等離子體的參數(shù)測(cè)量

1、 等離子體的參數(shù)測(cè)量（補(bǔ)充材料）等離子體技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng) 用，其主要原因在于等離子體具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：同其它的方法（如化學(xué)方法）相比，等離子體具有更高的溫度和能量密度；等離子體能夠產(chǎn)生更多的活性成分， 從而引發(fā)用其它方法不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)?；钚猿煞职ㄗ贤?和可見光子、電子、離子、自由基，以及高反應(yīng)性的中性成分，如活性原子，受 激原子，活性分子碎片。比如，工業(yè)等離子體工程已經(jīng)發(fā)展成了一種更有效率的 工業(yè)加工方法，不但能在減少副產(chǎn)品、廢料，以及污染和有毒廢物的情況下達(dá)到 相關(guān)的工業(yè)結(jié)果，甚至能完成其它方法不能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。等離子體技術(shù)是一

2、個(gè)關(guān)系國(guó)家能源、環(huán)境、國(guó)防安全的重要技術(shù)，但國(guó)內(nèi)關(guān) 于等離子體技術(shù)的研究和教學(xué)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于等離子體技術(shù)在工程中的應(yīng)用，比 如，現(xiàn)在實(shí)用的很多科研和生產(chǎn)上的等離子體設(shè)備有很多是進(jìn)口的，有關(guān)等離子體的教學(xué)課程開展得較少，而教學(xué)實(shí)驗(yàn)則更少。本實(shí)驗(yàn)以直流輝光等離子體為例，希望學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，能了解等離子體物理 的基本知識(shí)和一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域，并掌握等離子體檢測(cè)的常用方法，為今后的 學(xué)習(xí)研究打下基礎(chǔ)。等離子體物理基礎(chǔ)隨著溫度的升高，物質(zhì)一般會(huì)經(jīng)歷從固態(tài)、液態(tài)到氣態(tài)的相變過程。如果溫 度繼續(xù)升高到10K甚至更高，將會(huì)有越來越多的物質(zhì)分子/原子被電離；這時(shí)， 物質(zhì)就變成了一團(tuán)由電子、離子和中性粒子組成的混合物

3、，稱為等離子體；也正 因此，等離子體常被稱作物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體（Plasma） 一詞來源于古希臘語“”，意為可塑物質(zhì)或漿狀物質(zhì)，作為專業(yè)詞匯，最早出現(xiàn)在生物學(xué)名詞原生質(zhì)proto plasma）中。1929 年，朗繆爾（Langmuir）和湯克斯（Tonks）在研究氣體放電時(shí)首次將“ plasma”一詞用于物理學(xué)領(lǐng)域，用來表征所觀察到的放電物質(zhì)。我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者將“plasma” 翻譯為“電漿”。由于常溫下氣體熱運(yùn)動(dòng)的能量不大，不會(huì)自發(fā)電離，因而在我們生活的環(huán)境中物質(zhì)都以固液氣三態(tài)的形式存在。 天體物理學(xué)家沙哈（Saha）給出了一個(gè)公式, 說明在熱平衡的氣體中，電離度，即電離部分粒子數(shù)占總粒子

4、數(shù)的比 （常溫下可 近似為電離部分粒子數(shù)與未電離部分粒子數(shù)的比）跟溫度的依賴關(guān)系為：3/2(1)ni 定ni定2.4*1015Te-Ui/kT ,n n niq式中的n代表電離的分子數(shù)密度，單位是個(gè)/cm3。no代表未電離的中性分子數(shù)密 度。T為氣體溫度，單位是K。k是玻爾茲曼常數(shù)1.38*1023J/K。U為氣體電離能， 單位是eV。我們以室溫下普通氣體為例，這時(shí)no=3*1019/cm3, T=300K,對(duì)于氮?dú)? U=14.5eV,將這些數(shù)字代入沙哈方程，得到njn左10-122?？梢?，室溫下氣體中電 離的成份微乎其微。若要使電離成份占千分之一，必須使溫度T于104K。Plasmas -

5、 l he 4th State of Matterto3 io4 io15 1021 io27 1()33Number Density (Charged Particles / mN圖1：各類等離子體存在的參量空間。盡管在人類生活的環(huán)境中，物質(zhì)不會(huì)自發(fā)地以等離子體的形式存在，但根據(jù) 沙哈的計(jì)算，宇宙中99%Z上的可見物質(zhì)都處于等離子態(tài)。從熾熱的恒星、燦爛 的氣態(tài)星云、浩瀚的星際物質(zhì)，到多變的電離層和高速的太陽風(fēng)， 它們都是等離 子體。地球上，人們最早見到的等離子體是火焰、閃電和極光。隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，各類人造等離子體在生活、生產(chǎn)和研究中的應(yīng)用越來越廣泛，如熒光燈、 霓虹燈、等離子體顯示屏中

