低气压下空心阴极辉光放电等离子体的特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉大学电气工程学院 作者:陈柏恺

  为掌握10-2 Pa~10-3 Pa 的低气压、磁场条件下空心阴极辉光等离子体的特性及其与常规辉光放电伏安特性的区别,我们对其伏安特性和电子密度进行了测量。实验结果表明:低气压、磁场条件下空心阴极辉光放电的整个过程可分为三个不同阶段,即随着电流的增大,依次为起辉阶段、空心阴极放电阶段和反常辉光放电阶段。其中,起辉阶段与空心阴极放电阶段的伏安特性与常规辉光放电的伏安特性曲线不同,而反常辉光放电阶段类似。实验证实了电子密度随电流增大而增大的关系,实验结果表明,在轴线方向上,阳极附近的电子密度大于阴极附近的;在与轴线垂直的平面上,电子密度差别不大。

  作为物质的第四态,等离子体既在电力工业、电子工业、金属加工业等各大领域有着广泛的应用,也为高新技术研究、解决能源问题提供了诱人的前景。辉光放电是一种较为容易产生非等温等离子体的放电形式,在以上领域也越来越受到人们的关注。然而,随着科技的发展,许多精细加工的要求越来越严格,从而使得正常情况下的辉光放电等离子体远远不能满足其需求。所以,越来越多的研究人员在正常辉光等离子体相关理论的基础上,相继研究各种反常辉光等离子体的特性。如1933 年Von Engle 等研究了在低气压H2 条件下引燃再过渡到常压的辉光放电等离子体特性;1993 年Okazaki 和1997 年Roth 等使用特定形式的电极和较低的电源频率,在空气等多种气体中建立了常压辉光放电,并尝试用来对PP 材料进行表面改性; 2002 年,王新新、芦明泽、蒲以康等人对空气中均匀辉光放电可能性的研究。然而目前对于高真空条件下的辉光等离子体特性的研究尚未发现相关文献报道,许多特性还不清楚,所以迫切需要对低气压下辉光等离子体物理特性参数的实验研究。

  为了在10-2 Pa~10-3 Pa 的低气压下得到空心阴极辉光等离子体,通常需要外施磁场。由于磁场的存在,阻碍了带电粒子的运动,同时使等离子体的双极性扩散系数发生变化,从而可能导致辉光放电的伏安特性发生变化。所以,弄清这种特殊条件下辉光放电伏安特性及等离子体的相关特性是十分重要的,研究这些内容是本文的主要目的。

1、伏安特性曲线的测量

  1.1、实验原理及装置

  1.1.1、放电管的结构

  本实验是在低气压条件下进行的,故采用真空抽气装置将放电管内的气压维持在6×10-3 Pa。由于气压低,电子运动的平均自由程λ 很大,电子很容易积累足够的动能,从而使得碰撞电离的概率很大。然而,粒子之间总的碰撞次数很少,故碰撞电离系数总体来说不大,根据巴申定律,其起始击穿电压很高。为解决上述问题,本文采用了空心阴极辉光放电管,放电管的结构如图1 所示。阴极由两块距离可调的平行铝板电极C1、C2组成,它们之间的距离D=5 cm,阳极为一个内孔直径较大的金属电极A,阳极圆环半径r=2 cm,且圆环中心与两个阴极板中心在一条直线上,阳极板厚度为2 mm,故阴极到阳极的距离为d=2.4 cm。

空心阴极放电管

图1 空心阴极放电管

  采用空心阴极辉光放电结构,具有以下3 个方面产生带电粒子的有利因素:

  (1) 电子可在阴极空间来回振荡,从而大大提高碰撞电离的几率;

  (2) 由辉光放电负辉区的分析可知,它既是放电中电子、离子浓度最高,辐射光最强的区域,又是电场较弱、迁移运动速度较小的区域。在空心阴极中,阴极的负辉区相互重叠,使区内带电粒子的浓度更高、辐射光更强、高能粒子更多,从而使空间电离系数提高;

  (3) 由于较多的高能粒子轰击阴极表面,使阴极金属溅射增强,从而在阴极附近出现较高的金属蒸汽压,从而使得阴极区电离系数更加增大。

  另一方面,为了进一步增加电子的碰撞电离系数,降低放电的起辉电压,可以在两阴极平行板旁加上强磁场,使得电子在磁场和电场的共同作用下做螺旋运动,从而大大增加电子的运动行程,提高粒子之间的碰撞几率。对此,本文的实验中,将两个阴极设计为两个金属盒,其长宽均为a=8.5 cm,厚度为b=4 cm,金属盒中分别装入两个永磁体,使永磁体表面与电场方向垂直,阳极附近磁感应强度为0.2 T。

  1.1.2、实验电路

  进行辉光放电时,放电管两端需要正负极性固定的直流电压,因此需要对电源电压进行整流、滤波。为了得到平滑的负载电压,本实验采用的是单相桥式整流、电容滤波电路,实验电路图如图2 所示。

实验电路图

图2 实验电路图

  对于电容右边的放电回路,当负载被击穿时,放电回路中会产生短路电流,故在放电回路中加上一个限流电阻。通过多次实验发现,当限流电阻较小时(2 kΩ~50 kΩ),放电管中产生的辉光不稳定,常伴有闪烁等现象,造成电流表指针在较大幅度上振荡,以至于无法对数据进行准确记录。当限流电阻较大时,即达到上百千欧时,电阻产生的功率较大,这对电阻的要求是非常高的,且如果没有相应的冷却装置,测量的时间一长,电阻发热会导致阻值发生变化甚至损坏。本实验结合实际情况,最终选取阻值为100 kΩ的去离子水电阻和陶瓷电阻分别进行实验。

实验结论

  综上所述,可得出如下结论:

  (1) 在高真空、磁场条件下的空心阴极辉光放电的伏安特性曲线可分为三个阶段,随着电流的增大,依次为起辉阶段、空心阴极放电阶段、反常辉光放电阶段;其中,前两个阶段与常规辉光放电的伏安特性略有不同,后阶段与常规的类似;

  (2) 对于空心阴极放电管的相同位置,在高真空、磁场条件下,辉光等离子体的电子密度随着电流的增大而增大;

  (3) 空心阴极放电管中,相同电流下阳极附近的等离子体电子密度要大于阴极附近的等离子体电子密度。

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