气体放电管发光光谱实验气体放电管发光光谱实验马宁生 葛自良 摘摘 要要：了解气体放电现象，以放电管作为研究对象，在常压下用组合式多功能光栅光谱仪对放电光进行测量，得到放电光的近紫外光谱，通过检测放电光谱，可测定空气中的某些元素的放光光谱，从而计算各种粒子乃至电子的能量关关 键键 词词：低温等离子体 放电管 发光光谱近年来，放电等离子体技术已广泛应用于臭氧合成、烟气脱硫脱硝等工业生产中在 普通物理实验中开设气体放电管发光光谱实验，有利用学生对气体放电现象的了解，掌握 测量气体中的某些元素的放光光谱的基本方法一、实验装置及方法一、实验装置及方法 研究对象放电管如图 1 所示 长 231mm、外直径 30mm 的硬质玻璃 管内壁，张附着线直径为 0.5mm 的 不锈钢丝螺旋线圈 30 匝，作为高压 电极长 259mm、外直径 42mm 的石 英玻璃管同轴地套在硬质玻璃管外， 厚 1.6mm 的石英玻璃管壁内张附着 16 目的不锈钢丝网，作为外电极， 不锈钢丝线直径为 0.2mm实验中工作电源采用霓虹灯变压器（NGB-15-1 型） ，可提供 50Hz、15kV 的单相交流高压电 当 15kV 的高电压施加在放电管上 时，放电管内即发生以硬质玻璃管为阻 挡介质的无声放电，在石英玻璃管与硬 质玻璃管间的空气间隙内，形成大量细 微的快脉冲放电，发出紫蓝色的光。
光 信号经 SBP300 型光栅光谱仪（光栅参 数 1200 条/mm） ，光电倍增管（PMT920 型）, 由 DCS100 型数据采集系统采集， 最后由计算机处理，对空气放电的光光 谱进行测量实验装置如图 2 示二、实验结果及讨论实验结果及讨论 实验中，当 50Hz、15kV 的高电压施加在放电管上，启动了无声放电的形成在外电石英玻璃管不锈钢丝网(外电极)不锈钢丝线圈(内电极)硬质玻璃管图 1 放电管示意图高压工作电源计算机放电管光栅光谱仪高压稳定电源数据采集系统光电倍增管图 2 实验装置示意图场作用下，电子从电场中获取能量，通过与周围原子分子碰撞，电子把自身的能量转移给 它们，使之激发电离，产生电子雪崩当内外玻管间气隙上的外电场电压超过空气的击穿 电压时，空气被击穿，造成大量的电流细丝导电通道雪崩中的高能电子通过导电通道时， 一些激发态原子和分子会自发地发射紫外辐射这些紫外光子一方面能增加阴极的电子发 射，另一方面这些紫外光子还能进一步电离雪崩头和阻挡介质之间的原子和分子，造成新 的雪崩放电紫外辐射有助于导电通道的建立和加速空气的击穿，也有助于放电管中低温 等离子体的形成因此，对低温等离子体放电管发光光谱的近紫外段进行检测，是对低温 等离子体特性进行诊断的实用方法。
实验测量放电光光谱范围为 200-440nm，测量时光栅光谱仪狭缝孔径为 0.5mm，高压 稳定电源的工作电压为-817V, 数据采集系统扫描间隔为 2nm，经计算机处理得到的放电光 光谱如图 3 示从图 3 的低温等离子体放电管无声放电的辐射光谱中，可检测到氧原子的多重谱线， 其相应的波长，跃迁及高能态的能量一并列入表 1在放电光谱中还可检测到氮离子的多重谱线，谱线波长分别为 338.5nm，399.5nm，404.1nm，可检测到波长为 357.6nm 的二氧化氮分子谱线，以及波长 为 374.2nm 的氧离子谱线050001000015000200002500030000200220240260280300320340360380400420440波长/nm相对光强图 3 放电光谱338.5nm氮离子357.6nm二氧化氮分子374.2nm 氧离子399.5nm氮离子404.1nm表表 1 放电辐射光谱中检测到的氧原子多重谱线放电辐射光谱中检测到的氧原子多重谱线 谱线波长 （nm）369.2382.0394.0395.0423.3436.8跃 迁Pp35↓ 033SsDp3' '3↓ 03'3DsPp54↓ 053SpPp3' '3↓ Pp3303'3Pd ↓ Pp34Pp34↓ 033Ss高能态能量(eV)12.8815.7812.2814.1215.2912.36三、结结 语语 空气放电管作为一个化学反应器，必须使迁移率高的电子在其电场中得到足够的加速， 造成电子能量远高于分子、离子能量的不平衡状态，从而促进一般难以实现的化学反应。
即在低温等离子体状态下，由放电产生的高能电子与中性分子猛烈碰撞，使这些中性粒子 发生强烈的激发、分解和电离，为化学反应提供丰富的离子和自由基等高能活性粒子，从 而实现反应的高速化因此，能否提供能量足够高的电子，可视作评价低温等离子体放电 管的重要标准通过检测放电光谱，可察知各种粒子乃至电子的能量，有望开发为诊断低 温等离子体放电管的有效方法。