（等离子体物理专业论文）细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 提高金属管内表面的硬度、耐磨性、抗蚀性等性能有着重要的工业应用价值。我们 针对内径小于1 0m m 的金属管开发了种利用直流辉光等离子体的金属管内表面改性 技术。在金属管的中心轴上设置金属芯线与金属管构成同轴电极，在电极之间加恒定直 流电压使管内气体激发电离，从而在正极芯线周围形成圆筒状等离子体。利用恒定直流 高电压加速将离子渗往到金属管内表面。本研究主要分以下三个部分： ( 1 ) 等离子体的产生方法 利用同轴电极结构，在细长金属管内形成稳定的等离子体。管内等离子体的长度随 放电电流的增大呈线性伸长。通过对管内等离子体伏安特性的测定确认管内产生的是直 流辉光等离子体。 ( 2 ) 等离子体发射光谱研究 利用发射光谱法对金属管内形成的稳定氩氮和氩氨直流辉光等离子体进行了研究。 系统地测定了各种气体配比下的等离子体发射光谱，通过对谱线的同定确定了等离子体 中的活性粒子成分，研究了活性粒子的谱线强度髓压强和气体配比的变化特征根据发 射光谱计算了等离子体中的电子激发温度和分子振动温度，研究了电子激发温度和分子 振动温度随压强和气体配比的变化特征。 ( 3 ) 3 0 4 不锈钢管内表面渗氮初步研究 利用管内a t n 2 等离子体对3 0 4 不锈钢管内表面进行了渗氮改性研究。利用x 射线 仪、俄歇电子能谱仅和超微载荷显微硬度仪对不锈钢样品进行测试。 铡试结果表明我们 提出的利用同轴电极结构的直流辉光等离子体方法对于内径1 0 m m 、长1 0 0 r a m 的不锈 钢管内表面改性是可行的。 关键词：金属管；直流辉光放电；发射光谱诊断；渗氮 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 a s t u d y o nd cg l o wd i s c h a r g ep l a s m ag e n e r a t e di n s i d eam e t a l l i ct u b e a n di t sp r e l i m i n a r ya p p l i c a t i o n a b s t r a c t i m p r o v i n gt h eh a r d n e s s ，w e a rr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ei n n e rs u r f a c eo f m e t a l l i ct u b e sh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni ni n d u 啦f i a lp r a c t i c e w ep r o p o s e dan o r m a ld cg l o w d i s c h a r g em e t h o df o rt h ei n n e rs u l - f a e en i t r i d i n go f s t a i n l e s ss t e e lt u b e sw i t hi n n e rd i a m e t e ro f 1 0 m m ac o a x i a le l e c t r o d es t r u c t u r ew a sc o n s t r u c t e db yc o a x i a l l ys t r e t c h i n gam n g s t 姐w i r e a sa na n o d ei n s i d eo fs t a i n l e s ss t e e lt u b e s t e a d yd cg l o wd i s c h a r g ep l a s m ac a nb eg e n e r a t e d i nt h es t a i n l e s ss t e e lt u b eb ya p p l y i n gan e g a t i v ed ch i g hv o l t a g et ot h et u b e t h e nt h ei o n si n t h ep l a s m aw i l lb ea c c e l e r a t e da n dt h e ni m p l a n t e di n t ot h ei n n e rs u r f a c eb yt h ea p p l y i n g h i g h - v o l ：l a g e ，i nt h i sw o r k ，w ep r e s e n to b l s t u d yo r k ( 1 ) p l a s m ag e n e r a t i o n ac o a x i a le l e c t r o d e sw a sc o n s t r u c t e db yc o a x i a l l ys t r e t c h i n gat u n g s t e nw i r ei n s i d et h e m e t a l l i ct