DH2005型直流辉光等离子体实验装置

等离子体的应用DH2005型直流辉光等离子体实验装置（附实验讲义）使用说明书杭州大华科教仪器研究所杭州大华仪器制造有限公司1目录目录………………………………………………………1设备简介及使用范围………………………………………………………2仪器结构及说明……………………………………………………………3仪器主要配置及组成………………………………………………………4技术参数及特性……………………………………………………………5设备安装及调试……………………………………………………………5设备操作使用及注意事项…………………………………………………6设备维护……………………………………………………………………7常见故障的解决办法………………………………………………………7装箱清单……………………………………………………………………8辉光等离子体概述…………………………………………………………9实验一直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量……………….…16实验二气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验……………………22实验三直流辉光放电等离子体参数的测量……………………………262一、直流辉光等离子体教学实验装置等离子体作为物质的第四态，在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应用，其主要原因在于等离子体具有两个主要特征：同化学的和其它的方法相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基；高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子态，活性分子碎片，如单体。同其它与之竞争的加工方法相比，工业等离子体工程提供了更有利的工业加工方法，包括更有效和更便宜达到工业相关结果的能力；它还能完成其它方法不能完成的任务，它能在不产生大量不需要的副产品和废料的情况下达到相同目的；并且能在产生很少污染和有毒废物的情况下实现相同目的。等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，在国内，关于等离子体技术的研究和教学远远落后于等离子体技术在工程中的应用，具体体现在很多领域如微电子、光学镀膜等领域引进的具有上世纪90年代国际先进水平的生产线大量使用了等离子体技术，但高等理工学校在人才培养环节中却缺乏关于等离子体理论和实践方面的训练，造成这一现象的主要原因在于等离子体设备价格昂贵，国内生产的等离子体设备通常是科研院所从开展科学研究的角度开发的，价格一般在15-200万元，而同类进口设备的价格是国产设备价格的10倍，因此目前各高等学校的等离子体装置只用于研究和研究生教学，本科生基本上没有机会得到关于等离子体技术应用方面的训练。直流辉光等离子体教学实验装置在经典直流放电管的基础上加以改进，工作气体、工作气压、电极距离等影响等离子体的参数均可灵活地加以单独或组合调控，从而利用该装置可以系统研究等离子体的激发原理和影响因素，不仅可以开设多个验证性实验，而且可以开设研究性实验，以提高学生分析问题的能力。该装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统和水冷系统等部分组成，具有结构合理、调节方面、测量参数多等特点。3二、仪器结构及说明结构说明：仪器采用的是一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘防止漏电，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝，可利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系统安装在机箱的内部。操作面板配置说明DH2005直流辉光等离子体实验装置操作面板图各操作部件名称：1、总电源开关2、冷却水电源开关3、真空泵电源开关4、电阻真空计开关5、高压电源开关6、工作选择开关7、高压调节粗调旋钮8、高压调节细调旋钮9、探针电流量程旋钮10、探针电压粗调旋钮11、探针电压细调旋钮12、放电管电压表13、击穿电压显示表14、辉光电流测量表15、辉光电流量程旋钮16、探针电流表17、探针电压表18、探针电流输入端19、探针电压输出端20、电压输出换向开关21、电阻真空计22、转子流量计23、总电源指示灯24、高真空微调阀25、高真空隔膜阀Pa击穿电压探针电流探针电压放电管电压辉光电流总电源冷却水真空泵电阻真空计高压微调阀隔膜阀断辉光放电测量击穿电压测量工作选择气源流量电阻真空计电源指示电流量程开关电压输出电流输入电流量程高压调节细调粗调探针测量电压调节细调粗调正负123456910151213141617201819212223252478114各操作部件功能说明：6、工作选择开关：此功能开关共分“断”、“辉光放电测量”、“击穿电压测量”、“探针测量”共四档。断：开关在此位置时，高压没有输出，在更换电极距离和在调试过程中将开关置于“断”档位上。辉光放电测量：即产生辉光放电后的电压、电流测量。击穿电压测量：其原理是当放电管中的电流增大导致气体击穿时，在内部取样电阻上的电压增大，导致二极管导通，此时电压表显示的是二极管的导通电位值。当电压在0.5～0.6V时可以认为气体击穿，记录下此时放电管两端的电压。（实际的击穿电压值是放电管电压显示的电压值）。探针测量：此时将接通探针测量电压。9、15量程选择开关：探针电流测量：分为20µA∼20mA共4档。辉光电流测量：分为2mA∼2A共4档。三、仪器主要配置及组成DH2005直流辉光等离子体实验装置包括可拆卸的气体放电管、测量系统、真空系统、进气系统和水冷系统等部分组成，具有结构合理、调节方面、测量参数多等特点。气体放电管：采用玻璃烧结而成,内附两组钨丝探针。及两边采用不锈钢材料制成的水冷套及放电管固定托架。