（光学专业论文）不同参数下流光、辉光放电发射光谱特性研究.pdf

河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密d ，在圣翌2 q 年月卫日解密后适用本授权声明 2 、不保密口 ( 请在以上相应方格内打搿 ，一) ( ， 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为 论文，是我个人在导师垄丽静 沙厨蛾耋钵蝴的学位 嫦蛳 一 指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任 声明人： ：。查主查日期：2 塑置年厶月卫日 作者签名： 导师签名： 童j ：i 榜 日期：二翌苎曼年| _ 尘月工日 日期：坌丝年五月上日 摘要 摘要 本工作采用双水电极介质阻挡放电装置，在交流气体放电中观察到了不同类型的放 电模式：流光模式、斑图模式和辉光模式。采用光谱方法，对各种放电模式特性进行了 研究。 首先研究了在低气压条件下，氮气氩气、空气氩气介质阻挡放电中等离子体发射 谱线随混合气体体积含量比和实验条件的变化。实验结果表明：潘宁激发对氮c 3 n 。态 的粒子布居数影响很大，对3 9 1 4 r i m ( 1 8 7 e v ) 发射谱线强度影响很小。n z 这种具有高 振动态的双原子分子，对a r 原子发射谱线具有选择性淬灭作用。并且当氩原子的激发 电位越接近氮分子的激发电位时，这种淬灭作用越强。 实验还研究了大气压条件下，氮气氩气、空气氩气混合气体放电中，不同类型斑 图的振动温度。实验发现：斑图模式不同，振动温度范围不同。在同一种斑图模式下， 一振动温度随氮气体积含量的变化成线性趋势。另外，在混有2 空气的大气压氩气放电i 一 实验中，观察到了稳定的六边形斑图。实验发现六边形单个通道内的电子激发温度、a r i6 9 6 5 4 n m 谱线的宽度以及从中分离出来的s t a r k 展宽俨都随驱动电压的升高而变 宽，这说明了六边形单个通道内的电子能量随驱动电压的升高增加。 最后研究了气压为0 0 5 - - 1 0 a t m 空气介质阻挡放电中类辉光向流光转变时电子能 量的变化特性。实验发现类辉光放电模式中电子能量比流光放电模式中电子能量高很 多；另外。实验在低气压氩气( 氩气体积含量为9 9 9 ) 和空气混合气体中实现了辉 光放电，发现在辉光放电区域内，氮分子( c 3 n 口) 的振动温度几乎不随位置改变而发 生变化这说明了在产生的整个等离子体区域内，分子激发过程比较均匀；另外，实验 也测量了不同气压下的辉光放电特性。实验结果表明：气压越低，辉光放电模式越均匀， 分子振动温度和电子激发温度都越高这些结果说明了气压越低，电子能量越大 本工作获得的研究成果及其规律，对不同模式交流气体放电特性研究具有重要参考 价值 关键词介质阻挡放电；光谱；流光；斑图；辉光 a b s t r a c t a b s t r a c t v a r i o u sd i s c h a r g em o d e s ，s u c h 鹪s t r e a m e r , p a t t e r n s ，a n dg l o wd i s c h a r g e 。h a v eb e e n 。b s e r v e di n “v 钮g 弱d i s c h a r g eb y 啦i n sad i e i e 嘶cb 枷e rd i s c h a r g ed e v i m s e d i f f e r e n td i s c h a r g em o d e sh a v eb e e nm e a s u r e db ye m i s s i o ns p e c t r a lm e t h o d a tf i r s t t h ee m i s s i o ns p e c t r al i n e so f n i t r o g e n a r g o n , a i r a r g o np l a s m ai nd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g ea tl o wp r e s s u r ea saf u n c t i o no fm i x i n gr a t i o sa n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tt h ep e n n i n ge x c i t a t i o nh a sag r e a te f f e c to nn 2fn u ) r a d i a t i v es t a t ep o p u l a t i o n s ，b u ti td o e sn o tp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es p e c t r u mi n t e n s i t yo f 3 9 1 a