u b e d cd i s c h a r g ep l a s m aw a sg e n e r a t e di n s i d et h et u b eb ya p p l y i n gan e g a t i v ed e h i 班v o l t a g et ot h et u b e i tw a sf o u n dt h a tt h el e n g t ho f t h ep l a s m ad e p e n d so nt h ea p p l i e dd e v o l t a g e ，a n di n c r e a s e sl i n e a r l yw h i l et h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s e s t h ev o l t a g e c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s c h a r g es h o w st h a tt h ep l a s m ag e n e r a t e di n s i d et h es t a i n l e s ss t e e lm b e a r en o r m a ld cg l o wd i s c h a r g e ( 2 ) d i a g n o s i so f t h ep l a s m ab yo p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y t h ed i a g n o s i so ft h ep l a s mg e n e r a t e di n s i d et h es t a i n l e s ss t e e lt u b ew a sp e r f o r m e db y o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p ym e t h o d t h ea c t i v es p e c i e si nt h ep l a s m aw a si d e n t i f i e d t h e d e p e n d e n c eo ft h ei n t e n s i t yo fa c t i v es p e c i e so ng a sr a t i o sa n dp r e s s u r ew a ss t u d i e d t h e e l e c t r o ne x c i t a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ep l a s m aa n dv i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo fn i t r o g e n m o l e c u l a ri nt h ep l a s m aw a se s t i m a t e db yb o l t z m a n np l o tm e t h o d t h ed e p e n d e n c eo ft h e e l e c t r o ne x c i t a t i o nt e m p e r a t u r ea n dm o l e c u l a rv i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r eo nt h eg a sr a t i o sa n d p r e s s u r ew a si n v e s t i g a t e d ( 3 ) t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo ni n n e rs u r f a c en i t r i d i n go f a i s l 3 0 4s t s 伽e s ss t e e lt u b e s t h ea i s i3 0 4s a m p l e sa f t e rn i t r i d i n gb yt h ep l a s m ao fa r + n 2m i x t u r ew e r ea n a l y s i z e d b ya u g e re l e c t r o ns p e c t r o m e t e r 正s ) ，x - r a yd i f f y a e t i o n ( x r d ) a n dm i c r o h a r d n e s st e s t e r t h ep r e l i m i n a r yr e s u l t ss h o wt h a tt h en o r m a ld cg l o wd i s c h a r g em e t h o dd e v e l o p e di np r e s e n t w o r kc a na c h i e v ei n n e rs u r f a