（光学专业论文）气体放电产生等离子体喷束的光谱特性研究.pdf

摘要 等离子体喷束可以为新材料的合成提供新的方法，在金属表面处理及高分子 材料表面镀膜等方面有十分重要的意义。气体放电作为获得等离子体的一种主要 途径，在民用和工业中得到了越来越多的应用。 本文建立了一套交流放电产生n 2 等离子体喷束的装置，该装置可对氮气进 行高达1 5 k v 连续放电。采用浓度调制光谱技术对放电辉光光谱进行探测。浓度 调制通常被认为是瞬态分子的浓度正比于放电电流幅度的绝对值，即为放电频率 f 的2 倍。而在本实验中使用l f 和2 f 均能检测到信号。原因是放电并不是连续 进行，而是在每个周期的负半周发生一次脉冲形式的放电，通过对脉冲信号作频 谱分析发现其除了基波外还含有丰富的奇次和偶次成分，因此1 f 和2 f 都能检相。 同时对这种施加连续电压却发生脉冲式放电的现象作了讨论。 沿着束流的轴向探测了不同位置n 2 等离子体的发射光谱，通过测得的光谱 数据分别计算了n 2 和n 2 + 的激发态振转温度，发现n 2 激发态振动温度和n 2 + 的 振动及转动温度随着柬流的下降先降低继而升高，并根据实验条件建立理论模 型，对实验数据进行了拟合，分析了其变化规律和产生机理。研究了束流中n 2 十 n 2 比例变化过程，发现随着束流向下两者比例逐渐升高，并结合实验装置进行 讨论。 关键词交流放电；氮分子；浓度调制；发射光谱；振动温度；转动温度；等离 子体喷束 a b s t r a c t p i a s m aj e tp r o v i d e dan e wm e t h o df o rs y n t h e s i so fn e wm a t e r i a i s ；i tw a s a p p e di ns u r f a t r e a t m e n to fm e t a i sa n ds u r f a c ec o a t i n g g a s e o u sd i s c h a r g e ， a sam e a np a t ho fo b t a l n i n gp i a s m a ，p i a y e dam o r ei m p o 她n tr o l ei nb d t hc i v 聃 a n di n d u s t r i a ia p p c a t i o n s t h en 2p i a s m aj e tw a sg e n e 旧t e df m man o z z l eu s i n ga na cd i s c h a r g eo f a b o u t15 k v t h ee m i s s i o ns p e c t 阳w e 怕o b t a l n e db yu s i n gt h e n c e n t 怕“o n m o d u i a t l o ns p e c t r o s p l ct e c h n i q u e u s u a yi tw a st h o u g h tt h em o l e c u i a r c o n c e n t r a t i o nw a si nd i r e c t 怕“oo ft h ea b s o i u t ev a l u eo fd i s c h a r g ec u r 旧n tf o r c o n n t 阳t i o nn l o d u i a t i o n t e c h n i q u e t w i t h e d i s c h a 叼ef r e q u e n c y f h o w e v e li no u re x p er | m e n tt h es i g n a ic o u i db ed e t e c t e du s i n gb o t h1 fa n d2 f t h er e a s o nw a st h ed i s c h a r g ew a sn d t n t i n u o u 8 ，b u to c c u r 怕da sap u i s e o n i yo n c ei ne 垤r yn e g a t i v eh a i fc y c i e f o u n e rt 怕n g f o r n l a n a i y s i sw a s o p e r a l e do nt h es i g n a ip u l s e i tw a sf o u n dt h a tb e s i d e st h eo r i g i n a if r e q u e n a y l t h e 旧w e r eal a r g ea m o u n to ff 陀q u e nc i e so f0 d da n de v e nm u l t i p l eo ft h e o r l g i n a if 怕q u e n c y s ot h es i g n a ic o u l db ed e m o d u i a t e du s i n gb o t h1 fa n d2 f t h ep h e n o m e n at h