研究電極錐角對(duì)真空沿面放電等離子體特性的真空裝置介紹
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)不同錐角的電極結(jié)構(gòu)來(lái)改變陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，討論電極錐角對(duì)真空沿面放電等離子體生成特性的影響。
實(shí)驗(yàn)裝置
圖1 為本實(shí)驗(yàn)所采用的真空實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)裝置主要由真空系統(tǒng)、主放電電路、測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中真空室內(nèi)的氣壓維持在10-4 Pa。
圖1 真空放電實(shí)驗(yàn)裝置
1、真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)主要由真空室、油封式機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合真空計(jì)等構(gòu)成。真空室內(nèi)裝有陰極、陽(yáng)極，電極可在豎直平面實(shí)現(xiàn)0°~180°的旋轉(zhuǎn)。真空設(shè)備油封式機(jī)械泵型號(hào)為2X- 8 型，排氣速率為8 L/s。油擴(kuò)散泵型號(hào)為K- 150 型，排氣速率為800 L/s。復(fù)合真空計(jì)型號(hào)為ZDF- 5277B，該真空計(jì)采用3 路測(cè)量，一路ZJ- 52T 低真空規(guī)管和一路ZJ- 27 高真空規(guī)管安裝在一個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為復(fù)合測(cè)量，另一路ZJ- 52T 低真空規(guī)管單獨(dú)測(cè)量，有效測(cè)量范圍為3.0×103 Pa~1.0×10-5 Pa。
2、主放電回路
本實(shí)驗(yàn)放電電路采用倍壓電路的形式，主放電電路如圖2 所示。220 V交流經(jīng)過(guò)整流倍壓電路給電容C2 充電，在某一時(shí)刻給球間隙施加一個(gè)觸發(fā)信號(hào)后，球隙開(kāi)關(guān)擊穿，電容C2 左端瞬間接地成為零電位，而由于電容兩端的電壓不能突變，所以在電容右端即出現(xiàn)一個(gè)負(fù)高壓，這個(gè)負(fù)高壓即加在真空室內(nèi)的陰極上，引起真空室內(nèi)的絕緣體表面發(fā)生沿面放電。
圖2 真空沿面放電實(shí)驗(yàn)主放電電路
3、測(cè)量系統(tǒng)
3.1 探針?lè)y(cè)量
如圖3 所示，在放電電極后設(shè)置有兩個(gè)探針P1 和P2，P1 距離放電電極的距離為100 mm，P1和P2 相距15 mm。真空沿面放電發(fā)生后，放電產(chǎn)生的等離子體四處擴(kuò)散，部分等離子體進(jìn)入到測(cè)量空間內(nèi)，在探針P1 和P2 的周?chē)纬傻入x子體鞘層。改變探針電壓Vp1 和Vp2 的值，可以測(cè)得不同探針電壓下電子電流值。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和電子電流值與探針電壓繪制成V- I 特性曲線，根據(jù)朗繆爾探針?lè)ǖ挠?jì)算公式求得放電產(chǎn)生等離子體的密度、電子溫度、空間電位等[6~7]。
圖3 探針?lè)y(cè)量裝置
3.2 光強(qiáng)測(cè)量
實(shí)驗(yàn)采用OPT101 光電轉(zhuǎn)化芯片對(duì)真空沿面放電瞬間的電弧發(fā)光特性進(jìn)行測(cè)量。選取0.1 MΩ，CEXT 選取33 pF。
圖4 OPT101 芯片的外圍電路
由于圓錐形陰極尖端與絕緣體的圓心接觸，發(fā)生沿面放電時(shí)在各個(gè)方向上的爬距都是相同的，這就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)中沿面放電的路徑具有不確定性。當(dāng)放電路徑為背離探針?lè)较驎r(shí)，探針上得到的電子電流很小，很難應(yīng)用探針?lè)y(cè)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);當(dāng)放電路徑為朝向探針?lè)较驎r(shí)，探針上得到的電子電流很大，可能會(huì)超過(guò)測(cè)量量程致使無(wú)法得到數(shù)據(jù)。這樣就會(huì)使探針?lè)y(cè)得的等離子體參數(shù)與真實(shí)結(jié)果偏差很大。實(shí)驗(yàn)中采用“雙縫法”對(duì)放電路徑進(jìn)行了篩選，保證了采用朗繆爾探針?lè)y(cè)量等離子體參數(shù)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性。
“雙縫法”的原理如圖5 所示，在光強(qiáng)測(cè)量設(shè)備之前放置一個(gè)紙盒，前后正對(duì)處各開(kāi)有一個(gè)2 mm寬，5 mm 長(zhǎng)縫隙，縫隙正對(duì)OPT101 的鏡頭。雙縫可以唯一確定一條路徑，使有且僅有該路徑上的光可以透過(guò)雙縫進(jìn)入光強(qiáng)測(cè)量設(shè)備。選取在該路徑上放電時(shí)探針上得到的電子電流作為測(cè)量等離子體參數(shù)的數(shù)據(jù)。
圖5 “雙縫法”光強(qiáng)測(cè)量原理
參考文獻(xiàn)
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[7] 楊磊,等.用于真空電弧涂鍍中的靜電探針診斷裝置[J].微細(xì)加工技術(shù)，1995(3).
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