低温等离子体放电管放电形式的发光分析
直流辉光等离子体气体放电(讲义)(52011060109552354)
继续减小探针电位绝对值，使到达探针电子数比正离子数多得多，探极电流转为正向，并且迅速增大， 所以 CD 段为电子流加离子流，以电子流为主。
气体放电击穿电压Vs是放电开始击穿所需的最低电压，帕邢在汤森提出气体放电击穿理论之前便在实 验室中发现了在一定的放电气压范围内，气体放电击穿电压Vs是气压（p）和极间距离（d）乘积的函数，
2
即：
Vs = f ( pd )
（2）
上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于 pd 的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。 5）等离子体诊断
虽然静电探针在等离子体诊断技术中已被广泛地使用，但会对等离子体的平衡状态造成扰动。特别 是对于高频放电，静电探针会产生很大的干扰
4. 实验装置
DH2005 型直流辉光等离子体实验装置。
5. 实验内容（电极间距不变）
1) 了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象。 2) 测量电压--电流曲线（升压和降压），分析其异同。 3) （以下只测升压曲线）相同条件下多次测量电压—电流曲线，研究数据的离散性。 4) 取不同的工作气压（氮气或空气），测量辉光放电阶段的放电电压、电流曲线，研究工作气压对
e = 1.6 ×10−19 库，k = 1.38 ×10−23 J • K −1，1 eV = 11600K 。
理论值中，电压增大时，电流应达到饱和，斜率可认为是零，但在实验中，电流还是随着电压的增 加而增加。这是因为：理论计算中，认为离子鞘层厚度不变，当电压达到饱和值后，所有电子均已进入鞘 层，再增加 V 电流也不会有变化。而在实际中，随着 V 的增加，鞘层厚度会增大，包含电荷数增多，所 以电流会继续增大。因此实际曲线与理想曲线略有不同。
低温等离子体技术研究及其应用
低温等离子体技术研究及其应用随着现代科技的不断进步，我们的生活和工作中也出现了越来越多的高科技产品，而其中许多离不开等离子体技术。
等离子体即“第四种状态的物态”，是气态、液态和固态之外的一种状态。
在这种状态下，物质的分子和原子不再保持稳定的化学结构，而是被电子和离子强烈作用力推离原子，自由漂浮在空气中。
低温等离子体技术则指制备等离子体，同时保持温度低于室温的技术。
下面，我们将从低温等离子体技术的原理、研究现状以及应用等方面进行探讨。
一、低温等离子体技术的原理人们熟知的等离子体通常伴随着极高的温度出现，如太阳的等离子体炽热到足以令人烧伤。
而低温等离子体则是一种研究重心较晚，但发展非常迅速的分支。
低温等离子体的研究过程中，重要的模型是一气体发光放电器——冷阴极放电器。
从原理上来说，低温等离子体技术是利用强电场将气体分子离子化，产生等离子体的过程。
由于电子在气体分子中相对运动的速度较快，常规的离子化需要很高的能量。
而低温等离子体仅需要很低的电子能量（一般在几十伏特到几百伏特之间，这个能量等于一个普通干电池的电压），从而实现具有实用价值的应用。
二、低温等离子体技术的研究现状低温等离子体技术具有广泛的研究和应用前景。
其中，最重要的应用涉及到先进材料、能源、生物和环境工程等领域。
1. 先进材料在先进材料领域中，低温等离子体技术可以制备金属薄膜、氧化物薄膜以及类石墨材料等。
在电子器件制造中，利用低温等离子体可以沉积非晶硅、硅纳米晶等，并可用于高分子材料的界面纳米改性。
2. 能源在能源领域，低温等离子体技术应用广泛，包括：生产氢气燃料，制备固态氢燃料，改进燃烧过程，减少污染物的排放等等。
此外，低温等离子体还可以用于核废物的处理和可再生能源的开发。
3. 生物在生物学中，低温等离子体技术可用于癌症治疗、病原体控制和抗菌效果等方面。
根据研究，等离子体处理可以破坏癌细胞的DNA，并对病原体产生抗菌效果，具有很好的医疗潜力。
低温等离子体产生方法辉光放电