a tt h ep u l s e dd i s c h a r g ep r e s e n t e dw i t hc o n t n u o u sa c v o l t a g ew a sd i s c u s s e d 1 tw a sf o u n dt h a tt h ev - b 怕t i o n a it e m d e 阳t u 怕d e c r e a s e df i 惜ta n dt h e n i n c r e a s e da i o n gt h ed o w n s t 怕a mf r o mt h en o z z i eb ym e a s u r i n gt h ee m l s s i o n s p e c t r u mf r o mt h ed i f f b 悖n ta x i a ip o s o ni nt h ej e t ap h e n o m e n o i o g i c a lm o d e l w a sp 怜s e n t e dt of i 埘n gw i t he x p e r i m e n t a id a t a ，e x p i a i n i n gt h ev i b r a t i o n a i t e m p e 旧t u 悖v a r i a t i o nw i t ht h ed i 仟e 悖n ta x i a lp o s n i o nz t h en 2 + ，n 2 阳t l o v a r i a t e da i o n gt h ea x l sa n dt h ep n o p e n y0 fd i s c h a r g ei nt h ee x p e r i m e n t a i s y s t e mw a ss t u d i e d k e y w o r d s a cd i s c h a r g e ： n i t r o g e n ：c o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o n ： e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ：v b r a “o n a it e m p e 曙t u 悖；r a t a t l o n a it e m p e r a t u 怕；p l a s m aj e t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：趔f 兰讨 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名，芽杈 日期；型彭尘哆 导师签名： 日期：塑! ；：! 谚 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 锌离子体是在特定条件下使气( 汽) 体部分电离而产生的非凝聚体系，它幽中 魅酶原予或分子、激发态戆瓤子羲分子、耋潮基、奄予帮委窳离子戳及辐射港子 组成。体系内正负电衙数量棚等，整个体系足电中性uj 。1 9 2 9 年l a l l g m u i r 荫先 定义了等襄子体露l a s 瓣a ) 懿穰念，宅籀懿是毯含大量离子纛瞧子戆邋孛毪豹集会 体，能够对电场和磁场作出响应【2 】。我们知邋，当固态物质加热时经相变成为液 态，滚态穆袋麴热懿经提变成必气态。热暴鲶气态携凌增攘避多獒黥蟹，霹激壤 其原予电离，在极高温下( 1 0 0 ，o o o k ) 大部分物质处于电离状态，这种电离状态 便穆为烧震懿筹霹态。嚣姥，入嬲经零震“物质第殴态”来撰述等亵予体状态。 等离子体在宇宙中广泛存在，但在地球上却很少有天然的等离子体。但是，人们 对 燕愿气体热电压馒其逛意豹方法磷究气体放电携璞已经鸯2 多霉戆历史。等 离予体技术的最早应用一等离子体电弧照明也从1 9 世纪便开始了。在2 0 世纪 3 0 年代磁滚体动力发瞧的囊闵硬究及5 0 年代豹受控核聚变的磅变熬带动下，等 离子体出现了新的研究高潮。 获褥等离子体的方法和途径是多糖多样瓣，通常把在电场俸用下气体被杰穿 而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子 体。按所加电场的频率不同，气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放嚷、 微波放电等多种类型。而直流( d c ) 放电因简单易行，对工业漩置来说可以施加很 大的功率，| i j f 以至今仍被广泛采用。巍流辉光放电根据放电中占主导地位的蒸本 过程及放电时的特有现象对气体放电形式可分为汤嫩放电、电晕放电、辉光放电 和弧光放电【4 】。其中辉光放墩既可提供反应活性物种或作为化学反应的会质，同 时又能使体系保持菲热平稽状态，这对低温等离子体化学来说是至关重要的。以 致予在溅射、等离予体刻蚀、等离乎体化学气象沉积等许多应用领域，“辉光放 电”几乎是“低温等离子锌”的同义语。 辉光放电是等离子体的一个重瑟应用及研究领域。