為掌握10^-2 Pa~10^-3 Pa 的低氣壓、磁場條件下空心陰極輝光等離子體的特性及其與常規(guī)輝光放電伏安特性的區(qū)別，我們對其伏安特性和電子密度進(jìn)行了測量。實驗結(jié)果表明：低氣壓、磁場條件下空心陰極輝光放電的整個過程可分為三個不同階段，即隨著電流的增大，依次為起輝階段、空心陰極放電階段和反常輝光放電階段。其中，起輝階段與空心陰極放電階段的伏安特性與常規(guī)輝光放電的伏安特性曲線不同，而反常輝光放電階段類似。實驗證實了電子密度隨電流增大而增大的關(guān)系，實驗結(jié)果表明，在軸線方向上，陽極附近的電子密度大于陰極附近的；在與軸線垂直的平面上，電子密度差別不大。

　　作為物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體既在電力工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工業(yè)等各大領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也為高新技術(shù)研究、解決能源問題提供了誘人的前景。輝光放電是一種較為容易產(chǎn)生非等溫等離子體的放電形式，在以上領(lǐng)域也越來越受到人們的關(guān)注。然而，隨著科技的發(fā)展，許多精細(xì)加工的要求越來越嚴(yán)格，從而使得正常情況下的輝光放電等離子體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其需求。所以，越來越多的研究人員在正常輝光等離子體相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，相繼研究各種反常輝光等離子體的特性。如1933 年Von Engle 等研究了在低氣壓H2 條件下引燃再過渡到常壓的輝光放電等離子體特性；1993 年Okazaki 和1997 年Roth 等使用特定形式的電極和較低的電源頻率，在空氣等多種氣體中建立了常壓輝光放電，并嘗試用來對PP 材料進(jìn)行表面改性； 2002 年，王新新、蘆明澤、蒲以康等人對空氣中均勻輝光放電可能性的研究。然而目前對于高真空條件下的輝光等離子體特性的研究尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報道，許多特性還不清楚，所以迫切需要對低氣壓下輝光等離子體物理特性參數(shù)的實驗研究。

　　為了在10^-2 Pa~10^-3 Pa 的低氣壓下得到空心陰極輝光等離子體，通常需要外施磁場。由于磁場的存在，阻礙了帶電粒子的運動，同時使等離子體的雙極性擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生變化，從而可能導(dǎo)致輝光放電的伏安特性發(fā)生變化。所以，弄清這種特殊條件下輝光放電伏安特性及等離子體的相關(guān)特性是十分重要的，研究這些內(nèi)容是本文的主要目的。

1、伏安特性曲線的測量

　　1.1、實驗原理及裝置

　　1.1.1、放電管的結(jié)構(gòu)

　　本實驗是在低氣壓條件下進(jìn)行的，故采用真空抽氣裝置將放電管內(nèi)的氣壓維持在6×10^-3 Pa。由于氣壓低，電子運動的平均自由程λ 很大，電子很容易積累足夠的動能，從而使得碰撞電離的概率很大。然而，粒子之間總的碰撞次數(shù)很少，故碰撞電離系數(shù)總體來說不大，根據(jù)巴申定律，其起始擊穿電壓很高。為解決上述問題，本文采用了空心陰極輝光放電管，放電管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。陰極由兩塊距離可調(diào)的平行鋁板電極C1、C2組成，它們之間的距離D=5 cm，陽極為一個內(nèi)孔直徑較大的金屬電極A，陽極圓環(huán)半徑r=2 cm，且圓環(huán)中心與兩個陰極板中心在一條直線上，陽極板厚度為2 mm，故陰極到陽極的距離為d=2.4 cm。

圖1 空心陰極放電管

　　采用空心陰極輝光放電結(jié)構(gòu)，具有以下3 個方面產(chǎn)生帶電粒子的有利因素：

　　(1) 電子可在陰極空間來回振蕩，從而大大提高碰撞電離的幾率；

　　(2) 由輝光放電負(fù)輝區(qū)的分析可知，它既是放電中電子、離子濃度最高，輻射光最強(qiáng)的區(qū)域，又是電場較弱、遷移運動速度較小的區(qū)域。在空心陰極中，陰極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，使區(qū)內(nèi)帶電粒子的濃度更高、輻射光更強(qiáng)、高能粒子更多，從而使空間電離系數(shù)提高；

　　(3) 由于較多的高能粒子轟擊陰極表面，使陰極金屬濺射增強(qiáng)，從而在陰極附近出現(xiàn)較高的金屬蒸汽壓，從而使得陰極區(qū)電離系數(shù)更加增大。

　　另一方面，為了進(jìn)一步增加電子的碰撞電離系數(shù)，降低放電的起輝電壓，可以在兩陰極平行板旁加上強(qiáng)磁場，使得電子在磁場和電場的共同作用下做螺旋運動，從而大大增加電子的運動行程，提高粒子之間的碰撞幾率。對此，本文的實驗中，將兩個陰極設(shè)計為兩個金屬盒，其長寬均為a=8.5 cm，厚度為b=4 cm，金屬盒中分別裝入兩個永磁體，使永磁體表面與電場方向垂直，陽極附近磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T。

　　1.1.2、實驗電路

　　進(jìn)行輝光放電時，放電管兩端需要正負(fù)極性固定的直流電壓，因此需要對電源電壓進(jìn)行整流、濾波。為了得到平滑的負(fù)載電壓，本實驗采用的是單相橋式整流、電容濾波電路，實驗電路圖如圖2 所示。

圖2 實驗電路圖

　　對于電容右邊的放電回路，當(dāng)負(fù)載被擊穿時，放電回路中會產(chǎn)生短路電流，故在放電回路中加上一個限流電阻。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)限流電阻較小時(2 kΩ~50 kΩ)，放電管中產(chǎn)生的輝光不穩(wěn)定，常伴有閃爍等現(xiàn)象，造成電流表指針在較大幅度上振蕩，以至于無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。當(dāng)限流電阻較大時，即達(dá)到上百千歐時，電阻產(chǎn)生的功率較大，這對電阻的要求是非常高的，且如果沒有相應(yīng)的冷卻裝置，測量的時間一長，電阻發(fā)熱會導(dǎo)致阻值發(fā)生變化甚至損壞。本實驗結(jié)合實際情況，最終選取阻值為100 kΩ的去離子水電阻和陶瓷電阻分別進(jìn)行實驗。

實驗結(jié)論

　　綜上所述，可得出如下結(jié)論：

　　(1) 在高真空、磁場條件下的空心陰極輝光放電的伏安特性曲線可分為三個階段，隨著電流的增大，依次為起輝階段、空心陰極放電階段、反常輝光放電階段；其中，前兩個階段與常規(guī)輝光放電的伏安特性略有不同，后階段與常規(guī)的類似；

　　(2) 對于空心陰極放電管的相同位置，在高真空、磁場條件下，輝光等離子體的電子密度隨著電流的增大而增大；

　　(3) 空心陰極放電管中，相同電流下陽極附近的等離子體電子密度要大于陰極附近的等離子體電子密度。