n m i ti sa l s of o u n dt h a tt h eh i g h e rl e v e ho fn 2m o l e c u l e sh a v eq u e n c h i n gs e l e c t i v i t y f o ra r ( 2 p ls ) s p e c t r a ll i n e s t h eq u e n c h i n ge f f e c tb e c o m e ss t r o n g e rw h e nt h ea r g o na t o m s e x c i t e ds t a t e sc l o s et ot h en i 臼o g e nm o l e c u l e se x c i t e ds t a t e s 豳c t 嘶h e n , st h 砒e ：= 二= ；忠二：篡= 竺 c h a n g e sw i t ht h ep a r e r n s t h ev i b r a t i o nt e m p e r a t u r ec h a n g e sl i n e a r l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n o fn 2i nm es a m ep a t t e r n i na d d i t i o n , t h es t a b l eh e x a g o np a t t e r n sw e r eo b s e r v e di nd i s c h a r g e i ng a sm i x t u r eo f a i r ( 2 ) a n da r g o n a ta t m o s p h e r i cp r e s s u r e ri sf o u n dt h a tt h ev a r i a t i o no f t h ee l e c t r o ne x c i t e dt e m p e r a t u r eo ft h es i n g l em i c r o 碰s c l m r g ec h a n n e li nh e x a g o np a t t e r n s ， t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u mo fa ri6 9 6 5 4 n m ( 2 p 2 一ls 5 ) s p e c t r a ll i n ea n dt h es t a r k b r o a d e n i n g 酞 a l li n c r e a w i t ht h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s i n g i ti n d i c a t e st h a tt h e e l e c t r o ne n e r g yo f 也cs i n g l em i c r o - d i s c l m r g ec h a n n e li nh e x a g o np a t t e r n si n c r e a s e sw i t ht h e a p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s i n g f 砌1 y ，也ee l e 咖n 锨唧i n 也e 仃螂1 t i o n 胁n 蝴d i s c 姆t 0g l o w o l 龇 d i s c h a r g ei nd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ei na i ri si n v e s t i g a t e db yu s i n ge m i s s i o ns p e c t r u ma t t h ep r e s s u r eo f0 0 5 1 0a r m ri sf o u n dt h a tt h ee l e c t r o ne n e r g yi ng l o w - l i k ed i s c h a r g ei s h i g h e rt h a nt h a ti nt h es t r e a m e rd i s c h a r g e i na d d i t i o n , t h eg l o wd i s c h a r g ec a nb ef o r m e di n 心( 9 9 9 ) a i rp l a s m aa tl o wp r e s s u r e i ti sf o u n d t h a tt h ev i b r a t i o nt 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 e ( c 3 r i u ) a l m o s td o e sn o tc h a n g