辉光放电（Glow Discharge）
辉光放电属于低气压放电（low pressure discharge)，工作压力一般都低于10mbar，其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板,利用电子将中性原子和分子激发,当粒子由激发态(excited state）降回至基态（ground state)时会以光的形式释放出能量。
电源可以为直流电源也可以是交流电源.每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示)，荧光灯的发光即为辉光放电。
因此,实验时若发现等离子的颜色有误，通常代表气体的纯度有问题，一般为漏气所至。
辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。
目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。
(To top）
部分气体辉光放电的颜色
部分气体的辉光放电实例。
等离子体放电实验报告
等离子体放电实验报告等离子体放电实验报告引言：等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的高度电离的气体。
等离子体放电实验是一种常见的物理实验，通过施加电场或电压，使气体中的原子或分子电离，形成等离子体，并观察等离子体的放电现象。
本实验旨在探究等离子体放电的特性和规律。
实验设备和方法：1. 实验设备：- 玻璃管：用于容纳气体和形成等离子体的容器；- 电源：用于提供电场或电压；- 气体：常用的气体有氩气、氢气等；- 电压表和电流表：用于测量电场强度和电流。
2. 实验方法：- 将玻璃管充满所选气体；- 将电源接入玻璃管两端，施加适当的电压；- 观察等离子体的放电现象，并记录电流和电场强度的变化；- 改变电压、气体种类或气体压强，重复实验并记录观察结果。
实验结果与分析：1. 放电现象：在实验中，我们观察到等离子体放电时，玻璃管内的气体会发出明亮的光芒，且电流表会显示出电流的变化。
放电现象的强弱和稳定性与电压的大小、气体种类和气体压强有关。
2. 放电规律：- 电压与放电强度的关系：实验中发现，随着电压的增加，放电强度也增加。
当电压达到一定值时，放电强度会迅速增加，形成较强的等离子体。
- 气体种类与放电强度的关系：不同气体的放电特性不同。
例如，氩气放电强度较大，而氢气放电强度较小。
这是因为气体中的原子或分子电离能不同，导致放电特性的差异。
- 气体压强与放电强度的关系：实验中发现，当气体压强较低时，放电强度较小；当气体压强较高时，放电强度较大。
这是因为气体压强的增加会增加原子或分子电离的机会，从而增强放电现象。
实验讨论与应用：1. 实验讨论：- 等离子体放电实验是研究等离子体物理性质的重要手段，通过实验可以深入了解等离子体的形成、结构和特性。
- 等离子体放电现象在自然界和工业中广泛存在。
例如，闪电就是大气中的等离子体放电现象，等离子体放电技术也被应用于气体放电灯、等离子体刻蚀等领域。
2. 应用展望：- 等离子体放电技术在材料加工、环境治理、能源研究等方面具有广阔的应用前景。
低温辉光放电等离子体技术在水体中酚类降解中的应用
低温辉光放电等离子体技术在水体中酚类降解中的应用低温辉光放电等离子体技术在水体中酚类降解中的应用引言：近年来，随着工业化和城市化程度的加大，酚类化合物的无控排放日益成为水体污染的主要来源之一。
酚类污染物具有高毒性和难降解的特点，对生态环境和人体健康造成严重威胁。
因此，研究酚类降解技术成为环境科学研究的热点之一。
本文将介绍低温辉光放电等离子体技术在水体中酚类降解中的应用，探讨其优势和发展前景。
一、低温辉光放电等离子体技术的原理低温辉光放电等离子体技术是一种利用电子能级跃迁产生的不稳定态氧离子（O）和氮离子（N）来降解有机污染物的环保技术。
该技术主要由辉光放电装置、反应器和控制系统组成。
辉光放电装置通过高电压电极使气体发生放电，产生氧离子和氮离子，然后将这些离子导入反应器中，与水体中的酚类化合物进行反应。
