直流辉光等离子体气体放电(讲义)(52011060109552354)

高气压直流辉光等离子体放电物理及技术应用研究的开题报告一、研究背景和意义随着现代科学技术的发展，高气压直流辉光等离子体放电技术在许多领域中得到了广泛的应用。

高气压直流辉光等离子体放电技术是一种将气体转化为等离子体的技术，可以应用于等离子体物理、环境污染治理、新型材料制备等领域。

该技术具有能耗低、效率高、设备简单可靠等优点，因此在未来的科技领域发展中具有非常广阔的应用前景。

二、研究内容本课题将从理论和实践两个方面展开研究。

主要包括以下内容：1. 高气压直流辉光等离子体放电物理学研究。

该研究旨在探寻高气压直流辉光等离子体放电的基本原理和物理机制，并分析其行为规律和性质特点。

2. 高气压直流辉光等离子体放电技术应用研究。

该研究将深入探讨高气压直流辉光等离子体放电技术在环境治理、材料加工等领域中的应用情况，包括其应用场景、具体应用方法以及效果评估等方面。

3. 实验研究。

本课题将在实验室中进行高气压直流辉光等离子体放电实验研究，以验证理论研究成果，并对高气压直流辉光等离子体放电技术进行优化和改进。

三、研究方法1. 理论分析：对高气压直流辉光等离子体放电的相关文献进行研究，阐述该技术的基本原理和物理机制，理论分析其行为规律和性质特点。

2. 实验研究：在实验室中进行高气压直流辉光等离子体放电实验研究，探究该技术的可行性和应用效果。

通过实验验证理论分析的结果，并在实验中寻找一定的适用范围。

四、预期成果本课题将研究高气压直流辉光等离子体放电的基本原理和物理机制，理论分析并得到该技术的行为规律和性质特点。

同时，本课题还将对高气压直流辉光等离子体放电技术在环境治理和材料加工等领域中的应用进行深入探讨，并获得一定的实验成果和优化改进方案。

最终，本研究将有效地推动高气压直流辉光等离子体放电技术的发展，进一步拓宽其应用范围，并为相关产业的发展提供有力支撑。

气体辉光放电与等离子体物理气体辉光放电是一种发光的现象，在低压下，通过在气体中施加电场而产生的等离子体导电现象。

这种现象在我们日常生活中随处可见，例如荧光灯、氖灯等。

气体辉光放电的研究不仅仅是对这种现象的深入理解，也是研究等离子体物理的重要一环。

辉光放电的基本原理是：当在两个电极之间施加高电压时，电场足够强以致将气体分子电离，形成正负离子对。

这些离子在电场的作用下加速运动，在与气体分子碰撞或与其他离子碰撞时，发生能量交换，导致离子再次发射能量。

这一能量会以光的形式辐射出来，形成气体辉光放电现象。

气体辉光放电的研究对于等离子体物理的发展至关重要。

等离子体是第四态物质，由正、负离子和电子组成，具有导电性和态密度较高的特点。

由于气体辉光放电是一种产生等离子体的方法，在研究等离子体的性质和应用方面有着广泛的应用。

首先，气体辉光放电可以用于研究等离子体的基本性质。

通过在气体中加入适量的斯塔克效应试剂，可以调整电子及离子能级。

通过测量气体中的辉光发射光谱，可以得到气体中的能级分布、相互作用以及辉光强度等信息。

这些数据可以帮助我们进一步理解等离子体的行为规律。

其次，气体辉光放电还是等离子体制备中的一种常用方法。

利用气体辉光放电可以产生强度较高的等离子体，进而用于材料表面处理、等离子体光谱研究以及等离子体化学反应等方面。

例如，利用气体辉光放电可以有效地去除材料表面的有机物污染，并增加其表面能，从而提高材料的附着力和光学性能。

此外，气体辉光放电还在环境污染治理、能源利用等方面发挥着重要的作用。

在环境污染治理方面，气体辉光放电技术可以用于废气处理、废水处理以及固体废弃物处理等。

这是因为气体辉光放电在等离子体化学反应中产生了一系列活性物种，可以高效地降解有机物、净化废气和废水。

在能源利用方面，将气体辉光放电与等离子体催化相结合，可以提高气体转化效率，实现能源的高效利用。

总之，气体辉光放电是一种发光现象，通过在气体中施加电场产生等离子体物理现象。

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。

辉光放电与等离子体1、辉光放电通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。

气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。

辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。

辉光放电（或异常辉光放电）可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成，也可以用交流（矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频）靶电源通过真空市内的气体放电产生。

