直流辉光放电等离子体 参数测量 电光源 06300310019 杨深.

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1 直流辉光放电等离子体 参数测量 电光源 杨深

2 实验内容概述 测量辉光放电伏安特性曲线 验证帕邢定律（击穿电压） 双探针法测量电子温度与浓度 不同放电区域的光谱测量与定性分析
通过发射光谱计算正柱区电子温度

3 实验装置 5 2 4 8 1 6 3 7 1 抽气口，接机械泵 2 阳极 3 双探针 4 阴极 5 冷却水管 6 进气口
7 DH直流辉光等离子体试验台 8 放电管

4 1.辉光放电现象描述 d=155mm, 40pa 阴极 辉区 阿斯顿 暗区 阳极辉区 法拉第暗区 正柱区 阿斯顿暗区：电子能量不足以大量激发
阴极辉区：电子能量高，发光最强 法拉第暗区：电子重新获得能量 正柱区：等离子体 只有放电管足够长才能出现明显的正柱区！

5 2.双探针法测量电子温度与浓度 认为鞘层与探针面积相等，且鞘层内无碰撞，假设电子服从波尔兹曼-麦克斯韦分布，离子被鞘层加速而具有单一能量
等离子体 鞘层 探针 双探针整体悬浮 Vs V1 V2 流过探针的尽电流 探针1 探针2 则 若近似认为 因此，知道饱和离子流和零点处斜率即可求出电子温度 此即为等离子体密度 探针吸收的饱和离子流

6 探针I-V曲线 dI/dV(V=0)=0.087(uA/v), I+=1.11(uA) 饱和离子流段与理论不符的原因：鞘层厚度增大 曲线没有过0的原因：两探针的面积并非完全相等

7 探针I-V曲线 探针I-V曲线 dI/dV(V=0)=0.14(uA/v),I+=1.63(uA) dI/dV(V=0)=0.136(uA/v),I+=1.73(uA) 20pa 2W 40pa 2W 40pa 4W 电子温度(104k) 7.40 6.74 7.37 电子密(1011/cm-3) 2.27 3.48 3.52

8 3. 光谱测量 （1）光谱仪定标：a用光谱仪测量标准灯的光谱 b在已知标准灯光谱（厂家）的基础上，进行 拟合插值，得到对应波长的强度值
c 通过强度比得到不同波长的响应值 （2）通过光学导轨固定光纤探头（原创）

9 假设激发态粒子浓度服从波耳兹曼分布 辐射功率 用双线法 正柱区Ar光谱 λ（nm） Ej(eV) Ei(eV) g 750.4 13.48 11.62 1 751.5 13.27 763.5 13.17 11.55 5 772.37 13.15 3 772.42 13.33 11.72 826.5 13.28 11.83 800.6 801.5 13.09 840.8 13.3 842.5 852.1 912.3 12.91

10 电子温度的计算 选择能够完全分辨的763.5nm和826.5nm谱线 λ（nm） Aji（s-1） Ei（eV） Ej(eV) 组态 LScouple 763.5 2.45e+7 11.55 13.17 3p5 4p-3p5 4s 3 P2 -3 P2 826.5 1.53e+7 11.83 13.28 3P1 -1 P1 探针法和光谱法得到的数据比较 20pa 2W 40pa 2W 40pa 4W 探针法（K） 7.40×104 6.74×104 7.37×104 光谱法 (K) 2.77×103 2.61×103 2.85×103 出现数量级上的差异，主要原因：1.低气压放电时不能满足LTE的假设 2.光谱仪分辨率和测量范围受限制 实验展望：1.在提高分辨率的基础上，选择自吸收率小的光谱，如750.4nm，811.5nm，或者高激发态能级的谱线，如404.4nm，426.6nm 2. 采用更精确的C-R模型，考虑碰撞过程

11 ？ 4未解之谜 两次试验差别在于第一次实验没有开Ar钢瓶阀门，固可能有杂质气体，但从前者的谱线看，也只有阴极区存在782.3nm，查阅资料，H无该谱线，O虽有，但激发电位过高，为47eV左右。有可能是阴极溅射，如Ba783.95nm，W在782nm～783nm间有很多谱线，且二者激发电位都很低。

12 谢谢！ 主要参考资料： 《气体放电物理》 徐学基 复旦大学出版社 《Light and light sources》Peter Flesch
低温氩等离子体中的单探针和发射发射光谱诊断技术 牛田野 物理学报 第56卷第四期 Mode transitions in low pressure rare gas cylindrical ICP discharge studied by optical emission spectroscopy ,T Czerwiec J.Phys D Appl. Phys. 37, Characterization of argon plasma by use of optical emission spectroscopy and langmuir probe measurements Int. Riaz Ahmad. J. Mod.Phys B Vol.17 No.14 ,2003 ,2749