二、低温辉光放电等离子体技术在酚类降解中的优势1. 高效降解：辉光放电等离子体技术能够高效降解水体中的酚类污染物，快速将其转化为无害的物质，降解率可达到90%以上。
2. 无需添加化学试剂：该技术无需添加化学试剂，避免了二次污染和对环境的进一步破坏，具有较高的环保性。
3. 反应条件温和：低温辉光放电等离子体技术在降解过程中产生的高温现象较少，水体中的温度变化较小，降解更为温和。
4. 广泛适用性：该技术对不同类型的酚类化合物都有良好的降解效果，并且可以适应不同水体的pH值和温度变化。
三、低温辉光放电等离子体技术在实际应用中的案例1. 酚类废水处理：将酚类废水引入低温辉光放电反应器中，经过一段时间的降解反应，废水中的酚类化合物降解为无害物质，达到了排放标准要求。
2. 污染水体修复：将低温辉光放电等离子体技术应用于酚类污染水体的修复中，能够快速降解水体中的酚类污染物，恢复水体的水质。
3. 水源去酚：将源水中含有的酚类物质进行低温辉光放电等离子体处理，降解水源中的酚类化合物，提高水源的水质。
四、低温辉光放电等离子体技术的发展前景目前，低温辉光放电等离子体技术已经在酚类降解领域取得了显著的成果。
等离子体电子工程(21)—辉光放电与低温等离子体
（5.6）
该式表明，Te 随着 pa 的增大而降低。图 5.5 表示了氦放电时详细 理论计算结果
图 5.5 电子温度 Te 随压强 p 增高而降低的计算结果（半径为 a 的氦正柱区）
在正柱区，电子是由于直流电场的焦耳加热效应而吸收功率的。 根据第 2 章的公式（2.3）和第 3 章的公式（3.29） ，电场 E 所导致的 电子漂移速度为 ud e E ，电流密度为 eneud ；正柱区单位长度上所加 电压 E[V ] ， 所以单位体积中电子吸收的功率为 Pabs eneud E 。 另一方面， 作为正柱区内功率的损失过程，我们可以列举弹性碰撞或电离、激发 以及带电粒子在管壁上的复合等（参见 3.6 节） 。这里，我们假设主 要的损失是弹性碰撞引起的功率损失 ne (2me / mi ) e (3 Te / 2) 和非弹性碰 撞中电离的功率损失 eVI I ne ，那么从能量平衡原理可以得到下式：
eneud E 3me e ne Te eVI I ne mi
（5.7）
5.2.4 各种条件下的辉光放电 压强为 1Torr 量级的直流辉光放电的基本特征已经在图 5.4 中给
予了描述。 当降低压强时， 阴极区域的长度 dc 会伸展， 正柱区会变短； 当压强下降很多时，正柱区最终会消失，放电管的绝大部分区域将是 负辉区，即从图 5.4（c）状态转移到图 4.1 的状态。在这样的低气压 辉光中， pd c 值低于帕邢定律中的极小值（ ( pd ) min ） ，维持放电所需的 鞘层电压 Vc 较高，电场也较强。在图 4.1 中那样以负辉区为主体的放 电类型中，还有低气压时的热阴极 DC 放电【见图 5.1（b） 、 （c ） 】以 及等离子体工艺中常用的平行板型 RF 放电（见图 6.3） 。 另一方面， 从 1Torr 向上增大压强会引起与上述过程相反的现象： 负辉区及其两侧的暗区缩小，正柱区扩展。这样的辉光放电现象通常 是发生在 100Torr 以下。在约为一个大气压的情况下，虽然辉光放电 的维持是可能的，但这时必须注意选择外部电路的参数，并要对阴极 进行强冷却以至于不进入电弧放电状态。这样的高气压辉光，最近在 等离子体工艺中得到应用，其重要性正被人们重新认识。直流高气压 辉光放电在电极间距较长时的特性类似于低气压辉光放电， 在阴极附 近可以看到阴极鞘层区域、负辉区和法拉第暗区。由于压强较高，所 以粒子间的平均自由程较短，正柱区会集中在放电管的中部。集中后 的正柱区有时会在放电管内形成振荡，出现不稳定现象。为便于大家 参考，我们在图 5.6 中给出了铜为阴极时放电电流密度 j 和压强 p 的 关系。这里 j 在压强较低时与 p 2 、在压强较高时与 p 4/3 成正比关系。
等离子体辉光放电 - 河南大学精品课程网