目前，辉光放电等离子体 技术的应用领域缀广，例麴，在徽旗子工堑中它可蠲于材辩加工、表露刻镄、表 面改性以及薄膜沉积等【5 l 。另外，它还可以威用于激光、荧光灯以及平面等离子 俸最示霹等方面。为涟一步提高英寂溺价值，多年来科醑工侔者己获理论耪实验 两个方面进行了大擞的工作。氮气辉光放电在离子注入、微墩予器件等领域已得 蜀了广泛应糟，特裘是近年来由于半导俸技零的发袋，对薪塑材料合成及搴辛稀表 面改性方面研究的深入，氮气直流辉光放电作为材料合成中氮活性粒子提供平段 第一章绪论 之一，研究其放电机理，弄清空间等离子体内粒子的行为，融成为此领域科研工 作者共露追求的目标。但是，电于辉必放电内部空间各种粒子阅复杂煞相互终用 过程，至今仍有许多相关的内部机制朱被完念了解。阑此，膏必要寻找合适的理 论方法，对相关的物化过程逃舒模拟分板，为实验磺究提供理论依据。 等离子体工艺是蕊代微电子学的关键技术，随着微电子工业的迅猛发展，低 温等离子体开始广泛应用于微电子工业，进褥微电子电路制造所必需的沉积，森4 蚀等澜工【6 嗣。如果没有等离子体亥l 饿和等离子体化学气福沉积就不可能制造超 大规模的集成电路。避些年来，等离予体与材料的相艇作用的研究已经发展成为 重要瓶活跃的领域。了解这熬相互豫厢的基本物理和化学过弦是发袋微电子、表 面改性、聚燮、空间及其它关键技术的核心。由于等离子体能产生活性成分，从 而雩| 发在常瓣纯学爱斑中不髓或难戳实现静物理交化和纯学寝应。因此，与蒺它 的加工方法相比，等离子体挝供了更有利的加工方法，包括爨有效和更便宜地达 鬟裰关缩采豹能力；缱在不产生大纛不需簧的凝产鑫帮凌瓣下达到鞠闲强豹；能 在产生很少浮染和有毒废物的情况下实现相同目的。所以低濑等离予体在现代工 鼗孛瓣瘟用薅来蘧广泛，魏为将来实现裔霜囊持聚交反应蜷魄蛞，必须了解裙控 制各种等离予体表谳的现象，如物理溅射、化学刻蚀及固体蹙上粒予的捕获等。 等离子俸与字宙飞骚袭嚣懿辅互佟麓可产生有害豹裁蚀，莛在航天飞祝货舱串蕊 察到讨厌的热包层中的刻蚀。这些效应可能散及空间的长期1 s 行。所有这些问题 现在燕隽垒麓器熬释学家帮芰程窭蓼爨藿巍套遴孳亍疆究。 近2 0 年来微电予技术的发展突飞猛进，复杂及超大规模集成器件的制造获 雩霉了飞速豹发展。其审一熬分豢霆楚王艺帮进程控髑援寒方瓣戆跨越逡步。甄气 压辉光放电融经在许多工序巾得到应用。例如，s i “n 2 0 和s i 凰n h 3 射频椁离 子髂鬻趸手淀积s i 0 2 帮复i 德硅薄膜，月予撵摄氧您层、器转豹缝缘箨密鸷、扩 散掩膜和刻蚀掩膜；0 2 放电产生的o 原子用来清洗鼯片表面和清除光刻胶。刻 蚀秘派积秀令遵程懿糖确控露l ，常1 攀爨要一臻愿整撩赞寒测鬃过程遴率积检溅薄 膜被刻蚀豹终点。用s i h 4 h 2 、s i h 以吣等作为源气体用等离子体增强化学气棚沉 积( p e c v d ) 法寒割备甄化j 菇硅a - s i ：珏) 薄膜攀4 “，鲻s i 珏2 e l 勰2 ，s i 珏c 1 3 鹪耪 s i c l 4 h 2 等作为源气体用p e c v d 法来制备纳米硅( n c s i ) 和多晶硅0 1 y - s i ) 薄膜 【垃。1 4 】等，都取缛了缀大粒进照。但对予这些滋积与亥蚀枧剑，却没农一个系统完 整的物理模激来解释。随着器件及薄膜对沉积与刻蚀的参数和工艺的耍求的日益 提褒，我们必须对这魑沉积刻蚀物理枧嚣有一个更宠整溥晰豹了解，才够受好 地控制工艺参数，提高器件戚薄膜的性能。 研究等离子体有三种研究手段，它们是实验诊敝、理论嬲板和数值模拟，实 验诊断是以浆种可控制的方式扰动该系统，借助于仪器观察宦的性质；理论解析 2 第一章绪论 是用解析的数学方法通过已经建立的物理规律自洽地确定该系统的性质；数德模 拟是从已经戋爨遵或己躲被假设戆鼹都瞬闻规律出发，捌罔计算枫摄局辩规律缀会 成长时间规律的种方法，它特别适用于等离子体这种已经部分了解了控制佬的。 基本规律，但对它进行实验诊断又比较困难，且它的多自由度的关联相互作爆使 得对它作理论解析也不切实际的体系。这种方法在最近几十年来获得了蓬勃发 展。 等离予体诊断就是通过备种光学、磁学放电学手段，对簿离子俸过程中发生 的物理、化学过程进行监测和分析，其目的就是弄清等离子体内部电子和离予的 袄态及特性，诸如电子和离予的密发和温度、电流和电磁场的空间和时间分布、 各种输运、波动和不稳定性、辐射等运动状态，以及在等离子体中各种反应粒子 豹变纯与转化、它铜之闻的荚系等，从而稚新等离子体工艺豹各种特性参数。因 此，利用等离子体诊断手段对等离子体过程进行监测和分析，可以深入地了解等 离子体运幸亍梳理，磷究等离子体沉裁过程串豹戎貘梳理襄剡蚀过程中的刻饿机 制，从而找到最佳的工艺条件，实现器件或薄膜的高性能以及快速的产生速率。 等离子体诊断有多种手毅，絮光学诊断技本f 蔽l 殳光谱、光发骞雩谱、激必诱 导荧光、喇曼散射等) 、l a n 鲫m i r 探针、质谱技术、微波诊断以及顺磁共振诊断 等。鬻孺豹诊錾手段主要是澎学诊繇技拳、l 矗n 酗l | i f 撵铮帮蒺谱技术# 5 剥。 光学测缴方法特别适合予等离子体原位诊断，因为它不直接接触等离子体因 瑟不会造残予撬，瑟麓该方法对疲努窍选择缝测量缝莱准确，阏薅逶髓褥翻嚣誊离 和空间分辨的信息。