（原子与分子物理专业论文）低温低压氢等离子体光谱诊断.pdf

四型叁兰竺兰垡堡苎! z z 5 z d 低温低压氢等离子体光谱诊断 原子与分子物理专业 研究生邓红艳指导老师程新路教授 摘要 低温低压等离子体作为一种优越的技术，被广泛应用丁二能源、物质与材料 加工、环保与宇宙科学等领域。鉴于了解低温低压氢等离子体状态在材料加工 过程中具有的重要意义，本文对其各种特性进行了深入的研究。 在对等离子体光谱诊断的原理及其最新进展进行深入调研的基础上，探索 了一种性能良好的光谱诊断装置，为等离子体的在线测量奠定了基础。本文选 用电离效率较高的螺旋波方式来激发氢等离子体，根据氢的发射光谱的s t a r k 展 宽得到电子密度n 。，并利用二谱线法求得电子温度t c 。初步研究了不同功率， 压强和流量条件下t c 、n 。以及b a l m e r 线系前三条谱线的峰强的变化，推断出等 离子体内部可能发生的几个主要反应。 本文的主要工作和结论如下： 1 自行研制了一套等离子体光谱的产生和测量装置。其中硬件系统主要包 括：螺旋波天线和辉光聚焦系统的设计；p c l - 8 1 8 h g 数据采集卡输出的+ 5 v 稳 定信号，经过分压电阻和三极管后，作为数控器的外部启动停止信号，控制步 进电机带动光谱仪转动；另外，为了减小光电倍增管的噪声，单独为其提供了 稳定的高压直流电源。等离子体辉光经过光谱仪进入光电倍增管后，信号接入 p a 级弱电流放大器，再采用单端输入方式接于计算机中的p c l d 一8 11 5 卡，实现 计算机自动采集功能。利用q b a s i c 语言编写了控制程序和数据采集软件系统。 2 利用上述研制的装置，测得可见到紫外波段的氢等离子体发射光谱。分 析得出：电子温度t 。、电子密度n 。以及三个峰的强度都随射频功率的增加而增 加：t c 随氢气流量的增加而下降，而n 。在流量较小时，随流量增加而增加，当 p q 川1 人学硕1 ：学位论文 流量超过某个值时几乎不再随流量变化，峰强的变化趋势与n 。的变化趋势相 同；l 随压强增加而下降，随流量增加而增加，h 。峰的强度随充气压强的增 加，起初增加，后来反而缓慢下降，并存某个最佳j 玉强范围强度达到最人，而h 卟 h ，峰的强度随充7l 压强的增加始终减小。 3 根据实验结果，认为氢等离子体内部发牛的反应主要有电子与氢分了碰 撞发生的解离激发，电子与基态氢原子的碰撞激发，氢分子离子的解离复合等。 此外，还利用高分辨发射光谱的谱线线型简要分析了等离子体内部的粒子动力 学机理。 关键词：螺旋波等离子体；朗道阻尼；电子密度；电子温度；数据采集 h 婴型- 人兰竺! 兰丝垒墨 _ j 一 s p e c t r u ma n a l y s i so f h y d r o g e n p l a s m aa tl o w t e m p e r a t u r ea n dl o w p r e s s u r e m a j o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s a d v i s o r ：p r o f c h e n gx i n l u a b s t r a c t a sa ne x c e l l e n tt e c h n o l o g y , p l a s m aa tl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r ei s w i d e l yu s e di ne n e r g ys o u r c e s ，m a t e r i a lp r o c e s s i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n d u n i v e r s es c i e n c e s oi ti sn e c e s s a r yt om a k eat h o r o u g hs t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f p l a s m a as o r to fs p e c t r u ma n a l y s i ss e 吣pw i t hh i g hp e r f o r m a n c ew a se s t a b l i s h e d i nt h i s a r t i c l e ，h y d r o g e np l a s m aw a sp r o d u c e db yh e l i c o nw a v ea n dt h ee m i s s i o ns p e c t r u m w a sd e t e c t e d ，t h ee l e c t r o nn u m b e rd e n s i t yn eh a sb e r ld e t e r m i n e db yu s i n gs t a r k b r o a d e n i n ga n dt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r et ch a sa l s ob e e no b t a i n e d a