低壓氣體放電特性平臺設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)技巧分析

王 奇， 王明娥， 馮春雷， 張瑩瑩， 張家良

(大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心， 遼寧 大連 116023)

低壓氣體放電特性平臺設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)技巧分析

王 奇， 王明娥， 馮春雷， 張瑩瑩， 張家良

(大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心， 遼寧 大連 116023)

設(shè)計(jì)了低氣壓氣體放電等離子體綜合實(shí)驗(yàn)平臺，利用該平臺可以開展氣體直流擊穿特性、氣體放電伏安特性和等離子體基本參數(shù)靜電探針診斷等系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的演示和教學(xué)。針對氣體擊穿特性實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合開展低氣壓氣體直流擊穿特性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，介紹了平臺的設(shè)計(jì)技巧、實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需準(zhǔn)備、課堂組織和實(shí)驗(yàn)技巧，分析了教學(xué)實(shí)施過程遇到的問題，提出了解決方案。教學(xué)實(shí)踐表明，安全問題、氣體擊穿臨界點(diǎn)的判定、首次測量氣壓點(diǎn)的選擇、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布與擬合是課程順利開展的關(guān)鍵因素。

低壓氣體放電； 直流擊穿； 帕邢曲線; 探索研究性實(shí)驗(yàn)

0 引 言

研究性實(shí)驗(yàn)旨在使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)科學(xué)研究接軌，最新的科研成果以實(shí)驗(yàn)課堂的形式傳授給學(xué)生，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)歷與科研工作相似的過程[1]。開發(fā)研究性、探索性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，是當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個重要方面。目前光纖技術(shù)[2]、磁共振技術(shù)[3]、核物理技術(shù)[4]、光學(xué)信息處理技術(shù)[5]以及光譜技術(shù)[6]、真空技術(shù)[7]、傳感器技術(shù)[8]等現(xiàn)代科研手段已經(jīng)被各高校引入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。

等離子體通常被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，是由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子組成，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性、且對外加電、磁場具有集體效應(yīng)[9]。氣體放電是產(chǎn)生低溫等離子體的主要途徑，指氣體在電場的作用下從產(chǎn)生載流子定向運(yùn)動而導(dǎo)電的現(xiàn)象。隨著等離子體科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體放電等離子體在焊接[10]、噴涂[11]、微納米材料合成[12]、高危有害固體廢棄物處理[13]、空間推進(jìn)[14]、生物醫(yī)學(xué)[15]等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，氣體放電特性已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。通過開設(shè)氣體放電特性研究及等離子體診斷實(shí)驗(yàn)課程，增進(jìn)學(xué)生對等離子體科學(xué)知識與應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識非常必要。為適應(yīng)等離子體領(lǐng)域科研人才培養(yǎng)的需求，國內(nèi)多家高校相繼開設(shè)了一些等離子體基礎(chǔ)理論課程，而且努力創(chuàng)造條件開展等離子體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備和方法研究[16-17]，但大多院校使用的教學(xué)器材都是基于功能單一而且過時(shí)的科研設(shè)備改造而來，且教學(xué)方法以教師演示為主，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高校中沒有與等離子體物理相關(guān)科研隊(duì)伍的支撐?，F(xiàn)階段，有關(guān)氣體放電等離子體基本特性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還比較薄弱。

本文介紹了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的低氣壓氣體直流放電等離子體綜合實(shí)驗(yàn)平臺的主要功能，主要闡述了開展氣體擊穿特性實(shí)驗(yàn)的思路、方法及出現(xiàn)的主要問題及解決方法。該實(shí)驗(yàn)平臺能夠通過相關(guān)聯(lián)的數(shù)個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生完成氣體放電現(xiàn)象觀察，氣體放電過程和規(guī)律的探索，基本物理概念和理論的深化理解等學(xué)習(xí)過程，從而樹立牢固、清晰、具體的等離子體概念，引領(lǐng)學(xué)生煥發(fā)出成為等離子物理和技術(shù)研究領(lǐng)域后備人才的熱情。

1 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及功能

1.1設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)考慮了功能多樣性、實(shí)驗(yàn)直觀性、操作界面化和電氣安全性。圖1所示是實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)成框架。

圖1 低壓氣體放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

1.2平臺構(gòu)建模塊

實(shí)驗(yàn)平臺是多功能綜合性實(shí)驗(yàn)裝置，可以完成3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：① 低氣壓直流擊穿特性；② 放電氣體的直流伏安特性；③ 輝光等離子體的靜電探針診斷。該平臺包含4個模塊：放電腔室、真空維持與測量、電源與電氣測量、供氣與冷卻。