从实验设备上来讲，发射光谱法也是比较容易实现的。在等 离予体孛存在着大蘩靛激发态粒子，骞些激发态粒子在逶激发熬过裁孛会发囊窖兜 子。光子的能量与该粒子的种类以及所涉及的能级有关。通过探测这魑光子的光 谱，露戳判凝等饔予体孛存农熬辏袋耱类及其瑟楚弱状态。激然这秘发射光溪方 法实验设备并不复杂，而且对等离子体本身没有干扰，但是出于大量干扰谱峰的 存在，嚣虽艨测褥熬光强是菜一嚣阀豹积分，因越数据戆整爨与识裂霉要特剩镑 细。在实践中这种方法仅用于简单分予的等离子体诊断，而熙大多也仅能获得定 牲的缝果。如果希望获褥更船躲缝栗，特别怒定量鲍缝果，耀不仅嚣蘩 絮犍密 的光谱仪，而且在实验方法、定标以及理论方面也需花大力气进行研究。目前， 套类放电的发射光谱硬究己蠢缀导，例如扶c f 2 放电静鼹察到氟鼹子浆发射 f 2 m 3 1 ，但是这类文献的着眼点多在于放电过程中产物的辨别，某中反应的存在 【2 4 删，即主要在于对放电及艇应过程躲分梗。谗多磷究者剥嬲光谱憋方法礤究了 等离子体中的活性粒予种类及其浓魔与工艺结果之间的关系。如，c u i 和f a i l g 1 2 对热艘等离予体增强c v d 剑备金西石薄膜工慧进行了寅时光谶诊断，媳们的结果 表明，c h + 离予在金刚石薄膜的低温合成中对金刚石相的生妖起重要作用。来晓 第一章绪论 东等【2 8 】以及赵庆勋等也获得了同样的结论。a m 郫叫i s 【1 5 】等人利用激光诱导荧 光技术测得了氮气直流辉光放电空间的离子沿电场轴向的密度分布，认为离子的 轴向扩散效应远远大于其径向效应。 速度调制光谱技术是另外一种利用光谱研究等离予体中离子的各种参数的 技术目前国内这方面的研究还不多华东师范大学的杨晓华等【3 0 ，3 1 ，3 2 1 可能是我国 目前唯一从事这方面研究工作的速度调制光谱( v e l o c 时m o d u l a t i o ns p e c 们s c o p y ， 简称v m s ) 是1 9 8 3 年g u d e m a n 等人【3 3 j 4 】发展起来的一种分子离子激光光谱技术。 采用这种技术，龚天林等研究了h e 与n 2 混合气体的放电，得到辉光放电正柱区 电场强度、电子温度等参数，并获得了p e 肌m g 电离系数随母体分子气压的变化规 律。速度调制光谱技术作为一种非介入型光谱诊断技术，有可能在获得各种与离 子有关的等离子体参数( 如各种碰撞截面) 方面有着十分重要的实际意义。 l a l l g m u i r 探针十分简单，其最简单的形状是一根插入等离子体中的裸丝， 因它容易制造，是等离子体诊断的常用手段。它依赖测量的电流电压( i 特性曲线，对其进行处理，可以得到荷电粒子温度t 、电子密度n 、等离子体电 位v 。以及电子和离子束的能量等。但由于周围局部环境对探针收集电流引起干 扰，使得对l a l l g m u i r 探针特性曲线的解释变得复杂化。另外，对于成膜过程中 的沉积基团和刻蚀过程中的刻蚀因子的确认和其浓度的测量，h g m u i r 探针便 显得一筹莫展。 质谱分析是常规的真空测量，它作为低温等离子体处理和高温核聚变的等离 子体诊断手段也变的越来越重要。在核聚变装置和粒子加速器的大真空室中发展 起来的放电清洗技术中，质谱是清洗过程的监视以及优化的主要诊断手段。在等 离子体的过程中，气体成份的质谱比起发射光谱相对简单【3 5 1 ，因此质谱在气相 等离子体反应和等离子体表面相互作用中确定等离予体组成和杂质的含量时特 别有用。质谱诊断在等离子体方面的应用主要集中于两个主要的领域，一是“工 艺型”等离子体，即通过低温气体放电使多相化学反应变为可能得到增强；另一 个是高温均相的核聚变等离子体，它存在等离子体轰击真空器壁上产生的气相成 分。复旦大学郭钊等人【2 0 】利用飞行时间质谱方法对直流辉光放电条件与离子束 成分的关系进行了研究，认为在合适的放电电流及气压条件下可得到较高的盯 ，n 2 成分比例。 在理论模拟方面，已有许多不同的模型描述辉光放电等离子体粒子的行为， 这些理论模拟方法基本上都是描述在与泊松方程耦合条件下带电粒子的输运特 征及放电特性，其中有动力学模型、流体模型、蒙特卡罗模型( 简称m c 模型) 、 混合模型等。 4 第一章绪论 1 2 本文工作概述 本文主要工作是采用交流放电浓度调制光谱技术对在真空荧光池中产生的 等离子体喷束的发射光谱进行研究。 实验中采用浓度调制光谱技术对产生的等离子体进行光谱探测，浓度调制光 谱技术是对被测分子自身特性的一种调制，即对瞬态分子浓度的调制，属于一种 内调制光谱技术，可以在很大程度上抑制杂散光的干扰，具有很高的光谱测量灵 敏度和零背景的特点，适用于寿命很短的离予分子光谱的探测。由于本文的浓度 调制不同于传统的浓度调制光谱，因此对于这种特殊的浓度调制光谱的性质进行 了阐述，并对其产生的原理进行了讨论，发现主要是由于放电产生的粒子浓度并 不随着电压得交变而变化。对产生这种现象的机理进行了一定的讨论，得到了定 性的结论。本文的重点是对等离子的振动转动温度进行了探测，发现振动温度随 着喷束的轴向向下先降低再升高的现象。运用分子束的理论和气体分子碰撞理论 对这个现象进行了分析，通过计算机对实验数据进行拟合，理论和实验符合较好。 