6、彩色的放電、電焊中的弧光放電和核聚變裝置中燃燒 的等離子體等等。從物質(zhì)的狀態(tài)空間來看，固液氣三態(tài)僅存在于低溫高密度的參數(shù)區(qū)域，而等 離子體存在的參數(shù)空間非常寬廣。從星際空間的稀薄等離子體到太陽核心的致密 等離子體，離子的數(shù)密度 n從103m3至M033m3,跨越了 30個(gè)數(shù)量級(jí)；從火焰等的低 溫等離子體到核聚變實(shí)驗(yàn)的高溫等離子體， 溫度T從10-eVSM06eV夸越了 7個(gè)數(shù)量 級(jí)。圖1給出了各類等離子體存在的參量空間。等離子體物理研究領(lǐng)域廣泛，學(xué)科交叉眾多，應(yīng)用前景廣闊。在有些國(guó)家， 等離子體物理已經(jīng)發(fā)展成為僅此于凝聚態(tài)物理的重要分支學(xué)科。從國(guó)家重大需求來看，我國(guó)等離子體物理學(xué)科的發(fā)展空間還

7、很大。在受控?zé)岷司圩冄芯糠矫?，我?guó)通過大科學(xué)工程和“ 863”高技術(shù)計(jì)劃已經(jīng)形成了較大規(guī)模的磁約束聚變和慣 性約束研究基地，已經(jīng)參加了國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃，并醞釀進(jìn)行自 己的點(diǎn)火工程。在空間資源開發(fā)和利用方面，隨著“神舟”系列載人飛船的發(fā)射、 “雙星”計(jì)劃以及繞月工程等項(xiàng)目的實(shí)施， 我國(guó)的空間探索活動(dòng)日趨頻繁。 這些 計(jì)劃的進(jìn)行都需要大量的掌握了豐富的等離子體物理知識(shí)的優(yōu)秀專業(yè)人才。等離子體的定義等離子體是有電子、離子和中性粒子組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性 (quasineutrality ),且具有集體效應(yīng)的混合氣體。準(zhǔn)中性是指等離子體中正負(fù)電荷的總數(shù)基本相等，系統(tǒng)在宏觀上呈現(xiàn)電中

8、性，但在小尺度上則呈現(xiàn)出電磁性。集體效應(yīng)突出地反映了等離子體和中性氣體的區(qū)別。理想氣體模型中，中性 氣體分子之間的相互作用只在碰撞的時(shí)候才有。 等離子體中帶電粒子之間的相互 作用是長(zhǎng)程庫侖力，任何帶電離子的運(yùn)動(dòng)均受到其他帶電粒子的影響。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可以形成局域的電荷集中，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，帶點(diǎn)離子的運(yùn)動(dòng)優(yōu)惠產(chǎn)生電流， 進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)優(yōu)惠影響其他帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。因此，等離子體呈現(xiàn)出集體效應(yīng)。電離的主要方式1、熱電離在高溫下，氣體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)速度很大，具有很大的動(dòng)能，相互之間的碰撞 會(huì)使原子中的電子獲得足夠大的能量，一旦超過電離能就會(huì)產(chǎn)生電離。2、光電離當(dāng)氣體受到光的照射時(shí)，原子也會(huì)吸收光

9、子的能量，如果光子的能量足夠大， 也會(huì)引起電離。光電離主要發(fā)生在氣體稀薄的情況下。3、碰撞電離氣體中的帶電粒子在電場(chǎng)中加速獲得等量， 這些能量大的帶電粒子跟氣體原 子碰撞進(jìn)行能量交換，從而使氣體電離。碰撞電離中主要是電子的貢獻(xiàn)。各種粒子間的相互作用等離子體中的電子、離子以及中性粒子之間發(fā)生著各種類型的相互作用。由于靜電作用力的存在，使得問題比理想氣體中粒子間的相互作用要復(fù)雜得多。 總 的來說，等離子體中粒子間的相互作用可分為兩大類： 一類是彈性碰撞，另一類 是非彈性碰撞。（一）、彈性碰撞碰撞過程中粒子的總動(dòng)能保持不變，碰撞粒子的內(nèi)能不發(fā)生變化，也沒有新 的粒子或光子產(chǎn)生，碰撞只改變粒子的速度。