ew i t ht h ep o s i t i o ni ng l o wd i s c h a r g er e g i o n s t h e l l i g l lu n i f o r m i t yo fv i b r a t i o nt e m p e r a t u r es u g g e s t st h a tt h em o l e c u l a re x c i t a t i o np r o c e s s a b s t r a c t o c c u r su n i f o r m l yo v e rt h ew h o l ep l a s m aa r e a f u r t h e r m o r e ，t h ec h a r a c t e r so fg l o wd i s c h a r g e a r ea l la l s om e a s u r e da td i f f e r e n tp r e s s u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h ep r e s s u r eb e c o m e s l o w e r , t h eg l o wd i s c h a r g eb e c o m e sm o r eu n i f o r m , a n dt h ev i b r a t i o na n de l e c t r o ne x c i t e d t e m p e r a t u r eb e c o m eh i g h e r ra l s oi n d i c a t e st h a te l e c t r o ne n e r g yi sh i g h e ri n t h el o w e r p r e s s u r e t h e s er e s u l t sa r eu s e f u lf o rt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e ro fd i f f e r e n tm o d e so fa c - d r i v e ng a s d i s c h a r g e k e yw o r d sd i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g e ；s p e c t r u m ；s t r e a m e rd i s c h a r g e ；p a t t e r n ；g l o w d i s c h a r g e i i i 目录 目录 第1 章引言l 第2 章实验装置和实验方法：5 2 1 实验装置5 2 2 分子振动温度诊断的方法、原理6 2 3 电子激发温度诊断的方法、原理7 第3 章低气压流光放电等离子体发射光谱诊断j 9 3 1 低气压混合气体放电中氮分子和氮分子离子发射谱线测量9 3 2 低气压混合气体放电中氩原子发射谱线测量1 2 第4 章大气压下不同斑图模式放电等离子体参量测量1 5 4 1 混合气体放电中不同斑图模式的振动温度测量1 5 - 4 2 六边形斑图放电等离子体参量的光谱诊断1 9 一 第5 章辉光放电等离子体发射光谱特性研究2 6 5 1 空气介质阻挡放电中流光转化为放电模式时的光电特性研究。2 6 5 2 较高频率( 5 0 k h z ) 下的介质阻挡辉光放电特性研究2 9 5 3 较低频率( 2 6 1 d - l z ) 下的介质阻挡辉光放电特性研究。3 l 第6 章结束语3 5 参考文献3 7 附录：攻读硕士学位期间发表论文目录4 l s c 谢4 2 第1 章引言 第1 章引言 介质阻挡放电( d b d ) 是有绝缘介质插入放电空间的一种放电系统，介质可以覆盖 单个或全部的电极，也可以悬挂在放电空间中。其通常的结构如图1 一l 所示：图l 一1 ( a ) 是很实用的放电构型，它常用来制造臭氧发生器。其特点是结构简单，而且可以 通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图l 一1 0 ) 可以在介质两边同时生成两种成分 不同的等离子体。图1 1 ( c ) 的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子 体直接与金属电极接触。对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种结构具有独特的 优点。在电极间插入介质可以防止放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通 常大气压强下的稳定的气体放电。所用的介质材料包括玻璃、石英、陶瓷等材料。由于 介质的存在，这种放电系统需要运行在交流电压下。也正是介质的存在，可以限制电流 的增长，使放电不至于形成火花放电或是电弧放电，使所产生的等离子体保持为低温非 平衡等离子体。