论文主要分成五个章节，安排如下： 第一章为绪论，主要对本文所从事工作的背景进行了简要的介绍。 第二章主要介绍本文所采用的等离予体喷束放电实验，实验装置为本课题组 自行组建。对放电的特性和探测的光谱结果进行了介绍。 第三章简要介绍了气体放电的理论，运用这些理论重点对放电过程中放电电 流上产生的尖峰进行了讨论。 第四章介绍了振转温度的测量方法，以及利用l i f b a s e 对转动温度进行拟 合的方法进行了说明。对实验中发现的氮分子振动温度随着喷束轴向的变化的现 象进行理论分析，通过建立模型和实践数据进行拟合。还介绍了n ；( 占) n ：( c ) 比例随着喷束轴向变化的现象。 第五章总结了本文的工作和创新之处，及工作展望。 第二章等离子体喷柬放电实验 第二章等离子体喷束放电实验 2 1 实验装置 本文所采用的实验装置如图2 1 所示，实验中将氮气通过玻璃毛细管由喷嘴 向真空腔内喷射，形成喷束，同时放电电源对电极施加连续交流电压，喷束开始 放电。通过位于真空腔一侧的观察窗和透镜，等离子发出的辉光被收集到单色仪 入射狭缝上，通过单色仪色散后，由出射狭缝处的光电倍增管探测，探测到的信 号经由锁相放大器解调后输送到电脑记录和读取。实验装置主要有以下几部分组 成。 图2 1 一实验装置示意图 1 真空腔 n 2 等离子体喷束在不锈钢真空腔内产生，真空腔外形为圆柱形，高4 0 0 h l l i l ， 直径2 0 0 m m ，两侧各有一扇由石英玻璃做成的观察窗，顶部竖直插着一根玻璃 毛细管，玻璃管外径1 0 衄，内径约1 5 咖，长约2 0 0 m m ，一头连接样品气体， 一头安装喷嘴( 电极) 。真空腔直接安装在j k 1 0 0 型扩散泵真空机组上，真空机 组不断地将腔内的气体抽走，以保持较低的背景气压。真空机组有两级真空泵组 成，第一级的机械泵负责低真空环境的的建立，第二级的油扩散泵负责高真空的 建立，同时机械泵又作为油扩散泵的前级进行工作。真空机组的抽速为9 0l s ， 真空腔内的极限真空可达到2 x 1 酽p 疗。本实验采用氮气作为样品气体( 纯度为 9 9 9 9 9 ) ，工作时背景真空约为o 1 p 臼。实验中通过高真空微调阀( 上海阀门二 厂生产的g w _ j 3 0 t ) 可对进气气压进行微调节，并由真空计进行背景气压的监 第二章等离子体喷束放电实验 测。 2 喷嘴 喷嘴的剖面图如图2 2 所示，喷嘴外形为圆筒形，外径1 0 m m ，喷嘴小孔的 直径为1 m m 左右，材质为黄铜。从下方套入玻璃毛细管，用铜螺丝固定，并在 接口处使用聚四氟乙烯进行密封和固定。同时喷嘴又作为铜电极，使用耐高温高 压导线和真空腔项盖的外部电极相连接，再接放电源。 电极引线 真空腔盖 一黼蜮 图2 2 喷嘴剖面图 管 3 放电电源 本实验中对样品气体进行交流放电的放电源由三部分组成，包括一台信号发 生器、一台音频功率放大器、以及一台高频变压器。信号发生器型号为s 1 0 1 a 型函数信号发生器，输出的信号分成两路，一路作为功率放大器的输入信号，另 一路作为锁相放大器的参考信号；功率放大器是上海声跃广播电视设备有限公司 生产的型号为n p 1 0 0 0 ，最大功率为l l w ，对信号发生器输入的函数信号进行 功率放大后输出到升压变压器的输入端；变压器为工作频率为2 0 k h z 的1 ：3 0 升压变压器，在输出端接上了2 0 k q 的限流电阻。实验中采用函数信号发生器生 成2 0 k h z 的高频正弦波信号，经音频功率放大器放大后，再经高频变压器升压， 可产生峰峰值最高达1 5 k v 的电压。一端接真空腔顶部的放电电极，另一端连同 真空腔体一起接地。放电电流由串联在放电回路中的1q 电阻取样，送示波器监 测。 第二章等离子体喷束放电实验 4 实验数据采集 实验中生成的等离子体发出的辉光通过真空腔侧砸的石英玻璃窗片再经透 镜聚焦到单色仪入射狭缝，经光栅单色仪色散后，在出射狭缝设置光电倍增管 ( h 锄锄a t s ur 9 5 5 型) ，探测信号经锁相放大器( e g & gm o d e l5 1 0 1 ) 检测后送入 计算机处理。计算机内安装数据采集卡和采集软件，采集软件为本小组自行编写， 可以把采集到的光谱信号以图形形式直接显示在显示器上。图2 3 为采集软件界 面。 图2 3 采集软件界面 2 2 浓度调制光谱技术 1 9 8 2 年g u d e m 趾等发展了速度调制光谱技术m s ) 【豫，叫。该技术在吸收 池内用交流高压辉光放电生成被测的离子分子，离子分子的速度在交流电场中受 到放电频率的调制。当入射激光与离子分子产生共振吸收时，由于多普勒效应使 速度调制等效于对吸收谱线的频率调制，通过锁相放大器的同步检测，可以获得离 子分子的光谱信号。在该技术测量中，由于中性分子不受电场力的作用，它们的速 度不会受到调制，因此它的最大特点是可以有效地选择离子分子的光谱进行测量， 而避免中性分子光谱的干扰。此外，这种光谱技术是对被测分子自身特性的调制， 属于内调制( i n t e m a lm o d u l a t i o n ) 的光谱技术，可以在很大程度上抑制来自光源的 8 第二章等离子体喷束放电实验 幅度涨落噪声。