等离子体辉光放电光强分布特性研究

陈钢++张航++严金华

摘要：为了解等离子体辉光放电过程中各个区域的放电特性，利用FB9001型冷阴极辉光放电仪对气体放电的等离子体特性进行了实验研究。实验中对等离子体辉光放电时放电管中的光强分布进行拍照记录，得出等离子体辉光放电中光强的图像，绘制出其光强的纵向分布曲线图。实验结果与等离子体辉光放电光强分布的理论曲线基本一致，为认识辉光放电各区域的放电特性提供了一种非常直观、简单的实验方法。

关键词：等离子体；辉光放电；光强分布

1.引言

作为物质第四态的等离子体有着很多独特的物理性质和化学性质，国内外对于等离子体辉光放电现象研究了其电子浓度、离子浓度、电子温度等电学特性。如研究等离子体放电过程中的电压-电流特性[1]，电子分布特性[2]，等离子体温度[3]，等离子体的均匀性[4]。另外发展出利用利用等离子体开展诊断[5，6]，材料表面改性[7]等等。等离子体在生活中也比较常见，比如日光灯中的等离子体放电，各种气体激光器中的等离子体，等离子体电视机等。但由于等离子体的获得往往比较麻烦，在本科及研究生教学中很难开展，也不是很普及。即便开展这方面的实验，也大多停留在表面，比如放电电压、电流及真空度的一些测量。而对等离子体内在的特性，如放电区的能量分布，电子温度，电子浓度等内在特性，往往学生很难了解清楚。而这些内在特性才是等离子体能够被很好利用的主要特征，因此在有条件的情况下开展等离子体内在参量测量实验，有助于培养学生从宏观到微观、从现象到本质、从基本原理到实际应用的全方位学习的素质和能力。本实验的主要目的是通过直流辉光放电实验理解辉光等离子体放点时的光强分布及特性，绘制出理论辉光放电光强分布曲线图，并与实际辉光放电光强分布图进行比较。利用实验室已有的放电等离子体参量测试仪，测量空气放电的各项参数，从而有助于认识等离子体特性。实验要解决的问题是气体的充放、真空环境的保持，以及最后参量测量结果的理论和实验对比等，进而深入研究等离子体的各种特性。

2.实验原理

将气体密封在一个长圆柱形玻璃放电管中，并将管内的气压控制在几十帕，再在放电管二端的阴极和阳极之间加上可调节的直流高压，当所加直流高压达到某一个电压值时，放电管内气体就会发生辉光放电现象，适当调节放电电压和放电电流，可以看到放电管内充满了明亮发光的等离子体，而整个放电空间又被分割为明暗相间的八个光层[8]，如下图所示，其中6区域即为等离子正柱区。

3.实验过程及结果

实验中使用FB9001型冷阴极辉光放电演示仪一套，利用机械泵进行抽真空，在系统真空度达到约10Pa时，关闭隔膜阀和微调阀，维持一定的真空度。逐步提高阳极高压，当电压表指示值到达1.2kV左右，放电管起辉，放电开始维持。此时再调节高压调压器，电压几乎不再增高，而电流表指示值逐渐增加，当电流到达10mA左右，即可观察到稳定的辉光放电等离子体及其不同的特征区域。实验过程中，为了能观察到清晰的各个区域，需要对真空压强、放电电压及电流进行合适的选择，否则可能有个别的特征区域不明显，难以区分。当能够出现清晰的各个区域的特征后，记录图像，如图2所示。然后利用软件将放电管轴线处的亮度定量表述并画出曲图，如图3所示。

图4为光强分布的理论变化图，从图中可以看出辉光放电的8个区中最明显的是等离子正柱区和法拉第暗区。从图2 的光强分布来看等离子正柱区虽然不是最亮的区域，但却是最均匀，分布最广的区域。从图中可以很轻易的分辨出法拉第暗区和等离子正柱区，另外大致可以分出阿斯顿暗区（ab段）、阴极辉区（bc段）、阴极暗区（cd段）、负辉区区（de段）、法拉第暗区（ef段）、等离子体区（fg段）、和阳极暗区（gh段）。可以看出等离子区亮度分布还是相对均匀的，而阴极辉区和负辉区由于亮度比其它地方大得多，阿斯顿暗区、阴极暗区范围很小，因此曲线走势非常陡峭，不太容易区分。但和理论曲线的符合程度还是很高的。

4.小结

为了对等离子体特性有深入的了解，利用实验室FB9001型冷阴极辉光放电演示仪进行了等离子体辉光放电实验，研究了放电气压、电压、电流等参量对放电特性的影响。在合适的参数下，能够观察到清晰完成的8个放电区域的特性。然后记录实验图片，并用图像软件提取轴线处的亮度分布图，从而更明确地显示出放电管中各个区域的光强分布，实验结果和理论分布曲线分布比较一致。该方法对认识放电等离子体特性提供了一种非常直观、简单的方法。

参考文献：

[1]张洪志，崔海峰，姚斌.气体放电等离子体特性测量I-V曲线不对称性的研究.物理实 验，2006，26（7）

[2]卢志琼，杨中海，金晓林.直流辉光放电中电子分布特性的研究.电子科技大学物理电子学院.2008-5

[3]凌一鸣，鲍炜. 用探极-光谱法诊断扁平氦氖激光器放电等离子体电子温度[J]. 激光杂志，1990，11（3）：128-130

[4]林立中.直流辉光放电正柱区等离子体轴向不均匀性及不稳定性的实验研究.福州大学电子科学与应用物理系.2005-4

[5]徐彪，低温等离子体技术在高分子材料表面改性中的应用研究，南京理工大学.2008

[6]张晓辉，同轴ECR微波等离子体系统设计，大连理工大学.2007

[7]Auciello O.等离子体诊断（第一卷）[M].郑少白，胡建芳，郭淑静，等译.北京：电子工业出版社，1994.136～137.

[8]马养武，陈鈺清，激光器件，浙江大学出版社，2002.6 4-5