介质阻挡放电的气体间距一般只有几毫米，所施加的电压一般在l o k v 左右，驱动电压的频率在5 0 0 h z 到5 0 0 k h z 之间。 高压 交流 电源 ( a ) 层 图i - - 1 介质阻挡放电装置的典型结构 ( c ) 依据放电气体的种类、介质的属性以及驱动电压的幅值与频率，介质阻挡放电可以 呈现三种不同的放电模式：丝状放电模式、斑图放电n 1 与均匀放电。 在绝大多数条件下，介质阻挡放电呈现出丝状放电模式，即放电空间中出现大量的 存在时间只有几十纳秒的放电细丝，一般称之为微放电通道。早在1 9 3 2 年，电气工程 师b u s s 就曾经发现在介质放电系统的空间间隙中产生大量狭窄明亮的放电细丝甜。现 河北大学理学硕十学位论文 在人们对于微放电通道的形成与演化主要是基于r a e t h e r 、l o e b 及m e e k 等人提出的流 光理论。当驱动电压超过一定的阈值，在气体间隙内将引起电子雪崩，当电子雪崩发展 到一定程度( 达到m e e k 判据) 则会形成流光。在几个或几十个纳秒内流光将横跨整个 放电间隙，从而形成一条由弱电离等离子体形成的放电通道。但是由于微放电通道存在 的时间短、电流密度高，而且出现的位置近似为随机的方式，所以目前对丝状放电的时 空动力学研究还很少。如何获得稳定的丝状放电并对它进行测量成了令人关注的问题。 气体放电中的斑图现象，是气体放电系统作为远离平衡的耗散结构所呈现的一种典 型的非线性现象。丝状放电在一些特定的条件下，可以自组织成斑图放电模式。对放电 斑图现象的深入研究，不仅可以深化对非平衡等离子体输运的认识，而且将对一般的斑 图动力学理论起到推动作用。介质阻挡放电中的斑图现象与其它放电系统( 例如热对流 系统、化学反应扩散系统等) 相比具有明显的优势：( 1 ) 介质阻挡放电系统为斑图动力 学提供了一个很好的可视化研究系统。( 2 ) 介质阻挡放电中形成稳定的斑图与其它斑图 系统相比所需要的时间非常短，大约只需要几分钟甚至几秒钟，而其它系统如化学反应 系统可能需要几小时甚至几天的时间。( 3 ) 构成气体放电斑图的放电通道，可以被单独 测量乃至理论分析。( 4 ) 影响斑图形成的外加参数，如驱动电压的幅值、频率等都可以 方便的进行调节。而且，斑图还具有潜在的应用价值。 在大气压下的介质阻挡放电中，均匀放电是人们最为关注的放电模式。因为丝状放 电产生的非均匀等离子体必然导致对材料的处理也是非均匀的，并且有可能损伤材料表 面，因此许多工业应用如对薄膜、纺织品以及纤维等材料进行处理的时候对等离子体的 均匀性往往具有特殊的要求。早在1 9 6 8 年，就有人曾在介质阻挡放电系统中发现了类 似与低气压中的辉光放电特性的放电现象，特别是在1 9 8 8 年日本s o p h i a 大学的研究人 员k o g o m a 等人，报道了一种在惰性气体中可以稳定存在大气压下的辉光放电现象口1 ， 并称之为大气压辉光放电。法国的m a s s i n e s 等人同样在实验上得到了这种放电，测量 了其放电特性，并结合理论模型对这种放电进行了深入的研究h 吲。美国t e n n e s s e e 大 学的r o t h 等人同样对大气压辉光放电进行了深入的研究，并发展了许多具体应用砸1 。 目前，已经在氦气h 1 、氩气啪、氖气嘲及氮气嘲中实现了大气压下的均匀放电。 现在d b d 已被广泛地应用于臭氧合成n 射、表面处理n 加、聚合物表面改性、等离子 体化学气相沉积n h 胡、c 0 2 激光器n 引、污染物控制n 7 删、大功率准分子紫外及真空紫外光 2 薄 等离子体对不同生物细胞呈现选择性影响，正在被研究以应用于灭菌和杀毒汹伽。 也就是说，d b d 的一个研究前沿方向是其在工业上的应用。介质阻挡放电的另一个研究 前沿方向是斑图动力学，人们期望搞清控制自组织行为的原理，将其应用在未来的信息 处理、材料的局域性生长等方面。对d b d 放电斑图动力学进行深入的研究，将推动斑图 动力学的发展及放电斑图的应用。因此d b d 已经成为国内外低温等离子体研究领域中的 一个重要课题。 为了能够有效地控制放电参数，提高所需反应产物的产额和转换效率，需要对d b d 的放电特性、特别是放电过程中的等离子体参数进行研究。等离子体参数诸如分子振动 温度、电子温度等对于研究等离子体内部的激发、离化机制、能量的消耗过程以及对于 d b d 等离子体模型的建立都极其重要。对于等离子体中的参数如电子温度，其传统的研 究方法是探针法( 包括静电探针和磁探针) 、微波法和汤姆逊散射法；但是由于它们都 是一种干扰测量法，因此给实验带来很大的不确定性。又因为原子和分子的谱线的线型 和相对强度是大量物理条件的信息源，所以通过光谱的方法可以研究介质阻挡放电中的 一些重要参量。如电子激发温度、分子振动温度等。光谱对于研究介质阻挡放电动力学 有很大的优势：( 1 ) 光谱法是一种非干扰的测量方法。由于它直接从放电体本身所发的 光来研究，既准确又不造成系统的内部动力学机制的变化。( 2 ) 由于我们的放电本身是 发光的，因而可以用光谱来诊断。