tt h es a m et i m e t h ee f f e c to fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r o nn u m b e rd e n s i t ya n dt h ed e c t i o n t e m p e r a t u r eh a sb e e nd i s c u s s e d a n di t w a sc o n c l u d e dt h a tt h e r ew e r es e v e r a l r e a c t i o n sw h i c hc o u l db eu s e dt oe x p l a i nt h ee f f e c t t h em a i nc o n t e n t so f t h i sw o r ka l ea sf o l l o w s 1 as e t u pw i t hs p e c t r u mp r o d u c t i o na n dm e a s u r e m e n tp a r t sw a sd e s i g n e d t h e h a r d w a r ei n c l u d e dh e l i c o nw a v ea n t e n n aa n df o c u s i n gs y s t e m a - 巧vv o l t a g ep u to u t f r o mt h ep c l - 8 1 8 h gc a r dw a sc o n n e c t e dt ot h en u m e r i c a lc o n t r o l l e ra sae x t e r i o r o 耐o f fs i 四a 工t h e c t 血es p e c t r o m e t e rb e g a nt or t l t t ha d d i t i o n ，as t e a d yh i g hv o l t a g e d cp o w e rw 罂s u p p l i e dt om i n i m i z et h ei n t e f f e r e n c e h a db e e na m p l i f i e db yt h e p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，t h ep l a s m al i g h t se n t e r e dt h ew e a kc u r r e n ta m p l i f i e r , t h e nt h e s i g n a lw a sc o n n e c t e dt ot h ec a r dt h r o u g hs i n g l ee n d e di n p u tm e t h o d t h ec o m p u t e r a u t o m a t i c a l l yc o m p l e t e dt h ec o l l e c t i o n ，t h ec o n t r o l l i n ga n dc o l j e c l i j 唱p r o g r a m sw e r e 1 i i 婴型| 火兰型! ：兰堡堡苎 w r i t t e ni nq b a s i c 2 i tw a sc o n c l u d e dt h a t ：n e t ca n dt h ei n t e n s i t i e so ft h ef i r s tt h r e el i n e so f b a l m e rs e r i e si n c r e a s e dw i t hr fp o w e r a n dt cd e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e h y d r o g e nf l o w ，w h i l en ea sw e l la st h ei n t e n s i t i e si n c r e a s e dw i t ht h eh y d r o g e nf l o w t h e ng o ts a t u r a t e d ld e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh y d r o g e np r e s s u r e ，w h i c hw a s d i f f e r e n tf r o mn w h a t sm o s ti m p o r t a n ti st h a t ，f i r s th ni n c r e a s e dt h e nr e a c h e di t s m a x i m u m ，f i n a l l yd e c l i n e dw i t ht h eh y d r o g e np r e s s u r e w h i l et h ei n t e n s i f i e so f h f l a n d h ，d e c l i n e dw i t ht h eh y