c en i t r i d i n go fs t a i n l e s ss t e e lt u b e 、i mi n n e rd i a m e t e ro f10 r n m a n dl e n g t ho fl o o m m k e yw o r d s ：m e t a l l i ct u b e ；d cg l o wd i s c h a r g e ；o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s e n p y = n i t r i d i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：至刘勇日期：呈囹：2 ：盈 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：至型勇 导师签名：曩墨丕基 导师签名： 出型忽叁卜一 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 细长金属管内表面改性研究进展 提高金属管内表面的硬度、耐磨性、抗蚀性等性能有着重要的工业应用价值，而如 何在金属管内表面上渗镀一层分布均匀而又与内壁结合牢固的薄膜是内表面改性研究 中的重点。为此，国内外研究工作者做出了一些有益的探索，主要的方法包括离子束注 入和等离子体源离子注入( p s i ip l a s m as o u r c ei o ni m p l a n t a t i o n ) 两个方面。 1 1 1 离子束注入 离子束注入金属材料进行表面改性的方法主要有常规注入和反冲注入。 ( 1 ) 常规注入，由离子发生器产生的离子在加速器中获得一定能量后单向直线垂直 入射到工件表层内，即所谓的“视线加工”过程。这个过程只有暴露在离子束下的工件 才能被注入。对于金属管内表面改性，由于注入离子的入射方向与被注内表面不垂直， 在入射表层处将产生离子溅射，使该处的离子注入剂量大大下降，整个工件的被注表层 内注入离子浓度的分布极不均匀。特别是当管的长径比( 长度直径) 较大时，入射方向 与管内表面几乎平行，在技术上很难实现注入。 ( 2 ) 离子束溅射沉积，将欲注入的元素先喷涂于金属溅射靶表面，然后用其它载能 离子( 惰性气体离子) 将溅射靶上的镀层元素反冲到管内表面。 1 9 9 5 年，w e n s i n g e r 利用离子束溅射沉积法【l 】，分别在钢管( 长6 0 i 姗，内半径6 m m ) 和钽管( 长1 2 0 m m ，内半径1 0 m m ) 的内壁镀了一层均匀的银和白金薄膜。实验装置如 图1 1 所示： 图1 1 离子溅射沉积装置示意图 f i g 1 1a c i o s ss e c t i o n o f t h e t u b e w i t ha c o n i c a ls p u t ：t e r t a r g e t 在此系统中，主要由提供高能离子的离子源和可以移动的溅射靶两部分组成。由热 丝发射的带电离子经过高压而获得几千电子伏的能量，通过两个圆孔型准直器后，沿轴 线方向入射并轰击管内锥形溅射靶，溅射出的原子沉积在管内壁上。通过移动管内的溅 射靶可实现原子在管内壁上的均匀沉积。 张琴 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 在此实验中，离子束的准直对膜的均匀性很重要，可采用更为精确的方法来代替圆 孔准直。在沉积过程中并没有注入的效应，沉积层和基体间的结合不牢固。可以采用对 管施加负偏压，提高膜基的结合力。此方法对直径较小的金属管不适用。当管径较小时， 离子束的准直以及管内溅射靶的制作都很困难。 1 1 2 等离子体源离子注入( p s i i ) 法 等离子体源离子注入技术( p s o ) 是1 9 8 7 年由美国w i s c o n s i n 大学的c o n r a d 2 1 等人 研制出的一种新兴的材料处理手段，它以能非线性注入复杂表面材料且操作简单经济实 惠而得到工业界的广泛认可。 在等离子体源离子注入过程中，将工件”浸泡在被注元素的等离子体中，在工件上 施加一个脉冲的负偏压，使等离子体中质量轻得多的电子迅速地向工作室内壁( 阳极、 零电位) 运动，于是在工件周围立即形成一层正离子鞘层，鞘层中的正离子在工件与鞘 层之问建立起来的强电场的作用下被加速，全方位垂直地入射到工件的所有表面。 当把等离子体源离子注入法应用到金属管内表面改性时，如果在管外产生等离子 体，由于外部鞘层的影响，渗透到管内的等离子密度非常低，均匀性也非常差。所以对 内表面改性而言，如何在细长金属管内形成均匀、高密度的等离子体，如何将等离子体 注入到金属管内表面中是需要解决的关键问题。围绕着这两个关键问题，国内外研究工 作者做了大量的研究工作。 1 ，1 3 强电流蒸发电离法( 线爆法) 此方法是在金属管中心轴上设置金属线，通过强电流时，金属线在管内真空下蒸发 电离形成金属等离子体并喷射到金属管内表面，此方法只适合于金属等离子体。目前的 会属管中心轴上设置金属线主要是铝线，在金属管内表面形成的铝膜较易脱落。 