研究电极锥角对真空沿面放电等离子体特性的真空装置介绍
本实验通过设计不同锥角的电极结构来改变阴极三结合点处的电场强度，讨论电极锥角对真空沿面放电等离子体生成特性的影响。
实验装置
图1 为本实验所采用的真空实验装置图。实验装置主要由真空系统、主放电电路、测量系统等部分组成。实验过程中真空室内的气压维持在10-4 Pa。
图1 真空放电实验装置
1、真空系统
真空系统主要由真空室、油封式机械泵、油扩散泵、复合真空计等构成。真空室内装有阴极、阳极，电极可在竖直平面实现0°~180°的旋转。真空设备油封式机械泵型号为2X- 8 型，排气速率为8 L/s。油扩散泵型号为K- 150 型，排气速率为800 L/s。复合真空计型号为ZDF- 5277B，该真空计采用3 路测量，一路ZJ- 52T 低真空规管和一路ZJ- 27 高真空规管安装在一个测量点作为复合测量，另一路ZJ- 52T 低真空规管单独测量，有效测量范围为3.0×103 Pa~1.0×10-5 Pa。
2、主放电回路
本实验放电电路采用倍压电路的形式，主放电电路如图2 所示。220 V交流经过整流倍压电路给电容C2 充电，在某一时刻给球间隙施加一个触发信号后，球隙开关击穿，电容C2 左端瞬间接地成为零电位，而由于电容两端的电压不能突变，所以在电容右端即出现一个负高压，这个负高压即加在真空室内的阴极上，引起真空室内的绝缘体表面发生沿面放电。
图2 真空沿面放电实验主放电电路
3、测量系统
3.1 探针法测量
如图3 所示，在放电电极后设置有两个探针P1 和P2，P1 距离放电电极的距离为100 mm，P1和P2 相距15 mm。真空沿面放电发生后，放电产生的等离子体四处扩散，部分等离子体进入到测量空间内，在探针P1 和P2 的周围形成等离子体鞘层。改变探针电压Vp1 和Vp2 的值，可以测得不同探针电压下电子电流值。将实验测得的饱和电子电流值与探针电压绘制成V- I 特性曲线，根据朗缪尔探针法的计算公式求得放电产生等离子体的密度、电子温度、空间电位等[6~7]。
图3 探针法测量装置
3.2 光强测量
实验采用OPT101 光电转化芯片对真空沿面放电瞬间的电弧发光特性进行测量。选取0.1 MΩ，CEXT 选取33 pF。
图4 OPT101 芯片的外围电路
由于圆锥形阴极尖端与绝缘体的圆心接触，发生沿面放电时在各个方向上的爬距都是相同的，这就导致了实验中沿面放电的路径具有不确定性。当放电路径为背离探针方向时，探针上得到的电子电流很小，很难应用探针法测到实验数据;当放电路径为朝向探针方向时，探针上得到的电子电流很大，可能会超过测量量程致使无法得到数据。这样就会使探针法测得的等离子体参数与真实结果偏差很大。实验中采用“双缝法”对放电路径进行了筛选，保证了采用朗缪尔探针法测量等离子体参数时数据的可靠性。
“双缝法”的原理如图5 所示，在光强测量设备之前放置一个纸盒，前后正对处各开有一个2 mm宽，5 mm 长缝隙，缝隙正对OPT101 的镜头。双缝可以唯一确定一条路径，使有且仅有该路径上的光可以透过双缝进入光强测量设备。选取在该路径上放电时探针上得到的电子电流作为测量等离子体参数的数据。
图5 “双缝法”光强测量原理
参考文献
[6] 程仲元,等.朗谬尔探针用于VAC 等离子体诊断的初步研究[J].应用科学学报，1996，(4)：475- 480.
[7] 杨磊,等.用于真空电弧涂镀中的静电探针诊断装置[J].微细加工技术，1995(3).
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