气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。

（1）直流辉光放电①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加；②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值（即饱和值）；③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升当电极间的放电电压大于某一临界值（点火起辉电压）时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。

工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。

④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。

其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。

⑵脉冲直流辉光放电脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。

可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。

脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉（因频率较高，肉眼难以分辨）。

溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个（以后）重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。

直流辉光等离子体气体放电实验向小雨工物13指导老师：张慧云（2013年10月24日，星期四）摘要本实验通过测定辉光等离子体升压和降压的伏安曲线，探究辉光等离子体在不同气体压强和磁场条件下电学特性的变化，进行了唯象讨论和一定的定量分析。

此外，实验中还尝试利用朗缪尔双探针测量等离子体的电子温度和电子密度，并探究了误差成因。

关键词低温等离子体辉光放电双探针法一、前言电流通过气体的现象称为气体放电。

具有一定能量的电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子将一部分动能传给原子，使原子激发或者电离，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。

等离子体是由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。

事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。

无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体1。

等离子体是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。

等离子体有别于其它物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。

本实验中研究的是低温等离子体。

其中各个粒子的温度并不相同，一般用双温模型来描述。

用Ti表示离子温度，Te表示电子温度，一般电子温度比离子温度高得多。

实验中制备等离子体的方式为气体低压放电，放电过程可分为三个阶段：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由广泛的应用。

这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素看来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图1：图1直流低气压等离子体辉光放电区示意图从左至右，其唯像结构如下：1.阴极区：包括阴极，阿斯顿暗区，阴极辉区和克罗克斯暗区；2.负辉区：是整个放电管中最亮的区域。

辉光放电（Glow discharge）辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。

比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。

同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。

§6.1 辉光放电的产生及典型条件最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。

调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A特性曲线。

管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。

放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。

限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。

如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。

辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。

辉光放电的典型条件：①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似均匀。

②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。

一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电压U b，否则不能起辉。

§6.2 辉光放电的组成区域和基本特征对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌如图6.2(a)。

从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴极区。

下面对各放电区一一进行介绍。

1、阿斯顿暗区（Aston Dark Space）：它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿斯顿暗区。

等离子体的应用DH2005型直流辉光等离子体实验装置（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目录目录 (1)设备简介及使用范围 (2)仪器结构及说明 (3)仪器主要配置及组成 (4)技术参数及特性 (5)设备安装及调试 (5)设备操作使用及注意事项 (6)设备维护 (7)常见故障的解决办法 (7)装箱清单 (8)辉光等离子体概述 (9)实验一直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量................... (16)实验二气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 (22)实验三直流辉光放电等离子体参数的测量 (26)一、直流辉光等离子体教学实验装置等离子体作为物质的第四态，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主要特征：同化学的和其它的方法相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中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；高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子态，活性分子碎片，如单体。

同其它与之竞争的加工方法相比，工业等离子体工程提供了更有利的工业加工方法，包括更有效和更便宜达到工业相关结果的能力；它还能完成其它方法不能完成的任务，它能在不产生大量不需要的副产品和废料的情况下达到相同目的；并且能在产生很少污染和有毒废物的情况下实现相同目的。

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，在国内，关于等离子体技术的研究和教学远远落后于等离子体技术在工程中的应用，具体体现在很多领域如微电子、光学镀膜等领域引进的具有上世纪90年代国际先进水平的生产线大量使用了等离子体技术，但高等理工学校在人才培养环节中却缺乏关于等离子体理论和实践方面的训练，造成这一现象的主要原因在于等离子体设备价格昂贵，国内生产的等离子体设备通常是科研院所从开展科学研究的角度开发的，价格一般在15-200万元，而同类进口设备的价格是国产设备价格的10倍，因此目前各高等学校的等离子体装置只用于研究和研究生教学，本科生基本上没有机会得到关于等离子体技术应用方面的训练。