2 0 0 0 年，o r d a ld c m o k a n i 习对此方法进行改进，并在长7 c m ，内径2 c m 的管内进行 了实验。实验装置如图1 2 所示： 锎i 图1 2 线爆法实验装置图 f i g 1 2l l l u s m 吐i o no f t h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 在实验中，他用铝箔包绕了一氧化铝直导体构成了同轴电缆结构来代替管中心的铝 线。由于氧化铝导体的截面积相对比较大，与铝箔相比其电阻可忽略不计，当强电流通 过此同轴结构时，只有铝箔蒸发电离而形成单离子金属等离子体。由于同轴电缆结构使 通过铝箔和直导体的电流方向相反而形成沿径向方向的磁压，从而将等离子体内的金属 离子渗镀到金属管内表面上。 在改进方法中，由于同轴电缆结构这一关键损耗部件的加工非常复杂，不利于其工 业应用，不适用于长径比比较大的金属管的内表面改性。 1 1 4e o r 等离子体源离子注入法 自1 9 9 9 年以来，k b a b a 利用e c r ( 电子回旋共振) 等离子体源离子注入法1 4 - 7 1 ， 在不锈钢管( 长1 0 0 0 m m ，内半径3 5 m m ) 内表面上进行了渗氮和d l c 薄膜沉积实验， 实验装置图如图1 3 所示： 题椭 h l 4 _ - h 高压脉冲线圈陶瓷管 图1 3e c r 等离子体源离子注入法实验装置图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p s l ls y s t e mf o ri n t c _ r i o rs u r f a c 2i m p l a n t a t i o n 在此系统中，在金属管外设置可沿轴向移动的螺旋线圈，它可在管内产生一千高斯 的磁场，当2 4 5 g h z 的微波通过同轴电缆和天线导入到管型真空腔内时，在螺旋线圈所 在部位的管内局部形成等离子体，利用加在金属管上几千伏的脉冲高压电场作用下，可 将离子渗注到金属管内壁，通过移动螺旋线圈，局部形成的e c r 等离子体也沿轴向移 动，从而达到对整个金属管内壁改性的目的。 1 1 5 栅极增强等离子体离子注入法 2 0 0 1 年，b i nl i u 利用栅极增强等离子体离子注入法( g e p s i i ) 8 , 9 1 ，在直径为1 0 0 m m ， 长度为2 1 0n l r n 的汽缸内沉积了厚度分布均匀的t i n 薄膜，实验装置如图1 4 所示： 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 在此统中，有三个电极( 中心电极、栅网、汽缸) 共轴排列在真空腔内。纯金属钛 电极作为中心电极，氮气作为工作气体。在此系统中可分为两个等离子体区域。中心等 离子体区域( i ) 和扩散等离子体区域( ) 。在i 区，通过在中心电极和栅网之间加 射频( r f ) 震荡产生射频等离子体。由于电子和离子速度的差异在中心t i 电极上产生 几十伏到几百伏不等的负偏压，此负偏压会在中心电极外产生离子鞘层，鞘层内的离子 受自偏压的吸引而轰击中心电极，使得中心阴极的t i 飞出，当t i 棒上溅射出的t i 原子 穿过鞘层而进入中心等离子体区域，在电子碰撞而电离成t i 离子： e + t i 斗2 e + t i * 栅网内的t i 、n 的离子及离子团在汽缸负偏压的作用下，飞出栅网注入汽缸内表面 并结合成t i n 。 g e p s i i 方法具有如下的优点( 1 ) 等离子体在汽缸内部形成，所以等离子体密度比 较高，且随轴向的分布比较均匀( 2 ) 等离子体产生区与离子加速区分开，降低了负偏 压脉冲所引起的不稳定性( 3 ) 金属原子可以通过溅射中心电极而生成。 图1 4g e p s i i 方法工作原理图 f i g1 4s c h e m a t i cd i a g r a m so f t h eg e p s i ie x p e r i m e n t a ls e t u p 一4 一 大连理工大学硕七学位论文 1 2 直流辉光放电等离子体简介 辉光放电是产生等离子体的主要方式之一，也是目前应用比较广泛的等离子体，如 用于照明的传统放电荧光管，用于沉积薄膜的“磁控管”放电、电子轰击等离子体源等， 辉光放电的名字来源于这种等离子体是可以发光的，产生发光的原因是由于电子的能量 和电子密度高到足以使激发碰撞过程产生可见光。辉光放电是一种稳定的自持放电。 图1 5 为直流正常辉光放电的结构和区域分布e 1 0 1 ，实验中采用的气体是氖，压强为 1 3 3 3 p a ，放电管的长度为5 0 c m ，正常辉光放电可以分为五个区：阴极区、负辉区、法 拉第暗区、正柱区和阳极区。 驴 山 l 天 k 降 j 1- 图i 5 正常辉光放电特性的轴向变化 f i g1 5t h ea x i a lc h a r a c t e r i s t i co f n o r m a lg l o wd i s c h a r g e 1 2 1 阴极区 这是维持放电必不可少的区域，这一区域的电压降占整个放电电压的大部分，称阴 极压降。在这个区域内，被加速的电子能量高到足以产生电离，使负辉区右面的区域产 生雪崩。