10、（二）非彈性碰撞在碰撞過程中引起粒子內(nèi)能的改變，或者伴隨著新的粒子、 光子的產(chǎn)生。非彈性碰撞可以導(dǎo)致激發(fā)、電離、復(fù)合、電荷交換、電子吸附，甚至核聚變。等離子體的密度和溫度1、等離子體密度單位體積內(nèi)（一般以cm3為單位）某帶電粒子的數(shù)目。n表示離子濃度，ne表 示電子密度。2、等離子體溫度對(duì)于平衡態(tài)等離子體（高溫等離子體）溫度是各種粒子熱運(yùn)動(dòng)的平均量度； 對(duì)于非平衡態(tài)等離子體（低溫等離子體），由于電子、離子可以達(dá)到各自的平衡態(tài)，故要用雙溫模型予以描述。一般用 T表示離子溫度，Te表示電子溫度，經(jīng)常 用eV乍單位。德拜長(zhǎng)度等離子體內(nèi)電荷被屏蔽的半徑，表示等離子體能保持的最小尺度。當(dāng)電荷正 負(fù)電荷置

11、于等離子體內(nèi)部時(shí)就會(huì)在其周圍形成一個(gè)異號(hào)電的“鞘層”，其厚度可用德拜長(zhǎng)度,D來描述，“廬。4me等離子體振蕩等離子體中，發(fā)生了輕微的電荷分離形成電場(chǎng)。由于電子和離子間的靜電吸 引力，使得等離子體有強(qiáng)烈的回復(fù)宏觀電中性的趨勢(shì)。 因?yàn)殡x子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電 子的質(zhì)量，我們可以近似認(rèn)為離子不動(dòng)。當(dāng)電子相對(duì)于離子往回運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電場(chǎng) 作用下不斷加速。由于慣性的原因它會(huì)越過平衡位置，又造成相反方向的點(diǎn)和分 離，從而又產(chǎn)生相反方向的電場(chǎng)，使電子再次向平衡位置運(yùn)動(dòng)。 這個(gè)過程不斷重 復(fù)就形成了等離子體內(nèi)部電子的集體振蕩， 也叫做朗謬爾振蕩?？梢缘玫秸袷幍?頻率是等離子體輻射等離子體中存在大量的以各種形式運(yùn)動(dòng)的帶電

12、粒子，因而由此引起的輻射過程也是多種多樣的。等離子體除了會(huì)產(chǎn)生極光、閃電、霓虹燈等其一多彩的可見 光輻射，還會(huì)發(fā)出肉眼看不見的紫外線，甚至 X寸線。根據(jù)光譜的不同，等離子 體輻射可以分為連續(xù)光譜和線光譜 (不連續(xù)的特征譜)兩類。根據(jù)輻射過程的微 觀特性，等離子體輻射可以分為物致輻射、復(fù)合輻射、回旋輻射、激發(fā)輻射以及 契侖柯夫輻射等。研究等離子體的方法(1)單粒子軌道理論這種理論的出發(fā)點(diǎn)是把等離子體看作由大量獨(dú)立的帶電粒子所組成的一個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)然，實(shí)際上等離子體中的帶電粒子之間存在著相互作用，本質(zhì)上它是一種集體效應(yīng)，因而，單粒子軌道理論是一種近似理論，只適用于非常稀薄的等離 子體。但是它有明顯的優(yōu)

13、點(diǎn)：處理問題簡(jiǎn)單明了，形象直觀，有助于解釋等離子 體的許多性質(zhì)。(2)磁流體力學(xué)描述當(dāng)?shù)入x子體中離子運(yùn)動(dòng)的特征長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于帶電粒子的平均自由程，特征時(shí)間遠(yuǎn)大于粒子間的平均碰撞時(shí)間時(shí)，我們可以等離子體看成是含由大量帶電粒子的 導(dǎo)電流體，即遵守電磁場(chǎng)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 又滿足流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也即可 以用磁流體力學(xué)(Magnetohydrodynamics,簡(jiǎn)寫為MHD的方法來描述等離子體。(3)動(dòng)力學(xué)描述如果既要考慮單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，又要考慮粒子間的相互作用即集體效應(yīng)，則 必須用動(dòng)力學(xué)理論來描述等離子體，即用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法求出大量微觀粒子的平 均行為來描述等離子體的宏觀性質(zhì)。這里，大量粒子的運(yùn)動(dòng)用分

