大氣壓氣體中電子碰撞電離係數的測量

《大氣壓氣體中電子碰撞電離係數的測量》是依託清華大學，由王新新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大氣壓氣體中電子碰撞電離係數的測量
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王新新
• 項目類別：面上項目

項目摘要

電子碰撞電離係數是氣體放電中最重要的物理參數，但該係數的數據都是在低氣壓氣體湯森放電實驗中測量得到的，它不適用於大氣壓下氣體放電。針對這種狀況，本申請根據項目組前期的研究結果，提出了一種大氣壓氣體中電子碰撞電離係數的測量方法，它是藉助介質阻擋電極結構，在一些氣體中產生大氣壓下瞬態甚至穩態湯森放電，利用高速ICCD相機的納秒曝光功能，拍攝氣體間隙中的瞬態光強空間分布，進而推導出電子碰撞電離係數。本申請將對該測量方法進行深入研究和進一步完善，在此基礎上，對一些大氣壓氣體的電子碰撞電離係數作系統、完整的測定。項目的完成將對促進氣體放電研究有重要意義。

結題摘要

完成了項目申請書的研究計畫，取得了如下的研究成果： 研究了大氣壓氖氣介質阻擋放電的演化過程以及擊穿特性，證實了其放電和氦氣放電非常相似，都是從湯森放電開始，以亞正常輝光放電結束。 對大氣壓氦氣、氖氣和氬氣介質阻擋放電進行了實驗比較，結果表明在這三種氣體中實現大氣壓下均勻放電的難易程度存在明顯的差別，前兩者容易，後者很難。同時，這三種氣體的擊穿場強也存在明顯差別，前兩者很低，後者較高。將上述差別和這三種氣體的亞穩態能級高低以及放電光譜差異結合起來考慮，可以得到結論：氦氣或氖氣亞穩態原子的彭寧電離對於大氣壓均勻放電的形成起著決定性的作用。 對於惰性氣體介質阻擋放電，除了均勻放電和細絲放電這兩種模式之外，在較短（1~2mm）氣隙中還存在第三种放電模式，即所謂的斑圖放電。利用楔形氣隙，通過改變電場和氣壓，研究了斑圖放電和均勻放電之間的轉換規律，提出了約化電場E/p的大小決定了放電是斑圖放電還是均勻放電。 均勻放電和斑圖放電的電流波形非常相似，它們既可以是單脈衝放電，也可以是多脈衝放電。實驗和電路模擬結果表明：只要外加電壓足夠高，介質阻擋氣隙就有可能多次擊穿而產生多脈衝放電現象。因此，以單脈衝放電作為均勻放電的判據是錯誤的。 選擇厚度為4mm的陶瓷片作為阻擋介質，首次在大氣壓空氣較長氣隙（3~ 4mm）中實現了湯森放電。研究表明：正確地選擇阻擋介質的材料和厚度對均勻放電的形成是至關重要的。厚度合適的阻擋介質意味著大小合適的等效電容，它的“限制電流”作用使得放電恰到好處地停留在湯森放電，而沒有發展到絲狀放電（流注）。材料合適的阻擋介質意味著合適的表面“淺位阱”特性，它能夠給放電提供大量的種子電子，使氣隙在低電場下擊穿，有利於均勻放電的形成。 藉助大氣壓介質阻擋湯森放電，採用“大氣壓介質阻擋湯森放電光強法”，首次在大氣壓下測量了氦氣、氖氣、空氣和氮氣的電子碰撞電離係數。比較和分析了相同約化電場下我們和他人的α係數測量結果，解釋和說明了氣體純度對α係數測量結果的重要影響。對於氦氣和氖氣，彭寧電離對α係數有重要的貢獻，這使得α係數隨氣體純度的降低而增大。對於氮氣，電子在電負性氣體上的附著，這使得α係數隨氣體純度的降低而減小。