d r o g e np r e s s u r e 3 f i n a l l y , t h ee f f e c to fe v e r yp a r a m e t e ro ne l e c t r o nn u m b e rd e n s i t ya n de l e c t r o n t e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e db yr e a c t i o n so c c u r r e di np l a s m a b e s i d e s ，t h ed y n a m i c s m e c h a n i s mw a sa l s oa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ep r o f i l eo f h i g h l yr e s o l v e ds p e c t r u m k e yw o r d ：h e l i c o nw a v ep l a s m a ，l a n d a ud a m p i n g ，e l e c t r o nn u m b e rd e n s i t y , e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ，d a t ac o l l e c t i o n i v 四川大学硕： 学位论文 第一章绪论 1 8 3 5 年，法拉第开始研究气体放电的基本现象，至今，等离子体物理已经 发展了近两个世纪。等离子体物理涉及的领域比较宽广，主要包括受控热核聚 变等离子体物理、空间与天体等离子体物理、低温等离子体物理等。由于其显 著的优越性，等离子体技术已被广泛地应用于能源、物质与材料加工、环保与 宇宙科学等诸多领域嘲。相应地，等离子体诊断的原理和技术也获得了长足发展， 进而它又促进了等离子体技术的发展与应用。 1 1 等离子体内部特性的表征 等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气 体“1 。集体行为的含义是，在等离子体中，长程电磁力使得带电粒子的运动不仅 与临近的粒予有关而且受到远处带电粒子的影响；准中性一方面是指总体上 正负电荷量大致相等，另一方面指，当出现电荷的局部集中或者在系统中引入 外电势时，电子很快响应，使得外电势被屏蔽在德拜长度 。大小的范围内，而 等离子体的大部分免受大电势的影响。 等离子体作为一种由大量微观粒子组成的热力学体系，其中热运动和电磁 作用过程共存，描述其热力学性质的物理量温度就表现出相当的复杂性。 若放电是在接近大气压的高气压下进行，那么电子、离子和中性粒子会通过激 烈碰撞充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡状态。若电子、离子和中性 粒子的温度l ，t i ，t n ，近似相等，即艮汀i d l 。我们称之为热等离子体。而在 数百帕以下的低气压等离子体通常处于非热力学平衡状态。此时。电子在与离 子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，所以各种粒子处于自身的热力学 平衡中，它们具有不同的温度。t c t i ，t o t n ，我们把这样的等离子体称为 低温等离子体。 等离子体中存在电子、离子和中性粒子等，它们的密度分别为n ；，n i ，n n 由于n 印叱( 准电中性) ，我们定义电离度p 喇( n 。+ n n ) ，以此来衡量等离子体 的电离程度。闩冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是1 0 0 ，像这样b = l 的等离子体称为强电离等离子体：像火焰中的等离子体大部分是中性粒子( b 7 1 0 。= ) ，称之为弱电离等离子体“1 。 四川大学硕士学位论文 等离子体的基本特征还表现在它与其它物质形态的作用过程。例如等离子 体受高频波的激发可以分为三种类型：1 电容耦合，主要利用静电场来加速电 子，2 感应耦合，主要利用感应电场，3 电磁波耦合，主要利用电磁波成分来 供给等离子体能量。电磁波在等离子体中可能发生传播、共振或截至现象。例 如电子回旋共振等离子体( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a r 悦p l a s m a ) 就是利用微波与 磁场中的电子回旋共振产生的；表面波等离子体( s u r f a c ew a v ep l a s m a ) 是利用表 面波共振；螺旋波等离子体( h e l i c o nw a v ep l a s m a ) 则是磁化等离子体中传播的螺 旋波通过朗道阻尼方式加热电子，产生高密度等离子体的“1 ；截至现象和微波 干涉现象可以用来测量等离予体密度0 3 。最熟悉的等离子体截止效应是对短波无 线电通讯的应用，当无线电波达到电离层的一个高度，而那里的等离子体密度 足够高，波就被反射，使得围绕地球发送信号成为可能。同时由于这个原因， 为了穿过电离层，与空间飞船通讯必须用高于临界频率的频率，然而，在空间 飞船再入大气层期间，由于强烈的热摩擦产生等离子体，引起等离子体截至， 导致再入期间的通讯中断幽。 