通过谱线的相对强度可以诊断等离子体的振动温度、 电子激发温度。( 3 ) 可以研究不同条件下的光谱。影响斑图模式的控制参数( 如外加电 压、放电气隙宽度、气体成份等) 可以方便地调节而不影响光谱的诊断。因此，研究介 质阻挡放电光谱，对于弄清介质阻挡放电的动力学机制具有无可比拟的优越性。 近几年国外在介质阻挡放电发射光谱方面的研究主要有：2 0 0 4 年韩国s ey o u nm o o n 0 等小组利用光谱方法研究了大气压下辉光等离子体的均匀性嗌1 ；2 0 0 5 年美国的n m a s o u d 小组测量了圆柱形介质阻挡放电中的分子振动温度随功率和气压的变化规律汹1 ；2 0 0 6 年 j a ih y u kc h o i 等人在低气压空气介质阻挡放电中实现了辉光放电向流光放电模式的转 化，并研究了光谱强度随气压的变化规律1 ；2 0 0 7 年巴基斯坦a q a y y u m 等小组研究了 氮氩混合气体中氮分子和离子谱线和电子激发温度随实验条件的变化情况啪1 。 近几年国内对介质阻挡放电的光谱研究有：2 0 0 2 年大连理工研究小组研究了氩激发 河北大学理学硕十学位论文 诱导光谱氩谱线随外界条件的变化规律例；2 0 0 4 年东华大学物理系唐晓亮等实验组分析 了常压等离子体放电电流与放电间隙的变化关系，提出了“放电临界间隙 的概念，记录 和比较了空气和氩气常压介质阻挡放电等离子体发射光谱：本研究小组采用水电极介 质阻挡放电装置，采用光谱方法测量了大气压氩气介质阻挡放电微放电通道中的电子温 度的时间演化瞌。氩气和空气混合气体放电中，氮分子( c 3 n 。) 的振动温度及其随空气 体积含量的变化关系恤1 等。 本课题研究的目的是采用电学方法和发射光谱方法，对介质阻挡放电中各种放电模 式下的等离子体电学特性和发射光谱特性进行分析、诊断等离子体参数的变化规律，为 进一步的理论和实验研究提供依据。 4 实验装置如图2 1 所示。两个装满水的圆柱形容器，与高压交流电源两极相连的金 属环浸入水中。容器两端用厚度为1 5 m m 的玻璃片封住，作为电介质。整个电极放入密 闭的反应室中。高压探头( t e k t r o n i xp 6 0 1 5 a ，1 0 0 0 x ) 用来测外加电压，光电倍增管 ( r c a 7 2 6 5 ) 用来测量介质阻挡放电光学发射信号，用数字示波器( t e k t r o n i xt d s3 0 5 4 ， 5 0 0m l l z ) 采集电信号和光信号。气体放电发出的光经光纤导入光谱仪( 型号：a c t o n s p - 2 7 5 8 ，c c d ：1 3 4 0 4 0 0p i x e l s ) ，计算机控制采集光谱。照片由数码相机( c a n o n p o w e r s h o tg 1 ：1 0 2 4x7 6 8p i x e l s ) 获得。 光 图2 一l 实验装置示意图 x 本实验装置摒弃了传统的导电玻璃( 有i t o 涂层的玻璃) 和半导体电极以及金属 电极，采用水作为放电电极，玻璃兼作电介质层，大大方便了对放电斑图进行观察和采 集以及其时空特性的测量。由于水的热容量很大，即使电极长时间的工作，也不会使放 电体系的温度过高，这样容易得到稳定的斑图。再者，水是一种透明性液体，在很大光 谱范围内对光吸收很小，因此可对放电发光的时空特性进行高分辨率的端面无干扰的光 谱诊断测量。同时，在真空室的侧端开有一石英窗，因此可以通过此石英窗对介质阻挡 放电进行侧端的光谱诊断。 5 k 河北大学理学硕十学位论文 2 2 分子振动温度诊断的方法、原理 一般来说，n ：作为双原子分子，其n z ( c 3 i i 。一b 3 i i 。) 的各带序谱线强度之间遵守 f r a n k - - c o n d o n 原理。从善号芘n v ，得到一个带系的各个强度的( 振动的) 总和定则。 若把发射强度除以y 4 所得的商称为带强度( 线强度相似) ，则这个总和定则可以表述 如下：较高态或较低态相同的所有谱带的带强度之和，分别与较高态或较低态中的分子 数成正比。 在发射光谱中，若有必要的话，在总和定则中所用的各个强度都必须对自吸收现象 加以修正。从以上的推导很容易看出，只有当所有对这一和数有显著贡献的振动跃迁的 电子跃迁矩r e 为常数时，这个总和定则才能成立。 这个方法的缺点是必须测量所用前进带组的所有各带的强度。仅在此带系的激发是 纯热激发时这个方法才能给出可靠的结果。但即使在非热激发的情形下，在上述的作图 也常常会得到一条直线，并且从这条直线的斜率至少可以求出有效“振动一温度。若无 法测得充分多的谱带的强度，则只要能够算出测得的各带的交叠积分，就仍旧可以定出 振动温度。 在非热激发( 例如电子碰撞所引起的激发) 的情形中，仍然存在下述关系：v 前进 带组中各个带强度之和或各个带强度除以相应的交叠积分的平方所得的商数，正比于处 于在较高态的振动能级上的分子数。这样，就有可能研究各个较高态的振动能级的相对 激发几率。 