离子体的另一重要参数是电子温度,它反映的是等离子体总体能量的大小。
而光谱线下的面积代表了电极板的总辐射能量,可以从一个侧面描述等离子体的总能量。
图6中的曲线b 表明I a m 与加载功率P 呈线性关系,这个结果与随加载功率P 增大,放电强烈,电子温度升高的规律是一致的。
对不同电极板进行相同的测量实验,并对获取的数据进行如上所述的相同处理后,所得结果如图7与图8所示。
显然,不同电极板A PGD 等离子体的光辐射强度与加载功率密度Q(P 与电极板上电极条的总面积之比)总是呈线性关系。
同时,对处理结果图7和图8分析后发现,在加载功率密度Q 相同的条件下,A PG D 产生等离子体的光辐射强度随电极板的参数而变化,也就是说,各实验曲线的斜率是不同的。
本文实验研究所采用的不同电极板的区别在于各板上电极条的宽度d 和间距D 、电极板基材的介电常数 、板的厚度L 有所不同,而这些参数却决定了放电电极板的静态电容。
Fig 7 The radiance of the APGD plasm on the plateswith different layout of electrode stripsFig 8 The comparison of three A PGD plates withdifferent dielectric coefficint 虽然电极板两面的电极构成分布电容,但其静态电容值仍可以通过平行板电容的计算公式(4)来近似得到C = S /L(4)式中,C 为电容值, 为电极板基材介质的介电常数,S 为两电极相对面积,L 为板基材厚度。
当电极条宽度增大或密集时,S 会增大,则静态电容增大,图7中曲线2的电极条比曲线1的电极条窄但间距相同,而与曲线3的电极条一样宽但间距较小。
因此,曲线1的电极板的静态电容最大,而曲线3的最小,这与用仪表实际测得的电极板静态电容的结果相一致。
实验结果表明,曲线1的光辐射强度最大而曲线3的最小,这说明电极板的静态电容越大其放电光辐射强度越强。
不仅如此,随着加载的功率密度增大,静态电容大也使得放电光辐射急剧增强。
由公式(4)知, 大,则静态电容越大。
图8中三条曲线对应的电极板的区别仅在于基板介质不同,它们的介电常数大小依次是 a > b > c ,实验结果同样表明电极板的静态电容越大其放电光辐射强度越强。