阴极区由阿斯顿暗区、阴极辉光区和阴极暗区组成。阿斯顿暗区是紧靠在阴极 的一层很薄的区域，在这一区域中由于电子刚从阴极逸出。受电场加速很小，动能不足 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 以使气体激发，所以形成暗区，这是一个具有很强电场和负空间电荷的区域。离开阴极 表面，电子获得足够的能量使气体形成阴极辉光区。这种阴极辉光具有相当高的离子密 度，阴极辉光的轴向长度取决于气体的类型和气体压力，阴极辉光有时紧贴在阴极上并 掩盖了阿斯顿暗区。电子向阳极前进时能量继续增加，这时一方面开始产生电子碰撞电 离，另一方面由于电子的激发截面随电子能量的增加而减小，发光减弱，所以开始进入 阴极暗区。这个区域有中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度。 1 2 2 负辉区 这是电极之间发光最强的区域，它与前面的阴极区有明显的分界，但与后面的法拉 第暗区则是逐渐过渡的。从阴极出发的电子经过阴极暗区后已经发生了多次非弹性碰 撞，大部分电子能量已经损失。同时，阴极暗区中经过碰撞电离产生的大量低速电子也 进入该区，因此形成了很强的负空间电荷。负空间电荷的作用使电子进一步减速，激发 几率加大，发光增强。另外，慢速电子与从暗区扩散来的慢速正离子有较高的复合几率， 这种复合也以发光的形式释放能量。在阴极暗区和负辉区的交界面上，复合最频繁，发 光特别强，在负辉区，几乎全部电流由电子运载。 1 2 ，3 法拉第暗区 这个区紧靠着负辉区的右边，在这个区域里，由于负辉区里的电离和激发作用，电 子能量很低，在法拉第暗区电子数密度由于复合和径向扩散而降低，净空闻电荷很低， 轴向电场相当小。这里的发光比负辉区和正柱区弱的多，但比阴极暗区和阴极辉区亮的 多。 1 2 4 正柱区 电子在法拉第暗区中的不断碰撞使自身的运动方向不断改变，能量不断再分配，速 度也逐渐接近m a x w c l ! 分布，最后进入正柱区。在正枉区中电子和离子的浓度相等，最 接近理想的等离子体状态。 1 2 5 阳极区 阳极区包括阳极辉光区和阳极暗区两部分。阳极辉光区是在正柱区靠近阳极极端的 亮区，它是阳极鞘层的边界。当阳极位降足够高时，将使电子产生很大的加速度，引起 激发和电离，产生阳极辉光。阳极暗区就是阳极鞘层，它由负的空间电荷，是在电子从 正柱区向阳极运动中引起的，其电场高于正电柱的电场。 大连理工大学硕士学位论文 以上五个放电区域是彼此联系着的：在改变两极之问的距离时，阳极暗区和负辉区 将不受影响，而正柱区随之延伸或缩短。如果不断减小极间距离，最后正柱区和法拉第 暗区可以完全消失 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 1 3 等离子体发射光谱诊断 1 3 1 发射光谱法原理 当物质中的分子、原子、离子或者自由基等物种在外界的作用下( 放电、辐射、化 学反应或者高能粒子的碰撞等) 被激发到激发态，由于处在激发态的物种一般情况下寿 命很短( 寿命比较长的称为亚稳态) ，通常只有约1 0 - s 秒，所以处在激发态的物种会很 快跃迁到较低的能态。在激发态物种向下跃迁的过程中，如果是通过辐射的方式从高能 态跃迁到低能态，则物种就会发光形成自己的光谱。由于每种物种所发射的光谱分布是 不同的，而且谱线强度还会受到等离子体中各种放电参数的影响，因此，通过对发射光 谱的分析，可以得到许多关于等离子体中粒子种类、等离子体温度、电子密度等一系列 参数的信息。如：根据发射光谱的谱线频率可以确定等离子体中激发态物种的种类；根 据谱线的相对强度可获得激发温度7 乙；根据多普勒( d o p p l e r ) 展宽的半峰宽( f w h m ) 可以计算出离子温度( 即表观温度) ；根据s t a r t 展宽或示踪元素法【l l l 可获得电子密度； 通过模拟转动分辨还可以得到转动温度气等。 除了辐射跃迁外，激发态物种还可以通过非辐射的方式向低能级跃迁。如通过与其 它粒子或者器壁发生碰撞而使激发态物种退激，这一过程也是等离子体尤其是高气压等 离子体中激发态物种的一个重要损耗机制。 发射光谱作为一种实时、在线、原位、对体系没有扰动、时空分辨性能良好的诊断 手段，已被广泛应用于非稳态等离子体发光过程的时间行为分析及瞬态参数的诊断。如 用于研究基于等离子体为工作介质的开关器件【l 习；用空间分辩发射光谱测量分析激光烧 蚀产物的形成过程和空间分布【1 3 】等。 1 3 2 根据谱线的相对强度计算激发温度 通过比较某一物种的两条谱线的强度可以得到该物种的激发温度【1 4 1 ， r ：监刖掣冬堕攀1 ( 1 1 ) k |1 。r u 。r g n u o 式中l ，表示能级n 到r 跃迁的谱线强度；l ，表示能级肼到r 跃迁的谱线强度。为了 提高精度，还可以根据多条谱线的强度数据通过最d x - - 乘法求得激发温度。 l i l 生一：一警+ c ( 1 2 ) 彳。，g 。u 。t 如果所研究的等离子体满足局部热平衡，即电子的速度符合麦克斯韦分布，束缚电 子在分立能级上的分布符合玻尔兹曼分布，带电粒子浓度服从沙哈方程，而且等离予体 大连理工大学硕士学位论文 还是光学薄的，这个时候激发温度等于电子温度。