在放电过程中，瞬态分子的浓度也会受到调制，浓度调制的频率是 放电频率的2 倍。如果在锁相放大器上采用2 倍的放电频率作参考信号( 称为2 f 检测) ，就构成了浓度调制光谱技术( c m s ) 。它仍然是一种内调制光谱技术，具有 很高的灵敏度，可以用于对瞬态分子光谱的测量。其基本原理为： 在浓度调制光谱技术中，交流辉光放电电流为【3 e 3 7 j f = f 。s i n ( 研) ( 2 1 ) 如果瞬态分子的寿命很短，在特定跃迁能级上的浓度完全跟随放电电流的变化， 因此可以表示为 ( r ) = 0 + “l s i n ( 耐) l “ ，。陋n ( 耐) l ( 2 2 ) 其中。为特定能级上本底粒子数，刖为浓度变化的最大幅值。在分子的激发 态上( 包括振动激发态) ，n * o 可以是很好的近似。从上式可见，对于周期为 ，= 2 万，的正弦调制辉光放电，其离子数密度以准2 f 为周期变化。因而，采用 2 f 检相时，就能检测到被调制瞬态分子的浓度调制光谱。 在本实验中，尽管采用正弦波交流放电，但是我们发现在我们特殊的放电条 件下，气体放电并不是连续进行，而是仅在每个放电周期的某一时刻发生放电。 交流放电产生的离子分子浓度是在每个放电周期发生一次浓度的突然变化，即浓 度变化频率和放电频率一致，因此锁相放大器采用1 肥0 z ) 参考信号进行解调 来获得浓度调制光谱。 2 3 实验结果 通常在浓度调制光谱中瞬态分子浓度被认为与放电电流的绝对值成正比，因 而浓度的调制频率是放电频率的二倍，其光谱信号只包含有放电频率的偶次谐 波，锁相放大器采用2 f 解调时可以获得光谱信号，而在1 f 解调时没有光谱信号。 本实验采用2 0 融 z 正弦交流放电，但可观测到的气体放电并非是连续的，而是 类似脉冲放电形式，其脉宽大致为0 2 “s ，只有在每个周期的负半周，腔内的气 体才会在某个瞬间放电发出荧光。对信号进行傅立叶分析后发现，这个光脉冲信 号不仅包含放电频率的基波成分，而且包含丰富的奇次和偶次成分。因此，在采 用锁相放大器检测时，1 f 和2 f 解调均可以观测到浓度调制光谱信号，所获得的 光谱结构一样。可以从监测放电电流的示波器上观测到，在正弦波电流波形上叠 加一个尖锐的小峰，如图2 4 ( b ) 中上方的曲线，这个小峰会随着所旌加的放电 电压和放电电流的大小改变而改变，但这个改变并不和放电电流的变化成正比。 图中下方的曲线是光电倍增管的输出监测信号，负峰表明所探测到信号。可以看 9 第二章等嬲子体喷柬放电实验 到，光电倍增管探测到光信母的时刻和放电电流产生小峰的时刻是一一对应的， 两和憋体的电流变化没有直接的关系。当降低放电电难，童到波形上的小蜂消失 时，尽管有放电电流，但腔内气体喷柬则不会放电发射辉光，如图2 - 4 ( a ) 。在 我们的实验中，采用蒋离子体喷束放电，瞬态分子的生成浓度是脉冲澎式，因此 放电辉光信鸯也是脉冲形式。即在每个放电周期中，产生一个辉光脉冲信号n ( a ) 未形成放电时的放电电流波形( 上) 和光电倍增管信号监测波形( 下) ( b ) 放电澎成后静敖趣毫澈波形( 上) 和光电嵇增管僖譬检测渡形( 下) 墅2 - 4 涿波器梭测波形 实验中发现放电分为两个区域，一个是喷嘴前玻璃毛细管中放电，是通过筒 1 0 第二章等离子体喷束放电实验 状电极和腔体上端盖之间放电，类似于介质阻挡放电，颜色为紫色，其光谱如图 2 5 所示，每个峰代表一个振转谱带；另一个是经过喷嘴后所产生的喷束放电， 即经过筒状电极后在腔体中所形成较亮的喷束放电，颜色为桔黄色，其荧光光谱 如图2 6 所示。这两部分的光谱结构有很大的区别，表明它们的放电过程和产物 组份有所不同。 通过对光谱数据进行分析后发现，玻璃管中探测到的光谱中主要是：分子 的第二正带系跃迁，即c 3 石。一丑3 厅，跃迁的振动带，而离子分子；的 b 2 罗：一x 2 罗：跃迁的振动带非常微弱，只观察到较弱的在3 9 1 4 4 眦附近的 ( 0 ，0 ) 振动带。这是因为毛细管中气压为p = 2 0 0 p a ，其分子自由程约为例： 2 5 1 0 1 硎，碰撞几率非常高，所生成的；很容易碰撞复合，因此其离子分子 光谱信号较弱。 而在喷嘴下方的喷束中主要是离子分子；的第一负带系丑2 ：一x 2 ； 跃迁的振动带和相对较弱的：c 3 n 。一b 3 。第二正带系跃迁的振动带。这是由 于喷束经喷嘴处的绝热膨胀使分子间的碰撞几率大大减小，同时气压很低，电子 的平均自由程相对较长，在电场中获得的能量大大增加，从而和分子碰撞后能使 分子跃迁到更高的激发能级甚至电离。 3 8 04 0 04 2 04 4 04 6 0 w a v e l e n g h ( n m ) 图2 5 玻璃管中探测到的发射光谱 啪 垂； 啪 善| 咖 喜| 。 3 2 2 1 ， 奎c磐ui a一苛la芷 第二章等离子体喷柬放电实验 2 5 0 0 5 0 0 0 3 5 04 0 0 4 5 0 w a v e i e n g h n m 图2 。