14、布函數(shù)來描述， 帶點(diǎn)離子間的相互作用歸結(jié)為近距離作用和遠(yuǎn)距離作用兩類。遠(yuǎn)距離作用用一個(gè)自洽的等效場(chǎng)來描述，即有等離子體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反過來又影響等離子體運(yùn)動(dòng)的電 磁場(chǎng)，而近距離作用則由兩個(gè)粒子間的碰撞項(xiàng)來描述，針對(duì)不同的研究對(duì)象和研究?jī)?nèi)容，可以對(duì)碰撞項(xiàng)作不同的假設(shè)，形成各種有用的簡(jiǎn)化模型。其他相關(guān)知識(shí).等離子體的分類.各種常用等離子體的產(chǎn)生方法.等離子體的主要應(yīng)用.高溫核聚變.等離子體的檢測(cè)方法.氣體放電理論實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)采用DH200契直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置，該儀器采用一體化設(shè)計(jì)， 頂部是放電管及水冷部分，高壓加在放電管兩端，外面采用聚四氟乙烯絕緣材料 絕緣，冷卻水通過兩端的循環(huán)水冷套對(duì)放電管

15、進(jìn)行冷卻，放電管內(nèi)附兩組鴇絲電極，可用于朗繆爾探針技術(shù)測(cè)定等離子體的一些基本參量。測(cè)量及控制部分均布 置在操作面板上，如圖2所示。圖2: DH2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置操作面板圖各操作部件名稱:1、總電源升大2、冷卻水電源開關(guān)3、真空泵電源升關(guān)4、電阻真空計(jì)開關(guān)5、局壓電源開關(guān)6、工作選擇開關(guān)7、高壓調(diào)節(jié)粗調(diào)旋鈕8、高壓調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕9、探針電流量程旋鈕10、探針電壓粗調(diào)旋鈕11、探針電壓細(xì)調(diào)旋鈕12、放電管電壓表13、擊穿電壓顯示表14、輝光電流測(cè)量表15、輝光電流量程旋鈕16、探針電流表17、探針電壓表18、探針電流輸入端19、探針電壓輸出端20、電壓輸出換向開關(guān)21、電阻真空計(jì)22、

16、轉(zhuǎn)子流量計(jì)23、總電源指示燈24、局真空微調(diào)閥25、局真空隔膜閥部分操作部件功能說明：6作選擇開關(guān)：此開關(guān)的功能分為“斷”、“輝光放電測(cè)量”、“擊穿電壓測(cè)量”、 “探針測(cè)量”四檔。斷：開關(guān)在此位置時(shí)，高壓沒有輸出，在改變電極距離和在調(diào)試過程中應(yīng)將開關(guān)置于“斷”檔位上。輝光放電測(cè)量：開關(guān)在此位置時(shí)，可以進(jìn)行輝光放電的電流 -電壓（I-V）曲 線測(cè)量。擊穿電壓測(cè)量：開關(guān)在此位置時(shí)，可以進(jìn)行擊穿電壓測(cè)量。其原理是：放電管中的氣體被擊穿時(shí)，會(huì)有電流流過；隨著電流的增大，內(nèi)部取樣電阻上的電壓降增大，導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，此時(shí)電壓表顯示的是二極管的導(dǎo)通電位值。當(dāng)電壓在0.50.6V時(shí)可以認(rèn)為氣體擊穿，記錄下此

17、時(shí)放電管兩端的電壓。（實(shí)際的擊穿電壓值是放電管電壓顯示的電壓值）o 探針測(cè)量：開關(guān)在此位置時(shí)，可以進(jìn)行探針電流-電壓（I-V ）曲線測(cè)量。9、15量程選擇開關(guān)。探針電流測(cè)量：分為20020mA 4檔。輝光電流測(cè)量：分為2mA2A共4檔。儀器主要配置及組成DH2005直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置包括可拆卸的氣體放電管、測(cè)量系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等部分組成。氣體放電管：采用玻璃燒結(jié)而成，內(nèi)附兩組鴇絲探針。及兩邊采用不銹鋼材料制 成的水冷套及放電管固定托架。測(cè)量系統(tǒng)：包括輝光電壓表、輝光電流表、探針電壓表、探針電流表、擊穿電壓 測(cè)量表。放電管電壓表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍02000V,測(cè)量精