(1) 放電腔室。放電腔室由石英放電管、平行板電極和探針構(gòu)成。石英管長度為20 cm，內(nèi)徑5 cm。內(nèi)部放置圓形平板電極，電極間隙借助于動密封設(shè)計(jì)可以自由調(diào)節(jié)(見圖2)。為減緩電極在放電過程中的熱量沉積，電極設(shè)計(jì)為內(nèi)空腔水冷結(jié)構(gòu)。

圖2 放電腔室及控制面板實(shí)物圖

(2) 真空維持與測量。主要包括真空泵與電阻真空計(jì)。為了減小成本，平臺選用常規(guī)的2XZ-2型機(jī)械泵，極限真空為60 mPa，由大氣抽至極限真空約15 min。系統(tǒng)極限真空度在1 Pa左右，完全滿足直流輝光放電實(shí)驗(yàn)的要求。與此對應(yīng)，采用ZDR-I型電阻真空計(jì)作為氣壓儀表，其準(zhǔn)確測量范圍為1～500 Pa。

(3) 電源與電氣測量。實(shí)驗(yàn)平臺裝配一臺直流高壓電源,其輸出電壓范圍為0～1.5 kV，輸出電流0～0.8 A。相應(yīng)電壓和電流的測量采用常用的數(shù)字測量模塊完成。

(4) 供氣與冷卻。實(shí)驗(yàn)通用氣體為氮?dú)夂蜌鍤?，因?yàn)榈獨(dú)馀c氬氣是最常見的無毒、無污染大氣惰性成分，而且氮?dú)夂蜌鍤獾膿舸┨匦院头烹娞匦杂写罅砍墒煳墨I(xiàn)和數(shù)據(jù)可參考。氣體的注入采用常規(guī)的浮子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。

此外，為了防止放電管和電極溫度過高，裝置還設(shè)計(jì)了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)組織

低氣壓氣體的擊穿特性是氣體放電物理、等離子體物理和技術(shù)專業(yè)教學(xué)的最基礎(chǔ)內(nèi)容，本節(jié)將針對實(shí)驗(yàn)平臺的功能之一——低氣壓直流擊穿特性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)組織和過程，闡述實(shí)驗(yàn)技巧與關(guān)鍵問題、課程要求與效果。

2.1實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)與前期準(zhǔn)備

項(xiàng)目目標(biāo)是使學(xué)生掌握低氣壓氣體擊穿的基礎(chǔ)知識，初步認(rèn)識低氣壓放電等離子體的產(chǎn)生機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體來講，本項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容主要有以下幾個方面：① 了解真空技術(shù)的基本知識，掌握真空條件和低氣壓的獲得方法。真空條件是多種工況下進(jìn)行工藝制作、物理測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等的前提。② 認(rèn)識低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象，研究放電條件與氣體擊穿電壓之間的關(guān)系，體會探索物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究過程。③ 探索認(rèn)識帕邢定律的物理意義及帕邢曲線的普適性。

2.2課堂內(nèi)容與組織

實(shí)驗(yàn)教學(xué)以2人科研小組的形式進(jìn)行，每堂課共16名學(xué)生，分為8個組，每組負(fù)責(zé)一套裝置。老師通過網(wǎng)上選課系統(tǒng)公布預(yù)習(xí)題目，要求同學(xué)熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理，查閱相關(guān)資料，給出大致的實(shí)驗(yàn)方案。探索研究性實(shí)驗(yàn)的主體是學(xué)生，課堂上先請學(xué)生講述他們對實(shí)驗(yàn)的理解及初步擬定的實(shí)驗(yàn)方案，對于學(xué)生設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，老師以問題的形式指出，引導(dǎo)他們拓展思路。然后老師開始課堂內(nèi)容的講解,包括氣體放電的基本理論，實(shí)驗(yàn)平臺介紹及儀器操作的具體步驟。

首先向?qū)W生講解氣體放電的理論，結(jié)合與生活密切相關(guān)的日光燈管、霓虹燈等氣體放電實(shí)例，讓學(xué)生對氣體放電現(xiàn)象有感性認(rèn)識并產(chǎn)生興趣。然后，逐步遞進(jìn)地講解氣體擊穿、湯森放電,以及帕邢定律的背景、概念、物理意義。對于實(shí)驗(yàn)平臺的講解，采用由主及次的方法，先介紹放電管本身的構(gòu)成，包括兩側(cè)電極的幾何位形及冷卻水等。依次過渡到電極兩端外接的兩套管路，即冷卻水管路與直流電源的兩極；石英管兩端的外接管路，即真空抽氣與送氣管路。接下來向?qū)W生展示氣體放電的外圍附屬設(shè)備以及對應(yīng)的控制面板。講解這些外圍設(shè)備的作用、必要性、開關(guān)操作順序及注意事項(xiàng)；同時(shí)可以擴(kuò)展性的講解一些常用的真空技術(shù)的基礎(chǔ)知識，以及機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)及原理；講解工藝氣體的輸送(氬氣和氮?dú)?、高壓氣瓶及減壓閥、氣體流量計(jì)等部件及原理。