等离子体辉光放电【实验目的】1.观察低压气体辉光放电现象。
2.用探针法测量等离子体中电子等效温度、电子浓度、正负离子的平均速度、平均动能。
3.验证等离子体区电子浓度服从麦克斯韦速度分布律。
【教学重点】1.观察气体辉光放电的现象；2.等离子体辉光放电的原理；3.探针法测量等离子体物理参数的方法；【教学难点】离子体物理参数的计算步骤【时间安排】3学时【教学内容】一、检查学生预习情况检查预习报告。
二、学生熟悉实验仪器设备机械泵、真空放电管、高压电压等。
三、讲述实验目的和要求1. 检查真空系统是否存在漏点；放电管内真空用机械泵抽至50Pa左右，并保持稳定；缓慢旋转高压电源旋钮，增加高压到1000V左右，应看到放电管被点亮；辨认各个放电区域.2. 调节高压和气压，使放电管内等离子区稳定，并且颜色均匀（无层状）；缓慢降低探极电压，并且记录探极电压和探极电流；做lgeI V−特性曲线，进行数据处理，得到电子等效温度、电子平均速度、电子平均动能、电子浓度和正离子的浓度.四、实验原理一、辉光放电现象当放电管内的气压降低到几十帕时，两极加以适当的电压，管内气体开始放电，辉光由细到宽，布满整个管子。
当压力再降低时，辉光便分为明暗相间的八个区域.二、用试探电极法研究等离子区所谓试探电极就是在放电管里引入一个不太大的金属导体，导体的形状有圆柱形、平面形、球形等。
我们实验用的是圆柱形。
试探电极是研究等离子区的有力工具，利用探极的伏特——安培曲线，可以决定等离子区的各种参量。
测量线路如图2所示。
在测量时尽量保持管子的温度和管内气体的压强不变。
实验测得的探极电压和电流曲线如上图3。
对这一曲线作如下的解释：AB 段表示加在探极上的电压比探极所在那一点的空间电位负得多，在探极周围形成了正的空间电荷套层，套层的厚度一般小于等离子区中电子的自由路程。
这时探极因受正离子的包围，它的电力线都作用在正离子上，不能跑出层外，因此它的电场仅限于层内。
等离子发光实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解等离子体产生的基本原理和过程。
2. 掌握等离子体发光实验的操作方法。
3. 观察等离子体发光现象，分析其特性。
4. 研究等离子体发光在科研、工业等领域的应用。
二、实验原理等离子体是一种电离的气体，由带正电的离子和带负电的自由电子组成。
在高温或高压条件下，气体分子被激发，产生大量的自由电子和离子，形成等离子体。
等离子体中的电子在高温下被激发，跃迁到高能级，当电子回到低能级时，会释放出能量，产生可见光或紫外线。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：等离子体发生器、电源、光强计、光谱仪、示波器、电极、电极夹、导线、紫外-可见光滤光片、光学望远镜、光电池等。
2. 实验材料：氩气、氮气、氦气、氧气等。
四、实验步骤1. 准备工作：将等离子体发生器、电源、光强计、光谱仪、示波器等仪器连接好，确保仪器正常工作。
2. 气体充入：将所需气体充入等离子体发生器，确保气体压力适宜。
3. 等离子体产生：打开电源，调节电压和电流，使气体电离产生等离子体。
4. 光谱测量：使用光谱仪测量等离子体发光光谱，分析其特征。
5. 光强测量：使用光强计测量等离子体发光强度，分析其变化规律。
6. 示波器观察：使用示波器观察等离子体发光信号，分析其变化过程。
7. 实验结果分析：对实验数据进行处理和分析，总结实验结果。
五、实验结果与分析1. 等离子体产生：在实验过程中，当电压和电流达到一定值时，气体开始电离，产生等离子体。
2. 等离子体发光光谱：光谱仪测得的等离子体发光光谱显示，等离子体在可见光和紫外光范围内都有较强的发光。
3. 等离子体发光强度：光强计测得的等离子体发光强度随电压和电流的增加而增加，但达到一定值后趋于稳定。
4. 示波器观察：示波器显示的等离子体发光信号呈脉冲状，其脉冲宽度与电压和电流有关。
六、实验结论1. 成功产生等离子体，并观察到等离子体发光现象。
2. 等离子体发光光谱显示，等离子体在可见光和紫外光范围内都有较强的发光。