18、度2%。輝光電流表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍02A,共分5檔，測(cè)量精度0.5%。探針電壓表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍0200V,測(cè)量精度0.5%。探針電流表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍020mA,測(cè)量精度0.5%。擊穿電壓測(cè)量表：三位半數(shù)顯，測(cè)量范圍02V,測(cè)量精度0.5%系統(tǒng)電源：包括兩組直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，一組放電管工作電壓，調(diào)節(jié)范圍01000V,另一組為探針測(cè)量電源，調(diào)節(jié)范圍0100V,穩(wěn)定度0.5%真空系統(tǒng)：采用2XZ-2型旋片真空泵，對(duì)密封容器抽除氣體而獲得真空，真空的 測(cè)量采用電阻真空計(jì)，用于測(cè)量本底真空和工作時(shí)的工作氣壓。真空的密封 采用丁月青橡膠。圈密封；真空調(diào)節(jié)采用隔膜閥粗調(diào)和微調(diào)閥精細(xì)調(diào)節(jié)

19、。2XZ-2型旋片真空泵主要技術(shù)指標(biāo)：2）抽氣速率：2L/S4）電機(jī)功率：0.37KW6）用油量：0.65L1）工作電壓：AC220V/50 Hz3）極限壓力：6X10 1 Pa5）進(jìn)氣口內(nèi)徑：25mm7）噪聲：72LwdB（A）進(jìn)氣系統(tǒng)：進(jìn)氣通過金屬管路聯(lián)接，可通入不同的工作氣體，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控 制氣體的流量。水冷系統(tǒng)：裝置自帶循環(huán)冷卻水，通過自帶水箱、水泵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)行循環(huán)，可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行對(duì)水溫的要求。對(duì)實(shí)驗(yàn)室的水源無特別的要求。設(shè)備的基本操作及注意事項(xiàng)1）、檢查確認(rèn)設(shè)備各部件完好，連接安全（注意接地）。2）、接通總電源，打開總電源開關(guān)旋鈕，確認(rèn)冷卻水箱水容量打開冷卻水開關(guān)按

20、 鈕。3）、打開隔膜閥，確認(rèn)氣路連接規(guī)范完好后打開真空泵開關(guān)按鈕，對(duì)放電管抽真空。4）、打開電阻真空計(jì)電源開關(guān)，測(cè)量放電管內(nèi)的壓強(qiáng)，抽真空約15分鐘即可使放 電管內(nèi)真空達(dá)到所需要求。測(cè)量放電管內(nèi)的本底真空，真空度要優(yōu)于10Pa。6）、打開氣體鋼瓶高壓閥，調(diào)節(jié)低壓調(diào)節(jié)閥將低壓調(diào)至0.1M以下，開啟流量計(jì)開 關(guān)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，同時(shí)調(diào)節(jié)隔膜閥使工作氣壓達(dá)到所需要求。7）、將高壓輸出線加在放電管兩端。注意：在實(shí)驗(yàn)過程中禁止用手去觸摸高壓電 源線以及放電極桿，以免觸電。將功能選擇開關(guān)打在“放電電流測(cè)量”檔， 開啟高壓開關(guān)按鈕，緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)到一定的電壓時(shí)，放電管內(nèi)將將產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，便可開

21、始各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。8）、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉相關(guān)的測(cè)量系統(tǒng)，關(guān)閉真空計(jì)；將高壓電源調(diào)至0,關(guān)閉高壓開關(guān)按鈕，關(guān)閉氣路，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉冷卻水，關(guān)閉總電源，拔掉總 電源線。實(shí)驗(yàn)原理氣體放電氣體放電可以采用多種能量激勵(lì)形式，如直流、微波、射頻等能量形式。其 中直流放電因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低而受到廣泛應(yīng)用。直流放電形成輝光等離子體的典型結(jié)構(gòu)如圖（3）所示可調(diào)高壓源限流 電阻圖3:氣體放電管工作原理圖圖4:湯森放電區(qū)的I-V特性曲線在電氣擊穿形成等離子體前要經(jīng)歷暗放電階段，包括本底電離區(qū)、飽和區(qū)、 湯森放電區(qū)和電暈放電區(qū)，如圖4所示。非自持放電是指存在外致電離源的條件 下放電才能維持的現(xiàn)象；若去掉外致電離源的