講解完成之后，啟發(fā)學(xué)生按照如下流程：“水—?dú)狻姟表樞蜻M(jìn)行開機(jī)及操作。具體說來，首先要打開外圍的輔助設(shè)備，依次啟動冷卻水以及機(jī)械泵。需要注意，要確保冷卻水工作正常，再打開機(jī)械泵，抽至極限真空，大約需要10～15 min。然后，由任課老師親自打開高壓氣瓶，并調(diào)節(jié)減壓閥至合適輸出氣壓，引導(dǎo)學(xué)生打開氣體流量計(jì)充入工作氣體。然后，開啟直流高壓電源，緩慢增加放電管兩端的電壓，直到穩(wěn)壓二極管的管壓降突變，記錄此時(shí)的擊穿電壓值，即完成一次擊穿電壓的測量(見圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)觀察到氮?dú)鈿怏w擊穿圖像

每個氣壓下進(jìn)行至少3次氣體擊穿的測量，建議先測量較高氣壓的數(shù)據(jù)，以減弱極限真空中背景空氣對結(jié)果的影響。對于比較優(yōu)秀且完成較快的學(xué)生，可以嘗試用不同氣體進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，以觀察多種輝光顏色并繪制比較帕邢曲線的異同點(diǎn)，分析其中深層次的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)完畢后，調(diào)節(jié)氣體流量控制旋鈕至最小位置，調(diào)節(jié)電壓至最小值，依次關(guān)閉電壓、機(jī)械泵、冷卻水，電源開關(guān)。關(guān)機(jī)時(shí)需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)關(guān)機(jī)順序，特別是先關(guān)氣體流量計(jì)，再關(guān)機(jī)械泵，以避免在機(jī)械泵已經(jīng)停止抽氣時(shí)，一直有氣體進(jìn)入放電管，長時(shí)間進(jìn)氣易造成輸氣軟管及放電管的爆裂。

2.3實(shí)驗(yàn)技巧及關(guān)鍵問題

(1) 安全問題。安全問題永遠(yuǎn)是實(shí)驗(yàn)研究與教學(xué)的重中之重。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣可為他們以后的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)，并直接保證實(shí)驗(yàn)過程的安全性。本實(shí)驗(yàn)涉及到高壓直流電，要求學(xué)生做到不觸摸高壓直流電源的裸露電極、高溫放電管。另外，為防止持續(xù)的直流高壓放電導(dǎo)致過熱，每次讀取擊穿電壓成功后，立即降低電壓至50 V以下。

(2) 判斷氣體是否擊穿。準(zhǔn)確判斷放電管內(nèi)氣體擊穿是正確記錄其閾值電壓的前提。通常學(xué)生采用的方式是肉眼觀察產(chǎn)生的輝光對于如何判斷氣體是否擊穿。但是，在不同氣壓和極板間隙條件下，其放電輝光差異較大，很可能放電時(shí)現(xiàn)象很弱，顏色也不明顯，從而造成誤判斷。鑒于此，在電路的設(shè)計(jì)上增加了穩(wěn)壓硅二極管。當(dāng)放電管內(nèi)氣體沒有被擊穿時(shí)，氣體為絕緣體，放電回路與二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管管壓降示數(shù)為“0”或者很小數(shù)值；隨著不斷增加兩放電極板間的電壓，在某一電壓值下，管內(nèi)氣體剛好被擊穿，放電回路及二極管均被導(dǎo)通，此時(shí)二極管兩端管壓降瞬間增大到約0.5～0.7 V。在這一跳變瞬間，記錄擊穿電壓的瞬時(shí)值，即為此種氣體在該條件下的擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生觀察穩(wěn)壓二極管示數(shù)的跳變來判斷擊穿，避免視覺誤差對結(jié)果的影響。

(3) 首次測量氣壓點(diǎn)的選擇。以本裝置及條件為例，實(shí)驗(yàn)氣壓的范圍選在4～100 Pa，通常設(shè)計(jì)將20 Pa作為初始?xì)鈮簵l件開展實(shí)驗(yàn)，這是學(xué)生理解的一個難點(diǎn)。這主要是基于測量精度與實(shí)驗(yàn)安全兩個方面考慮。首先，本實(shí)驗(yàn)真空腔室所能達(dá)到實(shí)際的背景真空在1 Pa左右，故管內(nèi)殘留的背景空氣不可忽視。如果將4 Pa作為首次測量氣壓點(diǎn)，其管內(nèi)空氣所占比例可高達(dá)25%,對結(jié)果有較大干擾。隨著實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)行，放電管內(nèi)的“清洗”作用會使雜質(zhì)氣體比例越來越低；另一方面，初始?xì)鈮喝绻x在100 Pa，此情況氮?dú)夥烹姄舸╇妷嚎筛哌_(dá)0.8～1.0 kV左右，如圖4所示。所以，應(yīng)該避免讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)一開始就操作如此高的危險(xiǎn)電壓。