6 喷束中探测到的发射光谱 5 0 0 1 2 吾 俘 佃 象罂霉点蓬觑啦蒎 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 气体放嗽是生成等离子体的一謦申重要形式，本文瓣气体分子进行连续的交流 放电，放电产生的瞬态分子的浓度会随交流电压幅度的变化丽变化，而其光谱强 度也隧之变化，经过探测器撵测以及经过锁棚放大爨对信号进行解调，即可获得 瞬态分子的浓度调制光谱。邋常正弦波交流放电产生晌被测瞬态分子的浓度变化 被认为仍是正弦波，采用2 f 签相克检测到僚号。而本文在嶷验中发现瞬态分子 浓度嶷忧并不是正弦波，而怒脉冲形式，而锁相放大器使用l f 和2 f 罄相都能得 到检测信号，通过对光电倍增管探测到的调制信号进行频谱分析，发现调制傧号 在基波频率纂础上还其有丰密的奇次狃偶次成分。 3 1 气体放电基本理论 1 气体放电的分类 气体敦奄是获缮等离子体赘主蘩途径，气体藏激主要分炎下嚣冗类： 无声放电( 或称晤放电) ：电流密度小，没有空间电荷引起的电场畸变，产 生静羧毫较弱，瑟量不发光。 辉光放电：外加电压超j 建气体的着火电骶，限流电阻较大的情况下产生的放 窀，特点是爨毒骥燕豹辉竞。壤毫嚣较裹，旅毫毫滤小。 弧光放电：如果限流电黻较小，电源功率足够大，提高电流密度后可产艇弧 光敖电，其黪点是壤瞧珏低，菝惫彀滚太，嚣跨发澎较大翁热量。 电晕放电；在放电的两个电极中歪少有一个电极曲率半径很小，外加电阻较 大，瞧压较怒，气嚣瞧较毫，窍可能产生邀晕放毫。 火花放电；气体压强较黼，电场较均匀，而电源功率不够大的时候，有可能 产生火花放魄，其特点是形成明亮的火花，火兹又分叉。这是秘不稳定熬放瞧， 放电后立即熄灭，然后再产缴下一次放电。 离频放魄：在稀薄气体巾施加巍频电压时会形成裹频数点，其特点是着火电 压比虞流放电时的低，放电过程同阴极表面特征无关。 元极放电；电极表面覆藏奔质艨，施加低频或高频信号时可产袅无极放电， 其特点是电极不暴嚣在已电离的气体中，敌电极溅射不严重。 2 。电子崩 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 一个电子从阴极飞向阳极时，假如电场足够强，那么它在路经上将引起碰撞 电离。和气体原子第一次碰撞引起电离之后，就多了一个自由电子。这两个电子 飞向阳极时，又由于碰撞引起电离，每一个原来的电子又多产生一个自由电子， 于是第二次碰撞之后，就变成了4 个自由电子。这4 个电子又可以和气体原子进 行碰撞电离，产生更多的电子。所以一个电子从阴极飞向阳极时，由于碰撞电离， 电子数将“雪崩”似地增加，这种现象称为“电子崩”。因为电离后的气体中， 粒子的迁移速度比电子的小许多，因此电予向前运动时，那些正粒子将仍留在原 地。 研究气体放电时，要知道经过x 距离之后，电子数会增加多少个。现在假设， 由阴极发射出i l o 个电子。并以n 表示距离阴极x 处的电子数，于是，经过d x 路 程之后，电子数将由于碰撞电离而增加血个， 砌= 蝴凼( 3 1 ) 口是电子的碰撞电离系数，即电子在单位长度上电离原子的次数，亦即产生新的 自由电子数。积分之后，得 l n 旦：r 础 ( 3 2 ) 玎0 国 均匀电场的情形下，口和x 无关。于是 n = n o e 西 ( 3 3 ) 两边都乘电子电荷e ，得电流密度 f = 扣“ ( 3 4 ) 改变阳极的位置，亦即改变极间距离，可以测的不同的电流值，进而求得口值。 在低气压时，电子崩不从阴极附近开始，因为电子动能还不足以电离原子，经过 距离占之后才开始电离。电子在这段距离获得的动能等于原子的电离能 e e 占= e u ( 3 5 ) 或 ， 艿= 生( 3 6 ) e 在强电场的情形，占可忽略不计；低场强或低气压下，这值才显著。考虑到占的 影响，公式( 3 4 ) 变成 f = j n 口。( “ ( 3 7 ) 想决定电流“的值，只要在两个不同极间距离下测量电流，就可以求得它。电场 及气压不变，或e ，p 不变，这样的口值是常数。利用公式( 3 4 ) ，两个不同距离 的电流分别为 = f 0 p 嘲 1 4 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 f 2 = f 0 p 倒2 于是口值为 口：土l i l 立：上l n 蔓 西南d z毛 换算之后，能得到初始电流f n h f o = 皆 ( 3 8 ) 电流f 0 可以是光照射阴极而产生的电流。虽然用热离子源也能得到f 0 ，但是因为 它的电子密度不均匀而不被采用。现在估计一下电子崩的电子数增长情况。当五 p 在中等值的范围，即小于1 0 0 ( v ，c m 怕r r ) ，口，p 大约为l o 。1 次( 电离，c mt o r r ) 。 大气中，两个平板电极之间距离为1 ( 衄) ，耐= 1 0 。1 7 6 0 0 1 = 7 6 ，p 耐= 2 1 0 3 电子。一个电子由阴极出发，在阳极将得到2 0 0 0 个电子。不但在均匀电场中， 而且在不均匀电场中也能发展电子崩。但是这里必须知道e = ，( x ) 的函数，因为 口p 值对于五p 的微小变化都是很敏感的。 3 流注( 流光) 理论 电子崩发展到一定程度，它的场强可以和原始电场相比时，就产生不稳定性， 导致流注的形成。 