理论上，双原子分子带系发射光谱中的谱带强度公式嘲： l e e = h e v v , v , “虬 ( 1 ) 1 ，v - 分别为上下态振动量子数，j i i 为普朗克常数，c 为光速，“为跃迁几率，以为上 态的分子数。 分子振动能级振动能量为： 目= 吱( v ，+ 圭) 一哆t ( y + 三) 2 + 哆只( y + 匀3 + ( 2 ) 对氮分子而言，振动常数吐= 2 0 3 5 1 c m 一，彩。= 1 7 0 8 c m 3 3 3 4 ，第三项及后面的项 第2 苹实验装霄和实验方法 可忽略不计川。 在局部热平衡条件下，上态的分子数分布满足玻耳兹曼分布，即： m = n o p 剖螺 ( 3 ) 由方程式( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 可以得到： 岫= g 一老 q ) 其中b = ，山4 ，) ，c o 为常数。从上式看出，l n b 1 1 1 ie ，线性变化，其负斜率即为 振动温度的倒数，由此就可得到氮分子的振动温度瓦。为了减小拟合误差，本工作采用 两组振动序带：a v = - 2 ( 0 - 2 ，1 - 3 ，2 - 4 ) 和a v = 一3 ( 0 - 3 ，1 - 4 ，2 - 5 ) 计算振动温度。 计算所需参数如表2 - 1 所示。当此带系的激发是在纯热激发时，这个方法才能给出可靠 的结果。但即使在非热激发的情形下，根据相应的公式作图也常常会得到一条直线，并 且从这条直线的斜率至少可以求出有效“振动”温度口在我们的实验中，电子碰撞引 起的激发属于非热激发的情况。因此，我们得到n 。( c 3 n 。) 振动温度属于是“有效 振动温度。 表2 - 1 计算氮分子( c 3 。) 振动温度所需的跃迁、波长和跃迁几率 2 3 电子激发温度诊断的方法、原理 介质阻挡放电是一种非平衡等离子体，但是由于在大气压放电中，粒子间的碰撞频 率非常高，所以通常认为其近似满足局部热平衡。在等离子体局部热平衡近似下，相同 7 河北大学理学硕十学位论文 原子同一电离级次的两条谱线a 。和a 。的强度石，五之比与其电子激发温度满足下 式关系铲蚓： 砉= 籍州一铅 式中颤为相应谱线办的上能级的统计权重，马是相应谱线的上能级的激发能，4 为相应 的跃迁几率。 对( 5 ) 式取对数，可得： h 筹一壶驯也箦+ 古岛， 可见，l n 玉a i 生g l 与岛成线性关系。即： l i l 旦= 一上层+ 6 a g红 7 ) 选用多条谱线，就可得到l i i 旱随e 变化的玻尔兹曼曲线。由( 7 ) 式看出，该曲 a g 线为一条直线，其斜率为一面1 ，由此便可得到电子激发温度。这里我 f 用选用波长为 6 7 5 2 8 n m 、6 8 7 1 3 n m 、7 3 8 4 0 n t o 和7 9 4 8 2 n m 四条a ri 谱线( 具体参数见表2 - 2 ) 来计 算电子激发温度。根据公式( 7 ) 和表2 - 2 的数据可以得到玻尔兹曼曲线。因此根据其 斜率就可计算出电子激发温度。 表2 2a ri 谱线的波长、跃迁几率、激发能量和上能级的权重因子 8 第3 章低气压流光放电等离子体发射光谱诊断 第3 章低气压流光放电等离子体发射光谱诊断 3 1 低气压混合气体放电中氮分子和氮分子离子发射谱线测量 通常在介质阻挡放电中，不同气体引起的放电对于实际的工业处理具有很重要的现 实意义。例如：氮气氩气等离子体对于氮化物薄膜的合成和很多材料的表面修复具有 潜在的应用价值。另外，氩等离子体已经用在材料和薄膜制作工艺上。因此关于这些等 离子体放电一些准确和可靠的数据，对于了解等离子体放电行为和优化等离子体产生过 程、改善等离子体加工工艺显得很重要。本节研究了低气压条件下，氮气氩气、空气 氩气、纯氩气介质阻挡放电中等离子体发射谱线随混合气体体积含量比和实验条件的变 化情况。这些数据对于在等离子体应用上，寻找合适的实验条件很有参考价值。 实验参数： 气隙间距频率驱动电压气压采谱方位 1 5 m m2 6 k h z6 k v0 5 a t m侧面采谱 实验结果与讨论： 在气体介质阻挡放电中，本工作采集了氮分子第- - i e 带系( c 3 n 。一b 3 n 。) 、氮离子 和部分氩原子( 2 p 一1 s ) 的发射谱线。图3 一l 给出了一个典型的空气氩气( 5 1 ) 混 合气体放电发射谱线。其发射谱线范围为3 0 0 8 0 0 n m 。 图3 一l 混合气体放电中3 0 0 8 0 0a m 范围内的典型发射谱线 9 河北大学理学硕士学位论文 在氮气氩气和空气氩气两种混合气体放电中，激发态n 2 ( c 3 n 。) 的粒子布居数变化 可能是由于氩原子从亚稳态到基态跃迁时的内部能量转移引起的。氩的两个亚稳态能级 1 s ；( 1 1 5 e v ) 和1 s 。( 1 1 7 e v ) 比氮的激发电位( 1 1 1 e v ) 高。因此，在氮气中加入氩， 通过潘宁电离作用，使n ：( c 3 n 。) 态粒子布居数发生变化，从而引起氮的发射谱线强度的 变化。即： 2 ( 工1 g + ) + 彳，。