但一般情况下等离子体都不满足局部 热平衡，而是部分局部热平衡或者是非部分局部热平衡。 1 3 3 根据谱线的半峰宽( f w t t m ) 计算电子密度或离子温度 在等离子体中，有许多因素会引起谱线的展宽，其中主要因素如下： ( 1 ) 自然展宽 自然展宽是原子能态本身固有的，是由量子力学导出的一个能级宽度，它与外界条 件没有关系。由它的影响形成的谱线线形是洛仑兹线形。 ( 2 ) 多普勒展宽 当激发态分子以速度u 相对于静止观察者运动，观察者测得的分子辐射频率u 相对 于在分子坐标系中分子发射线中心频率有一个频率移动，称为多普勒( d o p p l e r ) 频 移。由于分子的运动是杂乱无章的，向各个方向运动的分子都有，从而使观察者测得的 谱线发生展宽，这称为多普勒展宽。由多普勒展宽的影响形成的谱线线形为高斯线形。 ( 3 ) 碰撞展宽 当一个具有能级能量为e 和取的原子a 接近另一个原子或者分子b 时，由于a 、 b 之间相互作用，a 的能级会发生移动，这个衄依赖于a 和b 的电子组态和他们之间 的相互作用力以及距离r ( a ，占) 。由于原子a 的两个能级所处的原子态不相同，它们受 到b 原子的作用也会不同，因而两能级的势能曲线e ；( r ) 和e ( 盖) 随r 的变化也会不同， 它们之间的差值随r 会发生变化。假设辐射跃迁发生的持续时问比碰撞时间短得多，以 至于跃迁时距离不改变，如图1 6 所示，辐射跃迁是垂直方向，因此测得的谱线频率会 发生变化。 瑚 置 图1 6a 原子的能级受碰撞原子b 的影响 f i g 1 6 t h ee f f e c t o f c o l l i s i o na t o m i c bo l l t h ee n e r g y l e v e lo f a t o m i c a 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 在实际气体中，原子作无规则运动，两个原子a 和b 之间的距离不像固体那样是 固定的，而是偶然起伏的，围绕平均值胄，有一分布，r 。决定于压力和温度。因而辐射 能量除了固有的自然宽度以外，还会围绕最概然值矗u ( 胄。) 有一分布，从而造成测得的 谱线分布增宽。如图1 7 所示 鼻rc dj h 图1 7 辐射的碰撞加宽旧 f i g 1 7c o l l i s i o nb r o a d e no f r a d i a t i o n ( 4 ) 斯塔克加宽 电场引起的能级分裂在光谱仪分辨率不足时所产生的加宽。它分为两种：对于氢原 子和类氢原子呈现一次斯塔克效应，它在电场中分裂的大小与电场强度成正比；对于其 它原子呈现二次斯塔克效应，它在电场中分裂的大小与电场强度的平方成正比。一般来 说，只有对氢原子与类氢原子，斯塔克效应才比较显著，对于其它原子，斯塔克效应几 乎可以忽略不计。 ( 5 ) 塞曼加宽 由磁场引起的能级分裂在光谱仪分辨率不足时产生的加宽。 自然加宽和碰撞加宽都是洛仑兹线形，而多普勒加宽则是高斯线形。它们的图形如 图1 8 大连理工大学硕十学位论文 膏 图1 8 各种线形的对比【嘲 f i g 1 g t h e c o n 缸a s t o f v 越o u s c u “髓 ( 6 ) 根据斯塔克展宽计算电子密度行【1 6 】 当等离子体的温度比较低，电子密度在l o ”一1 0 ”c m 。范围内，谱线的线形又是洛 伦兹线形时，发射光谱的谱线展宽主要机制是发生辐射跃迁的原子受到德拜球内离子电 场作用产生的斯塔克能级分裂。对于氢原子，斯塔克效应是线形展宽，它的谱线展宽与 电子密度有关，这时谱线轮廓的半峰宽 也与电子密度如下关系： 2 = 2 5 1 0 。4 口f l 2 形3 k 搠】 ( 1 3 ) 式中口l ，2 是归一化轮廓s ) 的半峰宽，电子密度的单位为k - 3 i 。对于其它非类氢原子， 斯塔克效应为非线性展宽，到耳前为止还没有较好的公式可资利用。 利用斯塔克效应进行诊断的一个优点是，由于它是仅与电子密度有关的效应，与温 度关系极微，即与等离子体是否达到热平衡关系不大，因而无论是瞬变等离子体还是准 稳态等离子体，都可以应用斯塔克效应进行诊断。 ( 7 ) 根据多普勒展宽计算离子温度z 旧 等离子体的温度比较高，谱线的线形又是高斯线形时，发射光谱的谱线展宽主要是 辐射粒子运动造成的多普勒展宽。其公式如下 厅 锄- - 7 1 6 1 0 。厶、粤k m l ( 1 4 ) y 在利用半峰宽做计算的时候，要特别仔细地比较各种因素对谱线展宽的影响，否则 计算结果的误差会比较大。 ( 8 ) 根据双原子分子振转谱线强度计算转动温度7 | 删【i s 】 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 根据d i e k e 和c r o s s w h i t e 的结论，7 乙可以通过测量r 或q 支发射强度i ，并将其 作为能级能量e 的函数绘制出曲线的办法而求得： l l l ( 络小c 一 ( 1 5 ) 式中s 的跃迁几率，v 是跃迁频率，e 是上能级的能量。