(4) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布與擬合。帕邢曲線的特點(diǎn)是在某些區(qū)間內(nèi)呈線性變化，而在另一些區(qū)間內(nèi)是非線性的。我們擬用有限個數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪完美的帕邢曲線，并準(zhǔn)確找出氣體放電的最佳擊穿條件，合理分布測試點(diǎn)是非常必要的。以低氣壓下氮?dú)夥烹姙槔?，如圖4所示，針對相對較高氣壓部分，即右半圖線性變化區(qū)域，可以加大數(shù)據(jù)間隔(如10 Pa)；而對于左半部分，需要減小數(shù)據(jù)間隔(如2 Pa)。然后，引導(dǎo)學(xué)生逐漸找到氣體的最佳擊穿條件，在這一值附近細(xì)化數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過這一訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的良好習(xí)慣。另外，在處理數(shù)據(jù)過程中，發(fā)現(xiàn)多名學(xué)生不能正確認(rèn)識“擬合”的含義，而是把數(shù)據(jù)點(diǎn)簡單連接起來，沒有得到平滑的曲線，這也是需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的問題。

圖4 實(shí)測氮?dú)鈸舸?shù)據(jù)與擬合帕邢曲線

2.4課程要求與效果

普通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式的作業(yè)，而氣體擊穿特性的實(shí)驗(yàn)為探索研究型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生以科研論文的形式提交作業(yè)。論文內(nèi)容包括題目、作者、摘要、正文4個部分。對于摘要，要強(qiáng)調(diào)其與引言的區(qū)別，摘要部分需要用一段話概括此次實(shí)驗(yàn)工作的主要內(nèi)容和結(jié)論，而不是寫相關(guān)背景和前人的研究成果。正文部分要體現(xiàn)以下4個部分：引言、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法、實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論等。通過論文這一要求，讓學(xué)生體會撰寫科研論文的要領(lǐng)。

氣體放電實(shí)驗(yàn)平臺自建成以來一直投入本科生的教學(xué)，多年來運(yùn)行良好，并取得了廣泛的認(rèn)可。許多學(xué)生在課后還進(jìn)行相關(guān)知識的探索，并積極與老師們溝通討論。本實(shí)驗(yàn)涉及到的知識面相對較更廣，如真空、低氣壓放電、能級躍遷、等離子體等。在教學(xué)時(shí)間上，該實(shí)驗(yàn)需要3～4個課時(shí)(一般實(shí)驗(yàn)需2個課時(shí)即可)。但從另外一方面講，學(xué)生如果能夠積極準(zhǔn)備，努力鉆研，充分參與到這樣一個研究型實(shí)驗(yàn)的全過程，是能夠很好地拓展知識面、深化所學(xué)過的相關(guān)理論。

3 結(jié) 語

本文針對氣體擊穿特性實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合開展低氣壓氣體直流擊穿特性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，介紹了平臺的設(shè)計(jì)技巧、實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需準(zhǔn)備、課堂組織和實(shí)驗(yàn)技巧，分析了教學(xué)實(shí)施過程遇到的問題，提出了解決方案。通過開展此課程取得的一些初步成果與經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在有條件的高校將氣體放電實(shí)驗(yàn)推廣到本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很高的可行性。希望本文能對國內(nèi)高校開展相關(guān)或者類似的綜合研究型實(shí)驗(yàn)提供一定的參考。

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ExperimentalPlatformforGasDischargeCharacteristicsandAnalysisontheRelevantTechniques

WANGQi,WANGMinge,FENGChunlei,ZHANGYingying,ZHANGJialiang

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams of Ministry of Education, Physical Experiment Center of University, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Based on the accumulated experiment experience on equipment development of Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams of Ministry of Education, the superior strength of National Key Disciplinary of Plasma Physics, we summarized the research achievements in gas discharge technology, designed and constructed a comprehensive gas discharge equipment platform. Three courses including DC discharge breakdown characteristics,V-Icharacteristics, electrostatic probe diagnostics were carried out using this platform. In this paper, the design idea and equipment module were recounted, the preparation, the class organization, the experiment skills were described. Moreover, the main problems during the courses and the corresponding solutions were also introduced.

low-pressure discharge; DC breakdown; Paschen curve; exploratory experiment

O 0461.2； O 0521； O 0539

A

1006-7167(2017)09-0055-04

2016-11-25

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(11405022)；大連市高層次人才創(chuàng)新支持計(jì)劃項(xiàng)目(2016RQ020)

王 奇(1982-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，主要從事低溫等離子研究。Tel.：15641138518； E-mail：wang@dlut.edu.cn