2 ( c 3 n ，) + a r ( s l1 1 e v ) 2 ( 兀，) 一n 2 ( b 3 l i 譬) + j i l y 实验分别测量了两种混合气体放电中，n 。分子( c 3 兀。) 发射谱线强度随混合气体中氩 气体积含量的变化情况。实验过程中，光谱仪选用相同的曝光时间、相同的光栅和狭缝 进行采谱。实验发现：当氩气体积含量增加时，n ：分子( c 3 n 。) 发射谱线强度增强。结果 如图3 2 所示。当氩气体积含量增加时，氩的亚稳态粒子增多，由于n 。( c 3 n 。) 态能级 稍低于氩的两个亚稳态能级i s 。( 1 1 5 e v ) 和l s 。( 1 1 7 e v ) ，所以，通过潘宁激发，利用 氩的亚稳态原子的无弹性碰撞来增加氮c 3 n 。态的粒子布居数，从而使氮的c 3 n 。态的发 射谱线强度随氩气的增加而增加。从图3 2 中也可以发现：当两种混合气体中氩气体 积含量相同时，氮气体积含量越多，氮谱线强度越强。氮气体积含量增加，被激发到 c 3 。态的氮分子增多，导致氮的c 3 。态的发射谱线强度增强。另外，由于空气中的氧 成负电性，它能吸附高能电子，这导致了在相同条件下，空气氩气里氮的谱线强度比 氮气氩气中的低。 3 3 7 1 r m 。 柏7 01 0 0 削：舯吡( 哟 图3 - - 2 混合气体中氮的第二正带部分发射谱线强度随氧气体积含量的变化曲线 l o 第3 章低气乐流光放电等离子体发射光谱诊断 激发态2 + ( 口2 f i u + ) 的粒子数变化可能是由两种方式引起的：( 1 ) 由直接的电子碰 撞激发删g + ) 分子引起的。 2 ( 工1 g + ) + e 2 + ( b 2 nc ，+ ) + 2 e ( 占 1 8 5 e v ) ( 2 ) 先是由电子碰撞使氮分子电离，然后电离的氮分子跃迁到激发态2 + 2 f l u + ) 。 厂2 ( 工1 g + ) + p 专2 ( 工2 g + ) + 2 p ( 占 1 5 6 e v ) 2 ( 工2 g + ) + p 一2 + ( 曰2 n ，+ ) + 口( 占 3 3 e v ) 由于电子碰撞和氩的亚稳态粒子的碰撞产生3 9 1 4 r i m 发射谱线： 2 + ( 曰2 兀，+ ) 寸2 ( x 2 g + ) + j i v 同时，实验也测量了氮分子离子3 9 1 4 n m 谱线强度随混合气体中氩气体积含量的变 化情况。结果如图3 3 所示。可见，氩气体积含量越大，3 9 1 4 r i m 谱线强度越低。可 见，潘宁激发对3 9 1 4 n m ( 1 8 7 e v ) 发射谱线强度影响很小。导致这些变化的可能原因 是：亚稳态的氩原子可能使氮分子离子的产生有破灭作用( m + + a r 一m + a r + ) 氮分子离子通过电荷碰撞可能转化成氮分子。另外，亚稳态的氩原子的能量低于氮分子 的离化能量( 1 5 5 7 e v ) ，所以氮分子的离化受加入的氩气体积含量影响小。另一方面， 氩的亚稳态原子和氮分子之间的作用可能导致氮分子的分解和离化。 a “) 图3 - - 3 混合气体中3 9 1 4 r i m 谱线强度随氩气体积含量的变化曲线 河北大学理学硕士学位论文 3 2 低气压混合气体放电中氩原子发射谱线测量 实验参数： 气隙间距频率驱动电压气压采谱方位 1 5 m2 6 k h z6 k y0 5 a t m侧面采谱 实验结果与讨论： 在测量混合气体中氮的第一负带和第二正带部分发射谱线强度随氩气体积含量的 变化曲线的同时，我们利用上述实验条件，对部分氩原子( 2 p l s ) 的发射谱线并进行 了分析。图3 4 给出了部分氩原子谱线( 2 p l s ) 能级以及跃迁谱线。这里，1 s 。和1 s 。 是亚稳态，1 s 。和1 s 。是共振态，l p o 是基态( 这里采用帕邢符号) 。 o x p o c o 图3 4 部分氩能级和跃迁图 图3 5 为氩气氮气和氩气空气两种混合气体介质阻挡放电中，部分a r 原子谱线 强度随氮气、空气体积含量的变化。从图3 5 ( a ) 中可以知道，随氮气体积含量的增 加，氩各谱线强度不是成线性变化的，也就是说n 。这种具有高振动态的双原子分子对 a r 原子谱线具有很大的淬灭作用。n z 体积含量越大，这种淬灭作用越明显。这可能是a r 的激发态的能量和n 。的振动态差不多，n 2 才能对氩发射谱线起到淬灭作用。从图中还 可以看到，a ri 谱线强度随氮气体积含量的下降斜率不一致：其中7 5 0 3 9 n m ( 2 p 。- * i s ：) 谱线强度和7 6 3 5 1 n m ( 2 p 。一l s 。) 谱线强度变化较快；7 7 2 4 2 r i m ( 2 p ：一l s ，) 和6 9 6 5 4 n m ( 2 p ：- * i s 。) 属同一上能级，具有相同的激发能，其谱线强度变化速率基本相同；7 9 4 8 2 咖( 2 p 一1 s 。) 和7 3 8 4 0n m ( 2 p 3 1 s 。) 