1 2 等离子体诊断方法简介 人们依据等离子体内部的各种现象发展了各种等离子体诊断方法。其中 静电探针法是利用等离子体中的静电现象，这种方法也称为l a n g m u i r 探针法。 它虽然简单但是在应用中受到很多限制。如探针会干扰它周围的局域环境 且探针表面易受等离子体污染，使探针伏安特性扭曲。影响测量结果的可靠性。 此外，在有磁场存在的等离子体中，电子的运动不是局域的也不是各向同性的， 电子的扩散强烈依赖于磁场位型和探针形状，此时通常探针的理论是不适用的 订日】 0 等离子体是一种由带电粒子和中性粒子组成的体系，作为一种电磁介质， 等离子体与电磁波的相互作用成为波谱学探针的基本理论依据。微波谱、磁共 振和激光共振光谱、光散射谱和x 射线探针是波谱学探针的常见形式：作为一 种光学介质，等离子体导致的光学干涉现象也是等离子体诊断的有效方法，此 外t h o m s o n 散射法是电子对电磁波的集体散射“。| “，它虽然能提供较准确的结 果，但技术要求复杂；吸收光谱、激光诱导荧光光谱也被用来诊断；等离子体 是一种化学体系，许多化学分析方法，如质谱法、红外光谱法、拉曼光谱法等 四川大学硕士学位论文 也有用于等离子体诊断的报道：另外等离子体中的化学反应也是等离子体诊断 的重要依据，其中原子滴定法是常用的化学活性物种浓度的定量诊断方法。 虽然光谱诊断方法很多，但发射光谱法的优点是非常明显的。它所需的仪 器系统相对简单，适用范围广，灵活且不干扰内部状态，多数实验室有能力安 装这种诊断装置“”。其作为一种较好的在线测量手段，已被广泛应用于低温等 离子体内部反应和应用过程的诊断。 此外，高分辨发射光谱的谱线线型分析也是等离子体内部粒子动力学机理 的有效分析手段”1 。 1 3 等离子体的应用 可以从等离子体的电气、光学、热学、化学、以及力学等方面的特性对等 离子体的应用进行分类0 1 。 首先，在能源领域，利用超高密度、超高温度等离子体的核聚变发电受到 瞩目；磁流体力学( m a g n e t o - h y d r o d y n a m c s ) m h d 的能量变换采用稠密等离子体 气流穿过磁场的推进来发电，基于同样的原理，反过来发展了用于远距离行星 际飞行的离子发动机。”；在环境领域，静电除尘装置以及空气清洁器是利用大气 压下电晕放电生成的非平衡等离子体。 其次，等离子体的发光特性的应用包括常见的荧光灯、霓虹灯等照明用的 放电等离子体，以及气体激光、等离子体显示等，此外还有紫外线光源，x 射线 源等。 如果要利用等离子体的热效应那么高气压电弧等高密度的热等离子体是 最佳选择，例如电弧焊接、等离子体喷涂、烧结等。目前，如何利用等离子体 进行城市垃圾处理、废金属精炼、废气和有机溶剂的处理等已经成为主要的研 究方向；而对于利用等离子体化学活性的薄膜沉积、刻蚀和新材料加工压强 较低的低温等离子体是比较合适的，而溅射、离子注入等利用的是等离子体力 学性质叫。 1 4 本文的研究意义 鉴于等离子体越来越广泛的应用和在各领域的重要地位，深入研究等离子 体的各种特性具有显著的现实意义。目前等离子体特性诊断的内容十分丰富， 四川大学磺士学位埝文 它包括从微观到宏观，从气态到固态，从带电粒子到中性粒子等的属性；等离 子体诊断的方法很多，但是等离子体光谱诊断的优点是十分显著的。目前，各 学科不断地提出新的问题，发展新的等离子体诊断方法已经成为等离子体科学 发展的迫切需要。 等离子体电子密度和电子温度是等离子体的两个基本参量，本文利用二谱 线法和s t a r k 展宽的半高宽方法来确定氢等离子体的这两个参量。另外，本文介 绍的实验光谱线型与理论线型的计算机程序拟合，是目前光谱诊断的热门方向， 但是由于这种方法还不成熟，所以本文未加采用。本文的研究为等离子体化学 气相沉积制备薄膜寻找最佳条件奠定了基础。 四川大学硕士学位论文 参考文献 【1 刘万东等离子体物理导论c m 讲义2 0 0 2 6 2 】菅井秀郎等离子体电子工程学 m 科学出版社、o 唧社2 0 0 2 e 3 j af 陈著，林光海译等离子体物理学导论 蜘人民教育出版社1 9 8 0 4 江南。王珏，凌一鸣螺旋波等离子体的实验研究 j 】真空科学与技 术2 0 0 0 2 0 ( 3 ) ：2 0 7 - 2 0 9 5 王平，杨银堂，徐新艳等应用于超大规模集成电路工艺的高密度等离子体源研究进展 j 真空科学与技术2 0 0 2 2 2 ( 4 ) ：2 7 4 - 2 8 1 6 李效白等离子体徽细加工技术的新进展 j 真空科学与技术2 0 0 0 2 0 ( 3 ) ：1 7 9 - 1 8 6 7 张家良低温等离子体发射光谱学研究大连理工大学博士学位论文 2 0 0 2 8 朱文浩，吴毅锋，陈跃山高频电场对双探针诊断低压等离子体的影响 j ，物理学 报1 9 8 6 3 5 ( i i ) ：1 4 2 6 - 1 4 3 5 9 程仲元，邹积岩，杨磊等朗缪尔探针用于v a c 等离子体诊断的初步研究 j 应用科学学 报1 9 9 6 1 4 ( 4 ) ：4 7 5 - 4 8 0 1 0 阳彦鑫，施佩兰，黄渊等h l l m 装置等离子体电子温度测量 j 核聚变与等离子体物 理1 9 9 9 1 9 ( 2 ) ：1 2 0 - 1 2 4 1 1 邓中朝，施佩兰，刘泽田等h l - i m 装置多脉冲钕玻璃激光汤姆逊散射系统 j 核聚变与 等离子体物理2 0 0 2 2 2 ( i ) ：3 7 - 4 0 1 2 s s e i d e l 。