测量系统：包括辉光电压表、辉光电流表、探针电压表、探针电流表、击穿电压测量放电管电压表：三位半数显，测量范围是0～2000V，测量精度2%辉光电流表：三位半数显，测量范围是0～2A，共分5档，测量精度0.5%探针电压表：三位半数显，测量范围：0～±200V，测量精度0.5%探针电流表：三位半数显，测量范围：0～20mA，测量精度0.5%；击穿电压测量：三位半数显，测量范围：0～2V，测量精度0.5%；测量系统包括两组直流稳压稳流电源：一组放电管工作电压，调节范围是0～1000V，另一组为探针测量电源，调节范围是0～±100V，稳定度0.5%。真空系统：采用2XZ-2型旋片真空泵，对密封容器抽除气体而获得真空，真空的测量采用热偶真空计，用于测量本底真空和工作时的工作气压。真空的密封采用金属和橡胶密封；真空调节采用隔膜阀粗调和微调阀精细调节，调节5快速方便、稳定性好。2XZ-2型旋片真空泵主要技术指标：1）工作电压：AC220V/50Hz2）抽气速率：2L/S3）极限压力：6×10－1Pa4）电机功率：0.37KW5）进气口内径：25mm6）用油量：0.65L7）噪声：72LwdB(A)进气系统：进气通过金属管路联接，可通入不同的工作气体，通过转子流量计控制气体的流量，同时通过高真空微调阀调节，达到控制放电管中的工作压强。水冷系统:装置自带循环冷却水，通过自带水箱、水泵对整个系统的冷却水进行循环，可保证系统正常运行对水温的要求。对实验室的水源无特别的要求。四、技术参数及特性1、工作电压：AC220V±5%50HZ2、整机功率：最大功率1.5KW4、整机重量：约100Kg5、外形尺寸(mm)：长1000×宽660×高12306、放电管：ф45×200mm7、电极距离：30～180mm可调8、工作气压：10Pa～200Pa9、工作电压：0V～1000V连续可调，电压稳定度1%10、放电电流：10-6A～0.3A可测11、探针工作电压：0～±100V，稳定度0.5%12、探针电流测量范围：0～20mA五、设备安装及调试1、安装环境要求1）、电源：AC220V，50Hz,最大功率1.5KW2）、温度、湿度、气源及冷却水：应保障设备工作稳定正常3）、安装室：室内整洁，空气流通，无尘埃。4）、接地线：室内具有独立接地线＜3Ω62、安装顺序1）、确认安装环境满足设备安装要求2）、检查设备良好情况（检查在运输过程中是否造成损坏）3）、检查放电管及放电管部件是否完好无损4）、安装放电管部件托架。5）、确认各电气部件完好无损。6）、连接真空管路及真空橡胶管。7）、连接好设备地线。8）、关闭流量计，连接好外接气源。六、设备操作使用及注意事项1）、检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。2）、接通总电源，打开总电源开关旋钮，确认冷却水箱水容量打开冷却水开关按钮。3）、打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，抽放电管内真空。4）、打开电阻真空计电源开关，测量此时反应室的压强，抽真空约15分钟使放电管内真空达到所需要求。测量放电管内的本底真空，真空度优于10Pa。6）、将高压输出线加在放电管两端，注意：在实验过程中禁止用手去触摸高压电源线以及放电极杆，防止触电。7）、将功能选择开关打在“放电电流测量”档，开启高压开关按钮，缓慢调节高压调节旋钮，调节到一定的电压时，放电管内将将产生辉光放电现象。8）、关闭隔膜阀，开启流量计开关，调节一定的流量，给真空室输送工作气源，同时调节微调阀使工作气压达到所需要求。9）、试验结束时，将高压电源调至0，关闭高压开关按钮，关闭气路，关闭真空泵，关闭冷却水，关闭总电源，拔掉总电源线。七、设备维护1、定期更换冷却水，清洗冷却水箱，保证循环水系统的正常工作。2、在放电管壁受到污染时及时打开真空反应室，清洁放电管管壁（避免用尖锐物体划伤放电管内壁）。73、所有电气旋钮及开关状态在使用前一定要确认是否在“原始”状态。4、真空系统维护：1）、注意真空泵换油；2）、注意反应室及管道清洁；3）、注意密封面清洁；4）、真空系统停机前先关真空计电源，然后再进行其它操作5）、实验结束后将真空室报空。八、常见故障及解决办法真空计指示不正常。可能原因：规管或传感器上的输出线脱落或松脱，规管或传感器内进油被污染。处理办法：检查接线，如进油，将规管或传感器撤下用乙醇溶液小心清洗，并风干。8九、装箱清单序号名称数量备注1DH2005型直流辉光等离子体实验装置1台2快卸法兰（KF16）1只3О形圈ф3.55×1.8、ф6×1.810只4ф10放水皮管3米5M8—M10固定板手1把6M12—M14固定板手1把7专用套筒1把8专用板手1把9康尼线KAT4ABD52（红、黑各一、一头焊夹子）2根45cm10康尼线KAT4ABD52红色1根30cm11放电管ф50X1551根12放电管固定座1套13进气管1根14桌板固定螺丝（2×60mm）8根15使用说明书（含讲义）1份16产品合格证1份17189十、直流辉光等离子体技术简介1气体放电气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射频等能量形式。其中直流放电因为结构简单、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图（1）所示，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，可能发生两种放电情况。如果是电源的内阻很高，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；如果电源内阻很低，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。图1、低气压放电管工作原理示意图2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。+-V-++-A10图2、暗放电区电流-电压关系图2.1汤森第一电离系数汤森第一电离系数α定义为一个电子沿电场走过一米时平均电离