DHPD1型等离子体诊断实验仪要点Word格式文档下载.docx
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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:
0~20mA,测量精度0.5%;
击穿电压测量:
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/S
3)极限压力:
6×
10-1Pa4)电机功率:
0.37KW
5)进气口内径:
25mm6)用油量:
0.65L
7)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%50HZ
2、整机功率:
最大功率1.5KW
4、整机重量:
约100Kg
5、外形尺寸(mm):
长1000×
宽660×
高1230
6、放电管:
ф30×
350mm
7、电极距离:
30~320mm可调
8、工作气压:
10Pa~200Pa
9、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
11、探针工作电压:
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1.5KW
2)、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<3Ω
2、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。
1-1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H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;
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