通常求转动温度一般是利 用；( 曰一x ) 的( 0 o ) 振动跃迁的r 支n 9 1 ，以及o h ( a - x ) 的( 0 - 0 ) 振动跃迁的r 支【2 0 1 。一般来说，这种计算的误差比较大，但可以通过计算机模拟得到较准确的转动温 度【2 ”。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本研究的目的和研究内容 细长金属管内表面改性具有广泛的工业应用前景。如绪论1 1 所述，如何在大长径 比的细长金属管内形成均匀、高密度的等离子体并实现金属管内表面改性是目前的一个 技术难题。我们针对内径小于l o m m 的金属管开发一种利用直流辉光等离子体的金属管 内表面改性技术。在金属管的中心轴上设置金属芯线与金属管构成同轴电极，在电极之 间加恒定直流电压使管内气体激发电离，从而在正极芯线周围形成圆筒状等离子体。利 用恒定直流高电压加速将离子渗注到细长金属管内表面。 本工作中，我们利用同轴电极结构在细长金属管内形成均匀的氩氮等离子体和氩氨 等离子体。利用发射光谱法对金属管内形成的稳定直流辉光等离子体进行诊断。系统地 测定各种气体配比下的等离子体发射光谱，通过对谱线的同定确定等离子体中活性粒子 成分，研究活性粒子的谱线强度随压强和气体配比的变化特征。根据发射光谱计算等离 子体中的电子激发温度和分子振动温度，研究电子激发温度和分子振动温度随压强和气 体配比的变化特征。 利用管内直流辉光等离子体对3 0 4 不锈钢管内表面进行渗氮改性初步研究。利用x 射线仪对不锈钢样品进行x r d 测试检测渗氮层的晶格结构，利用俄歇电子能谱仪对样 品进行a e s 测试检测渗氮层中氮元素随深度的变化。利用d m h - 2 l s 超微载荷显微硬度 仪对不锈钢样品进行硬度测试检测等离子体渗氮后硬度的变化。 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 2 细长金属管内产生的低气压下直流辉光等离子体特性 2 1 直流辉光等离子体的伏安特性 2 1 1 装置及实验概况 实验装置示意图如图2 1 所示，阴极内径1 0 r a m ，外径1 3 r a m ，长1 0 0 r a m ，由两个 不锈钢半圆筒结合构成，在阴极的中心轴上拉一根钨丝作阳极，为防止电极与真空室室 壁之间的放电，整个电极用绝缘材料包裹后放入真空系统中。实验时用机械真空泵先将 真空室的气压抽至1 0 1 p a 以下，然后将工作气体输入到真空室内，气体流量由质量流量 控制器调节，使真空室气压稳定维持在设定工作压力。 阴极上加直流负高电压，采用的是o r t e c 5 5 6 直流高压电源，该电源带有电流计， 本实验用这个电流计测量实验中的气体放电电流。同轴电极之间的电压用数字存储示波 器( t e k t r o n i x ，t d s 2 0 2 2 ，2 0 0 m h z ，2 g s s ) 测量。逐渐增加在阴极的直流负电压，在 阳极钨丝的周围形成强电场区域，引起气体放电，在适当的外部电路条件下，可以在整 个金属管内产生稳定的直流辉光等离子体。等离子体的形貌用数码相机( c a n o np o w e r s h o tp r 0 1 ) 进行记录，利用照片中记录的管内等离子体图像测定管内等离子体沿阳极丝 的长度。 应庙 气体 反托 7 体 图2 1 实验装置图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 伏安特性以及等离子体长度与放电电流的关系 向真空室输入j h 气，气压2 0 p a 条件下，外加3 3 0 v 直流电压时管内点火生成等离 子体，此时的等离子体沿阳极丝的长度为1 7 6 m m 。逐步加大直流电压，管内生成的等 离子体沿阳极丝逐步伸长，相应的气体放电电流增大。图2 2 是逐步增大电压时管内等 离子体沿阳极丝伸长的图像，根据这些照片测量了各个对应电压下的管内等离子体长 度。利用直流高压电源上的电流计测定了相应的放电电流。图2 3 画出了同轴电极两端 电压以及管内等离子体长度随放电电流的变化。利用o r t e c 5 5 6 直流高压电源上的电流 计测定了相应的放电电流，同轴电极两端的电压由电源电压减去接地电阻两端的电压得 到。从图2 3 可以看出：在增大电源电压的过程中同轴电极两端的电压几乎保持不变， 显示出典型的直流辉光放电的特征，说明管内产生的是直流辉光等离子体：管内辉光等 离子体的长度随放电电流的增大呈线性伸长。 2 2 管内等离子体沿阳极丝伸长图像 f i g 2 2i m a g e so f t h el e n g t he l o n g a t i o no f p l a s m a 图2 3 伏安特性以及氩等离子体长度与放电电流的关系 f i g 2 3v o l t a g e - c u r r e n te h a r a e t e r i s t i ea n dc u r r e n t - d e p e n d e n c eo f t h el e i l g t i lo f t h ed cg l o wp l a s m ag e n e r a t e di nt u b e 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 2 2 细长金属管内直流辉光放电等离子体发射光谱研究 我们对细长金属管内的氩氮和氩氨直流辉光等离子体发射光谱进行了系统的研 究。