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低温等离子体放电管放电形式的发光分析
Luminosity Analysis of Lo w-T em perature Plasm a Discharge Reactor
regard to Discharg e Conditions
葛自良1,马宁生1,章昌奕1,赵国华2,耿政松2,施宪法2
(1.同济大学物理系,上海200092; 2.同济大学化学系,上海200092)
摘 要 通过实验研究从发光强度空间分布及发光主截面积两方面分析了低温等离子体放电管的放电形式,指出复合放电效果优于表面放电及无声放电,同时放电管的结构也对放电效果产生很大的影响。
Abstract T his paper analy zes dischar ge co nditio ns of lo w-temperat ur e plasma discharg e r eact or ba sed lumino us intensity distr ibutio n and lumino us ar ea o f no rmal section, it show s clear ly t ha t,the effect of super imposed bar r ier dischar ge is hig her t han t hat o f sur face o r silent discharg e. Constr uction of the discharg e reacto r is also affect t he dischar ge effect.
关键词 放电形式 发光主截面积 发光强度
Key words dischar g e condition lum inous ar ea of nor mal sect ion luminous intensity
中图分类号 O53;T M8 文献标识码 A
0 引 言
近年来臭氧合成、烟气脱硫脱硝等工业生产已广泛用放电等离子体技术,因对其反应过程的机理知之甚少,反应过程中可变参数又很多,现行普遍采用的无声放电形式能耗甚高,且缺乏必要的监测与调控手段,生产效率低下。
其后开发出的表面放电、复合放电等各种新型放电形式[1],主要仍借助于经验办法,仅在实验室中进行研究,难于满足需求[2]。
本研究以放电管作为优化研究的对象,采用物理、化学等分析方法解析放电等离子体现象,以期设计出结构合理的放电管来适用于各种低温等离子体反应器。
下面对低温等离子体放电管的放电形式进行发光分析。
1 实验装置及方法
研究的放电管见图1,中心电极为长250mm、直径25mm的铜管,其外表面附着一层厚1.2mm 的平整光滑、均匀致密的Al2O3介质层。
介质层上螺旋状绕贴着宽2m m的铝箔作为内电极,铝箔螺距为3mm。
外直径42.4m m的玻璃管同轴地套在铜管外,厚1.6m m的玻璃管壁内张附着16目的线径为0.2mm的不锈钢丝网作外电极,中心电极加高压,内电极接地时介质层上发生表面放电;当外电极接地时介质层作为阻挡层,在玻璃管内侧的空隙间发生无声放电;当内外电极一起接地时在介质层上发生表面放电的同时,玻璃管内侧的空隙间又发生
无声放电而形成复合放电。
图1 放电管示意图
工作电源采用ns级脉冲高压电源,可产生上升沿～20ns、50次/s的高压正脉冲,以在放电管内快速建立强电场,形成瞬时功率密度很大的脉冲放电,但因供电脉冲窄,离子几乎未获得加速,温度无明显上升,而电子在较短时间内获得较大能量,这样形成的低温等离子体有利于化学反应[3]。
实验在暗室中进行,室温25℃,相对湿度79%,用数码相机对不同电压下发生表面放电、无声放电和复合放电的放电管分别摄影,摄影条件为光圈3.8,快门速度0.1s,通过计算机处理分析记录下来的气体电离时的发光现象。
2 放电形式的发光强度空间分布