两条谱线虽然不属于同一上能级，但是它们谱 1 2 第3 章低气乐流光放电锋离子体发射光谱诊断 线强度差不多完全一样，变化趋势也一样。这些结果说明了n 2 对a r 谱线的淬灭具有选 择性。从图3 5 ( b ) 可以看出，氩原子谱线强度随氩气空气混合气体中空气体积含量 的变化趋势和随氩气氮气混合气体中氮气体积含量的变化趋势一样。稍有不同的是： 在相同实验条件下，当在两种混合气体里，氮气和空气体积含量相同时，氩气空气混 合气体放电中氩原子的谱线强度比氩气氮气混合气体中的低一些，即氩的各谱线强度 变化主要是由n 。的加入造成的。 图3 5 也反映了氮气、空气对氩谱线各能级的激发速率不同，氮气和空气的加入 使氩激发态2 p 能级上的粒子数密度发生变化。同时也由于氮气、空气的加入，使电子 和分子的碰撞速率( 碰撞激发截面) 增大，从而基态的氩原子得到更多能量而跃迁到更 高激发态2 p 。能级，因此7 5 0 3 9 n m ( 2 p 。一1 s ：) 发射谱线强度最强。 ， 旦 芒 习 d c 口 ：f 套 历 c 旦 e - 图3 5 ：氩原子发射谱线强度随( a ) 氮气氩气混合气体中氮体积含量和空气氩气混合 气体中空气体积含量的变化曲线 由于氩7 5 0 3 9 n m ( 2 p 。一1 s 。) 谱线强度和7 6 3 5 1 n m ( 2 p 6 1 s 。) 谱线强度变化较快，因 此实验对它们的比值进行了仔细分析。图3 6 给出了混合气体中氩谱线7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 随氮气和空气体积含量变化曲线。从图3 6 中可以发现，在氩气氮气混合气体放电里， 7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 变化比较明显，在氩气空气混合气体放电里，当空气体积含量从1 0 增加到7 3 时，7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 从0 8 1 增加到1 7 3 。当在相同实验条件下，氮气体积 含量从1 0 增加到7 3 时，在氩气氮气混合气体放电里，7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 从1 0 3 增 加到3 5 1 。这些结果说明了在两种混合气体中，当空气和氮气体积含量增加时，氩 7 6 3 5 1 r i m 谱线强度变化较快。这说明了当氩原子的激发电位越接近氮分子的激发电位 1 3 一兰c3qj一一jc要c一 河北大学理学硕士学位论文 时，淬灭作用越强。 他o r a i rc o n c e n t r a t i o n ( 哟 图3 6 ：7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 比值随混合气体中氮气或空气体积含量的变化曲线 此外，在纯氩气介质阻挡放电中，我们也测量了7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 随气压、外加电压 和频率的变化。如图3 7 所示：当外加电压为2 k v 、频率为2 6 k h z 时，当气压从o 2 到l a t m 变化时，7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 从1 3 5 下降到0 4 3 ，变化范围较大。导致此变化的结 果可能是：当反应室中气压增加时，电子和其它活性粒子的碰撞加剧，电子分配给能量 较低的电子数减小。因此2 p 。比2 p 6 能级上的粒子数变化快。 在气压为0 5 a t m 条件下，当电压为1 9 7 k v 、频率为2 6 k h z 时，7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 比值在0 6 0 - 、，0 6 5 之间，变化范围f l i d , ；把电压固定在2 k v ，当频率为1 4 - 一3 6 k h z 时， 7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 比值在0 7 8 o 8 7 之间，变化范围也很小。如图3 8 所示。这可能是 当驱动电压或频率增加时，气隙间的功率变化很小，这导致谱线相对强度变化不大 3 母 i 口 卜 高 n o d 卜 p ( a 州 u ( k v ) 图3 7 ：7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 随气压变化曲线图3 8 ：7 5 0 3 9 7 6 3 5 1 随电压和频率的变化曲线 1 4 一ne一呈畸釜一，u砉枣一 一nel9皂on0协卜 3一i幻nq卜、no岍卜 第4 章大气压下不同斑| 冬| 放电模式的锋离子体参最测犀 第4 章大气压下不同斑图模式放电等离子体参量测量 4 1 混合气体放电中不同斑图模式的振动温度测量 近年来，大气压介质阻挡放电作为一个新兴的斑图系统，在非线性科学领域引人注 目