系统地测定了各种气体配比下的等离子体发射光谱，通过对谱线的同定确定了等离 子体中的活性粒子成分，研究了活性粒子的谱线强度随压强和气体配比的变化特征。根 据发射光谱计算了管内等离子体的电子激发温度和分子振动温度，研究了电子激发温度 和分子振动温度随压强和气体配比的变化特征。 2 2 1 光谱的测量方法 管内等离子体的发射光谱由光纤探头收集后传输至m o d e ls p 一3 0 5 光栅单色仪( 光 栅1 2 0 0 条m m ，闪耀波长3 5 0 m m ) 进行分光，分光后单色光光信号经光电倍增管( r 2 9 8 ) 转变为电信号，光谱电信号脉冲通过设定记录电路的积分时间而得到多脉冲平均输出， 最后由计算机采集处理。 图2 4 为典型的管内a r 6 0 + n 2 4 0 直流辉光等离子体发射光谱图，图2 5 为典型的管 内a r 3 0 + n h 3 7 0 0 6 直流辉光等离子体发射光谱图。 图2 4 典型的a r 6 0 + n z 4 0 直流辉光等离子体发射光谱图 f i g 2 4t y p i c a ls p t n l me m i s s i o no f t h ea r 6 0 + n 2 4 0 p l a s m a 1 6 一 釜nc曾ui。，#卫墨 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 典型的a r 3 0 + n h 3 7 0 直流辉光等离子体发射光谱图 f i g 2 5t y p i c a ls p e c t r u me m i s s i o no f t h ea r 3 0 + n h 37 0 p l a s m a 2 2 2 管内直流辉光等离子体的活性粒子谱线 ( 一) 管内氩氮直流辉光等离子体中活性粒子谱线 根据实验测定的管内直流辉光等离子体的发射光谱，通过比对确定了管内直流辉光 等离子体中的活性粒子谱线，氩氦直流辉光等离子体具体结果如表2 1 、表2 2 、表2 3 所示。 表2 l 2 ( c 3 i l ，斗曰，) 的跃迁波长和跃迁几率 t 曲l e 2 1t h ew a v e l e n g t h ，t r a n s i t i o na n dt r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e so f t h e 2 ( r l ， 占3 i i p ) 鲁”量ul t，薯l。芷 细长金属管内产生的直流辉光放电等离子体及其初步应用研究 表2 2 ；( 31 - ，- - j , b i i - ) 的跃迁和跃迁波长 t a b l e2 2t h ew a v e l e n g t h , t r a n s i t i o n o f ；( 3 n 。_ 占f i j ) t ，- ( 删) vv 3 9 1 5 4 2 0 ，l 4 2 3 8 4 2 7 9 o o 2 3 l 一2 0 一l 0 2 表2 3 aa r i 、a r l l 的波长、跃迁几率，激发能和统计权重等参数 t a b l e 2 3 at h ew a v e l e n g t h , t r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e s , e n e r g y ，s t a t i s t i c a lw e i g h t so f a r l ，a r l i w a v e l e n g t h t r a n s i t i o n p r o b a b i l i 睁 ( a h1 0 e s - 1 ) e i - e kc o n f i g u r a t i o ng t g t ( 嘶1 ) t c 酊) 4 0 72 0 ri i钮1 4 8 8 4 2 4 6 7 4 - 1 7 3 3 9 3 4 6 6 l 3 s 2 3 p 4 ( 1 d ) 4 s - 3 s 2 3 p 4 ( 1 d ) 4 p 6 6 4 1 3 1 7 a r 鼬1 4 8 6 2 0 1 4 1 1 - 1 7 2 8 1 6 2 9 2 6 3 s 2 3 以d ) 4 s - 3 s 2 3 p 4 ( 1 d ) 4 p 4 - 2 4 1 5 8 6a r11 49 3 1 4 3 7 6 0 0 - 1 1 7 1 8 3 5 9 0 1 3 ，3 矿( 2 p 3 n ) 4 擘_ 3 s 2 3 p 5 ( 妒，n ) 5 p 5 5 4 1 9 0 7a rio2 8 9 3 1 4 3 7 6 0 0 - 1 1 6 9 9 9 3 2 5 9 3 s 2 3 p 、2 p ) 4 s - 3 s 2 3 p s ( 2 鸭n ) 5 p 5 5 4 1 98 3 ri 2 5 79 3 7 5 0 5 9 7 8 - 11 7 5 6 2 9 5 5 3 3 s