22、條件下放電仍能維持，則為自持放電。放電從非自持放電轉(zhuǎn)變到自持放電的過程稱為氣體的擊穿。整個(gè)放電現(xiàn)象稱為湯生放電。由于宇宙射線和地殼中放射性元素的輻射作用，氣體中均具有一定量的電子 和離子，這種現(xiàn)象稱為剩余電離。當(dāng)放電管兩端加上較低電壓時(shí)， 這部分電子與 離子會(huì)在外場(chǎng)作用下形成電流。如圖4所示，這一電流會(huì)隨著放電管兩端的電壓 增加而增加，在To區(qū)域形成的飽和電流 E i0的面密度約為10-12A/cm2.從陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的能量，可以在與氣體分子碰撞時(shí)產(chǎn)生電離，使得放電電流增加。這一過程稱為口過程，由湯生第一電離系數(shù)口來描述，a表示一個(gè)電子經(jīng)過單位路程與中性氣體粒子發(fā)生非彈性

23、碰撞產(chǎn)生的電 子-離子數(shù)目。隨著放電管兩端電壓的增加，正離子在電場(chǎng)中加速也能獲得足夠的能量，可 以在與氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)使其電離。這一過程稱為 P過程，由湯生第二電離系數(shù)B來描述，P表示一個(gè)正離子經(jīng)過單位路程與中性氣體作非彈性碰撞產(chǎn)生的電子-離子對(duì)數(shù)目。當(dāng)用具有一定能量帶電粒子轟擊金屬等物體時(shí)，也會(huì)引起電子從這些物體表面發(fā)射出來，這種物理現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)平均 從陰極表面逸出的電子數(shù)目（二次電子發(fā)射），稱為湯生第三電離系數(shù) 九一般 的，引起電子從陰極逸出的過程的總和都稱為 v過程。在湯森放電區(qū)，當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí)，可能發(fā)生兩種放電情況。如果是電源的 內(nèi)阻很高，從而只能

24、提供很小的電流，放電管內(nèi)不存在足夠的電子以實(shí)現(xiàn)擊穿氣 體，放電管仍處于只有很小電暈點(diǎn)的電暈區(qū)，或在電極上有出現(xiàn)扇形電暈放電； 如果電源內(nèi)阻很低，電流隨電壓快速增加，管內(nèi)氣體就會(huì)在擊穿電壓處被擊穿， 放電將從暗放電區(qū)轉(zhuǎn)移到正常輝光放電區(qū)。輝光放電是一種自持放電，具放電電流的大小為毫安數(shù)量級(jí)，它是靠正離 子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射來維持的，即輝光放電的基本特性要借助湯生第三電離系數(shù)來描述.輝光放電中的陰極位降是維持放電必不可缺的區(qū)域.輝光放電是湯生放電的進(jìn)一步發(fā)展，兩者的一個(gè)主要差別在于輝光放電具有較 大的放電電流密度，而且空間電荷起著顯著的作用.經(jīng)典的直流低氣壓放電在正常輝光放電區(qū)有如圖 5

25、所示，從左至右，其唯象 結(jié)果如下：法抖用暗區(qū) 陰極暗區(qū) 阿斯頓暗區(qū)正柱區(qū)(等離子體)陽極暗區(qū)負(fù)極輝光區(qū)陰極輝光區(qū)陽極輝光區(qū)圖5:輝光放電的唯相結(jié)構(gòu)示意圖陰極：陰極由導(dǎo)電材料制成，二次電子發(fā)射系數(shù) ?對(duì)放電管的工作有很大影 響。阿斯頓(Aston)暗區(qū)：緊靠在陰極右邊的阿斯頓暗區(qū)，是一個(gè)有強(qiáng)電場(chǎng)和負(fù)空 間電荷的薄的區(qū)域。它含有慢電子，這些慢電于正處于從陰極出來向前的加速過 程中。在這個(gè)區(qū)域里電子密度和能量太低不能激發(fā)氣體，所以出現(xiàn)了暗區(qū)。陰極輝光區(qū)：緊靠在阿斯頓暗區(qū)右邊的是陰極輝光區(qū)。這種輝光在空氣放電 時(shí)通常是微紅色或桔黃色，是由于離開陰極表面濺射原子的激發(fā)， 或外部進(jìn)入的 正離子向陰極移動(dòng)形成的。這種陰極輝光有一個(gè)相當(dāng)高的離了密度。 陰極輝光的 軸向長(zhǎng)度取決于氣體類型和氣體壓力。 明極輝光有時(shí)緊貼在陰極上，并掩蓋阿斯 頓暗區(qū)。陰極暗區(qū)：這是在陰極輝光的右邊比較暗的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)中等強(qiáng) 度電場(chǎng)，有正的空間電荷和相當(dāng)高的離子密度。陰極區(qū)陰極和陰極暗區(qū)至負(fù)輝光之間的邊界之間的區(qū)域叫做陰