空气电离时的发光含有大量的紫外成分,暗室中摄影放电管的放电发光只能记录可见光范围内的发光信息,经计算机处理得到的放电管可见光发光强度二维空间分布图象见图2,可见复合放电时发光强度的空间分布是表面放电、无声放电时两者发光强度空间分布的叠加。
比较图2d与a、b可知,放电管采用复合放电形式,可在输入电能小于单独放电情况下,取得相应的发光强度空间分布。
这样不仅降低了能耗,还扩大了有效放电空间,收到了表面放电、无声放电时两者效果的叠加效应,就此而言复合放电形成的低温等离子体较有利于化学反应。
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41
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2002年2月 高电压技术 第28卷第2期 同济大学理科发展基金资助项目
图2 放电管发光强度的空间分布
脉冲高压下的低温等离子体放电管应处于均衡的此起彼伏的间歇微弱放电状态中,反映在放电管发光强度二维空间分布图象上,应是一片相对均匀的淡墨色。
从图2三种放电形式的放电管发光强度空间分布图象中,都可见二小块或连成一片的浓墨团,说明该部位正在激烈地放电,这不仅热损耗大,还加速离子,使温度上升,这样形成的低温等离子体
并不有利于化学反应[4]。
以上发光强度空间分布的不均匀图象,说明放电管结构不够合理,例如2mm 的铝箔内电极显得过宽,3m m 的铝箔螺距则显得过窄;16目的不锈钢丝网外电极也显得过密等,使空间中某些部位放电过于激烈,造成了发光强度空间分布图象上的浓墨团。
3 放电形式的发光主截面积
低温等离子体放电管是等离子体化学反应的反应器,有效放电空间的大小,是该反应充分进行的必要条件。
放电管结构设计的目的是扩大有效放电空间,放电管发光面积可反映有效放电空间的大小。
由计算机处理各种脉冲电压下的放电管发光强度二维空间分布图象得到的放电管主截面发光面积(用“格”表示)与施加电压的关系见图3。
可见放电管上施加相同脉冲电压,复合放电时的发光主截面积大于无声放电时的面积。
这是因为复合放电由表面放电、无声放电复合而成,其发光强度的空间分布为中心电极与内电极和与外电极间放电两者叠加,而相同脉冲电压下无声放电的发光主截面积又大于表面放电的。
同一放电管空间中复合放电形式可扩
大有效放电空间,有利于等离子体化学反应。
图3中无声放电时的发光主截面积,自20kV
起略大于表面放电时的,说明其有效放电空间仅略大于表面放电时的,反映放电管未能充分地发生无声放电。
分析发光主截面积可知,该放电管的结构存在着不足,如外电极与中心电极间5.7mm 的放电空隙显得过宽。
图3 发光主截面积与施加电压的关系
此外图3曲线中还存在着一个平台,即当施加的脉冲电压从20kV 上升至22kV 时,3种放电形式的放电管发光主截面积基本上均未随之增加。
仅从放电发光强度空间分布及发光主截面积分析,很难对低温等离子体化学反应进行全面评估。
对此将使用其他物理、化学等分析方法,对低温等离子体放电管进行更深入的解析研究。
4 结 论
a .复合放电形式不仅可降低能耗,还可扩大有效放电空间,其效果明显优于表面放电及无声放电这两种放电形式。
b.优化放电管结构可提高放电效率。
参
考
文
献
1 葛自良,马宁生,章昌奕.烟气脱硝的低温等离子体放电形式的述评.电工电能新技术,2001,20(4):512 国家自然科学基金委员会.电工科学.自然科学学科发展战略调研报告.北京:科学出版社,19943 刘钟阳,吴彦,王宁会.双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究.高电压技术,2001,27(2):284 Rea M.Ev aluat ion of pulse v oltag e genera tor s.IEEE T r ans Ind A ppl ,1995,31(3):507
(收稿日期 2001-08-22)
葛自良 1948年生,工学博士,副教授,从事静电放电及应用研究,
电话:(021)65609544。
・42・ Feb.2002 HIGH V OLT AGE ENGINEERING Vo l.28No.2。