若放电空间初始电子出现在任意点，如阳极附近，则在阳极空间首先形成电 子崩，同时在电子崩中辐射出大量的光电子，当主电子崩头部的电子接触阳极时， 由于离子运动速度较慢，在它还没有来得及离开原来的空间时，阳极前便积累了 大量的正离子电荷，导致空间电场畸变，使靠近阴极空间的电场增强。在强电场 作用下，光电子产生次电子崩，次电子崩头部的电子进入主电子崩正空间电荷之 间，使流注向阴极方向扩展。由于次电子崩的不断汇入，流注迅速扩展到阴极， 这种流注称为正流注。而由阴极向阳极扩展的流注称为负流注。 在高气压下，当电极空间有足够高的外加电场时，放电空间某一初始电子， 在电场作用下获得一定能量，碰撞气体原子而使之电离，并形成电子雪崩。若电 子碰撞电离系数为口，电子在电场方向走x 距离时，因碰撞电离而产生个电 子，在强电场高气压条件下，口系数足够大，空间电离数的增长是非常迅速的， 在很短的距离内就产生大景的带电粒子。电离过程电子与正离子是同时产生的， 由于电子的漂移速度远大于离子的漂移速度，通常可高出两个数量级，所以在极 短的时间内，电子崩中产生的电子很快地跑在雪崩前面，而正离子相对由于电子 来说好像是固定不动的，这样形成不均匀的空间电荷分布。雪崩的最前面集中了 电子云，而后面是离子空间电荷，离子分布也是不均匀的。 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 可见电子崩中带电粒子浓度分布是很不均匀的，电子崩头部的带电粒子浓度 最密集。空间电荷分布的不均匀，引起空间电场很大的畸变，显然最大畸变发生 在电子崩头部。假设空间电荷形成的电场为e ，外界作用的电场为e ，令 e ，= 衄，则放电空间轴向最大电场为 五i 。= ( 1 + k ) e ( 3 9 ) 式中足是常数，当k = o 1 1 的范围时，由于雪崩头部的强电离过程，电子雪崩 转变为流注。式( 3 9 ) 成为形成流光的判别式。也就是说，当空间电荷建立的 电场e ，与外电场五可比拟时，空间就形成强烈的电离过程，于是产生了流注。 3 2 放电电流中尖峰产生的物理过程研究 1 电流尖峰的形成 实验中由于采用交流放电，电极通过玻璃管与外壳发生介质阻挡放电，此时 可等效为一个平行板电容【3 9 】，因而当喷束中气体未击穿时，示波器上观测到的 电流为电容的充放电电流，如图2 _ 4 ( a ) 所示。当气体击穿形成放电后，介质阻 挡放电现象仍然存在，总电流由两部分组成，即介质阻挡放电电流和喷束的放电 电流。由于喷束的放电在每个周期的负半周产生且为脉冲形式，因此叠加在正弦 波形负半周上的尖峰即为气体放电电流。对比图2 4 ( b ) 中示波器上监测的放电 电流信号和光电倍增管输出信号可发现，二者脉冲的个数与形状一一对应，叠加 在负半周上的电流尖峰是喷束的流注放电产生的 一流向阳极( 接地极) 而形成 的。 当喷束电极接低电位时，此时为阴极，根据气体放电的流注( 流光) 理论， 当施加在电极上电压达到空气电离场强时，喷束电极旁的电子得到加速，并从电 场中获取能量。通过与周围的原子分子碰撞，把自身的能量转移给它们，使它们 激发电离，引起电子雪崩。电子雪崩沿着电力线进展，当电予雪崩到达阳极( 此 为接地电极，即腔体) ，电子进入腔体电极，余下的正离子的空间电荷电场补充 了外界的作用电场，使喷束电极附近电场益发增强，伴随放电的进展，氮离子或 激发态辐射的紫外成分导致电极和氮分子释放的光电子会引发大量的电子雪崩 【3 7 邓】，光电子由电场加速，引发新一轮电子雪崩。由于氮分之喷束在垂直轴线上 浓度大，碰撞几率大，且电子的漂移速度大，因而在喷束电极轴线上留下浓度很 大的氮分予和离予的激发态，从而形成很强亮的紫色的光柱。由于本实验中喷束 的速度较大，氮离子分子在惯性作用下冲向腔体的真空抽气口从而形成正电流小 峰，其宽度大约为o 2 岬。当施加的放电电压的峰峰值低于9 6 0 0 v 时，则不会发生 流光，这与本实验的结果一致，表明放电的形成存在着电压阙值。 第三章交流连续放电浓度调制光谱的特性研究 而当喷束电极接高电位时，此时为阳极，腔体接地，为低电位，此时为阴极， 由于腔体面积大，表面电子密度小，不易放电，且靠近腔体的气体密度较小，即 使电子获得能量，与氮分子碰撞的几率也很小，很难发生上述电子崩，因此，正 半周放电很微弱，不存在电流尖峰。 2 特殊放电情况下的浓度调制光谱特性 在浓度调制光谱中瞬态分予浓度通常被认为与放电电流的绝对值成正比，因 而浓度的调制频率是放电频率的二倍，其光谱信号只包含有放电频率的偶次谐 波，锁相放大器采用2 f 解调时可以获得光谱信号，而在1 f 解调时没有光谱信号 【3 6 ，3 7 1 。而在我们的实验中，采用等离予体喷束放电，瞬态分子的生成浓度是脉冲 形式，因此放电辉光信号也是脉冲形式，即在每个放电的负半周期中，产生一个 辉光脉冲信号，其脉宽大致为o 2 邮。我们把单色仪固定在3 9 1 4 n m 的波长上， 对应于 一离子分子的光谱线。此时放电频率为2 0 k h z ，示波器上的波形如图2 4 ( b ) ，下方的为光电倍增管输出信号，也就是等离子体发出的光信号，对其做傅 立叶分析，如图3 1 ，发现这个光脉冲信号不仅包含放电频率的基波成分，而且 包含丰富的奇次和偶次成分。因此，在采用锁相放大器检测时，1 f 和2 f 解调均 可以观