近代物理试验十六 低压放电现象观测及伏安曲线的测量

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概述：直流辉光放电现象的研究――气体放电

气体放电可以采用多种能量鼓舞形式，如直流、微波、射频等能量形式。其中直流放电由于结构简单、成本低而受到广泛应用。直流放电形成辉光等离子体的经典结构如下图，在电气击穿形成等离子体前要经历暗放电阶段，包括本底电离区、饱和区、汤森放电区和电晕放电区。在汤森放电区，当电压继续增加时，可能发生两种放电状况。假使是电源的内阻很高，从而只能提供很小的电流，放电管就拉不出足够的电流击穿气体，放电管仍处于只有很小电晕点的电晕区，或在电极上有明显的刷形电晕放电；假使电源内阻很低，气体就会在击穿电压处击穿，放电将从暗放电区转移到正常辉光放电区。气体电击穿理论

汤森放电区在工业上有重要应用，包括电晕放电和气体的电击穿。因此研究汤森区的放电理论对对电晕、辉光等离子体的应用有重要意义。以低气压放电管的工作为例，其原理图见图1。在暗放电区的电流-电压关系见图2。当放电管上的电压超过C点后，电流将呈指数律上升。在C和E之间的指数增长电流区域称为汤森放电区。这一电流增长规律可以用汤森第一电离系数来分析。

图1低气压放电管工作原理示意图图2暗放电区电流-电压关系图试验目的：

观测直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。试验原理：

气压放电可分为三个阶段：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有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。经典的直

流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：

从左至右，其唯象结果如下：

阴极阴极由导电材料制成，二次电子发射系数?对放电管的工作有很大影响。

阿斯顿(Aston)暗区紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是—个有强电场和负空间电荷的薄的区域．它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中．在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。阴极辉光区紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区．这种辉光在空气放电时寻常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进人的正离子向阴极移动形成的．这种阴极辉光有—个相当高的离了密度．阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力．明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区．

阴极暗区这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度．

阴极区阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区．大部分功率消耗在辉光放电的阳极区．在这个区域内．被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩．

负辉光区紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电市它的光强度最亮．负辉光中电场相当低，它寻常比阴极辉光长，并在阴极侧最强．在负辉光区内。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。

法拉第暗区这个区紧靠在负辉光区的右边，在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和

径向扩散而降低．净空间电荷很低，轴向电场也相当小．

正电柱正电柱是准中性的，在正电柱中电场很小，一般是1v／cm．这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色．在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正电柱变长．正电柱是—个长的均匀的辉光。除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波．

阳极辉光区阳极辉光区是在正电柱的阳极端的亮区，比正电柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有．它是阳极鞘层的边界．

阳极暗区阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正电柱向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场．试验内容

1了解多功能真空试验仪放电管的工作原理，观测直流辉光放电现象，画出示意图，并进行分析。

2根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的试验方案，画出电路图。

3调理隔膜阀，将真空管中的气压稳定在某一确定值，测量暗放电到辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量结果填入表1。取3个不同的工作气压，重复上述测量。绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差异，并分析原因。分析工作气压对伏安曲线的影响机制。表1电压、电流测量值工作气压工作气体放电电压放电电流思考题

1暗放电区电流的测量应注意什么问题？2阴极与阳极显著的热效应区别的原因？

3工作气压对辉光放电中的电压-电流曲线有何影响？其影响机制是什么？

附录I薄膜制备方法一览表

反应蒸发法同时蒸发法真空蒸发法瞬间蒸发法单纯蒸发法分子束外延法分子外延法固相外延法直流溅射法交流溅射法溅射法反应溅射法磁控溅射法全离子束法离子束法部分开子束法离子束外延法氢还原法化学反应法卤素输送发氢化合物热分解法热分解法金属有机化合物热分解法物理蒸发法气相生成法化学堆积法放电聚合法高温氧化法低温氧化法阳极氧化法气相扩散法固相扩散法电解电镀法无电解电镀法溶液输运法氧化法离子束注入法扩散法电镀法涂布法液相生长法溶液浓度下降法

浸渍法滑动法附录II旋片真空泵使用说明一、工作原理及结构简述：

该泵是一种容积泵，它借助于滑片在泵腔连续运转，使泵腔被滑片分成两个不同区域的容积周期地扩大和缩小，而将体吸进、压缩与排出，达到容器被抽真空。

本泵是由两个工作室前后串联同向等速旋转，被抽体由前级泵腔抽入，经过压缩被排入后级泵腔再经过压缩，排出泵腔，通过减雾器排出泵外。

其结构如图1所示，它的核心部分是装有偏心转子和划片的腔室，转子上划片把真空系统与外界分割开来，划片的告诉旋转完成气体的隔离、压缩和排放工作。为了保证密封的严密和机械部件的润滑，上述部分都用专用油保护。这种泵寻常是串联工作的，单级泵的极限真空度大约是1Pa，两级串联后可以达到10

图1旋片式机械真空泵结构示意－2

Pa，抽气速率是1～300L/sec。

二、使用方法及本卷须知：

1、开启仪器前面板，检查真空泵内有无真空泵油，若无则，先拧开加油螺泵从

加油孔中加油至油标2/3，后从进气管孔内参与少许泵油，以润滑泵腔，避免开机后出现咬死，发热现象。泵油选用一号真空泵油，也可选用轿车进口轻质高级机油代替，如：壳牌轿车机油。

2、泵的工作环境：温度5℃—40℃范围内，相对湿度不大于85%，进气口压力小

于1.3×103帕的条件下工作。

3、此泵抽气口连续敞通大气运转，不得超过3分钟。4、此泵必需安装在清洁，通风、枯燥的场所。

3、此泵不能抽吸含有颗粒，尘埃的气体或胶状、水状、液体及腐蚀性的气体。不能抽吸含爆炸性气体或含过高的气体，不能系统漏气及与真空泵匹配的容器过大，在长期抽气下工作。不能作为输气泵，压缩泵等使用。三、维护与保养

1、保持泵的清洁，防止杂质吸入泵腔内。

2、保持油位，不同种类或牌号的真空泵油，不可混合使用，如污染了应及时更换。

3、水分或其他挥发性质进入泵腔内，可开启气镇阀净化之。如影响极限真空，可考虑换油，更换油时，先开泵空运转30分钟左右，使油变稀，放出脏油，放油的同时，从进口缓慢参与少量清洁真空泵油加以清洗泵腔内部。

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Pa，抽气速率是1～300L/sec。

二、使用方法及本卷须知：

1、开启仪器前面板，检查真空泵内有无真空泵油，若无则，先拧开加油螺泵从

加油孔中加油至油标2/3，后从进气管孔内参与少许泵油，以润滑泵腔，避免开机后出现咬死，发热现象。泵油选用一号真空泵油，也可选用轿车进口轻质高级机油代替，如：壳牌轿车机油。

2、泵的工作环境：温度5℃—40℃范围内，相对湿度不大于85%，进气口压力小

于1.3×103帕的条件下工作。

3、此泵抽气口连续敞通大气运转，不得超过3分钟。4、此泵必需安装在清洁，通风、枯燥的场所。

3、此泵不能抽吸含有颗粒，尘埃的气体或胶状、水状、液体及腐蚀性的气体。不能抽吸含爆炸性气体或含过高的气体，不能系统漏气及与真空泵匹配的容器过大，在长期抽气下工作。不能作为输气泵