t h w r u b e l ，qr o s t o l l e la 1 l i n ep r o f i l em e a s u r e m e n t so f ( s ) 6 s 5 s - c s ) 6 p p t r m l s i f i o n so fx ei l l j 】j o u r n a lo fq u a n t i t a t i v e s p e c t r o s c o p y r a d i m i v e t r a n s f e r 2 0 0 1 7 1 ：7 0 3 - 7 0 9 1 3 h a oz h a n g , c h u n m i n gh f i e c h ，i z u m ii s h i ie ta 1 r e v i s e d ，f a s t , f l e x i b l ea i g o f i t h m sf o r d e t e r m i n a t i o no fd e c t r o nn u m b e rd e n s i t i e si n p l 鹧m ad h 蛐目诩s p e c t m c h i m i c a a c t a 1 9 9 4 4 9 b ( 8 ) ：8 1 7 8 2 8 四川大学硕士学位论文 第二章原子光谱概述 光谱的发射不仅与发射粒子的结构密切相关。还与发射粒子周围的环境有 关。人们可以通过观察和分析物质的发射光谱，认识物质的内部结构“1 。本章介 绍了氢原子光谱的产生原理以及谱线的特征，并分析了一些主要影响因素。 2 1 谱线的产生 2 1 1 碰撞与激发 光源等离子体由各种分子、原子、离子、电子、光子所组成“2 ，。各种粒子 处于热运动中，有时还有电场的作用，粒子之间发生频繁的碰撞，导致能量的 交换。按能量交换的不同，碰撞可区分为弹性碰撞和非弹性碰撞。 弹性碰撞对激发没有贡献。非弹性碰撞是产生原子光谱的基本机理过程。 非弹性碰撞前后，粒子的总动能发生了变化，引起粒子量子状态和结构的改变。 当碰撞体的能量( 动能、内能、辐射能) 达到或超过被碰撞体解离、激发或电 离所需的最低能量时，碰撞引起分子的解离、原子的激发或电离过程。非弹性 碰撞分为两类，第一类非弹性碰撞可能发生熟激发、电离或解离，也可能发生 电激发、电离或解离。在辉光光源等气体放电光源中，激发主要是电激发。第 二类非弹性碰撞常称p e n n i n g 碰撞。在有寿命较长的亚稳态原予存在的光源中， 第二类非弹性碰撞对激发和电离的贡献不可忽视。 2 1 2 激发态原子的辐射 处于激发态的原子是不稳定的，他们很快遗从高能级跃迁到低能级直到返 回基态。激发态原子从高能级跃迁到低能级释放出能量的形式有两种：一种以 光予形式辐射能量，称为辐射跃迁；另一种以热运动形式释放能量，称为无辐 射跃迁或非辐射跃迁；原子跃迁主要是辐射跃迁。本文主要研究辐射跃迁中的 自发辐射。 2 2 谱线的波长和强度 量予力学认为，原子光谱的产生是原子发生能级跃迁的结果咖。处于激发态 原子在原子内部电场作用下自发地从高能级跃迁到低能级，多余的能量以光子 四川大学项：l 学位论文 的形式释放出来，从而形成特征光谱，称为自发辐射。已知处于n 能级或轨道 的能量值e n “1 ， 耻一采箝专伍- ， 辐射的光子频率或谱线波长取决于发生跃迁的两个能级之间的能量差。 肌= & 一& = 上2 ( 4 m o ) 2 h 2 f ( , 上，i i 2 一书) 式中巨是高能级伤的激发能，e 是低能级啊的激发能，h 是p l a n k 常数，c 是光速，v 是光子频率，五是谱线波长。 原予中存在着许多能量不同的状态，在激发过程中也就有多种能级跃迁的 情况，释放出不同频率的光子。在一定的跃迁规则下，一种元素的原子受到激 发后能产生多条频率不同的原子谱线，这些谱线可以划分为不同的谱线系0 1 。谱 线系的频率可以写为 降专 仁， 其中r 称为r y d b e r g 常数，当n - = l ，n 2 = 2 ，3 ，4 时，称为l y m a n 系当r h = 2 ，1 1 2 = 3 。4 5 时，称为b a l m e r 系，位于可见区。依此类推。氢的线系图如下所示啪， m l i 雠 一 e 柬哥 h 摹叠摹 圈2 1 氢原子的电子轨道和能级圈 从长波算起，头三条是凰，h b ，h r ，颜色分别为红，深绿，青。从长波向 短波方向，谱线强度越来越弱，谱线间距离越来越小，最后达到线系的极限， 四川大学硕士学位论文 如图2 2 所示。 圈2 2 氯光谱巴尔末系和系限外连续谱 考虑到光源分析区中激发态原子或离子的b o l t z m a n n 分布、配分函数、跃迁 几率和统计权重等因素，光源中单位立体角内谱线辐射的能量强度可表述为“_ ”： j = 孥峨 ( 2 4 ) 4 万 。 对于原子线， 鲁州等叩“石( 2 5 ) 其中p 。为从n 能级跃迁到m 能级( 对于b a l m e r 系m = 2 ) 所辐射的光子的频率， 0 。为跃迁几率，虬为处于n 激发态的粒子数，s o 为处于基态的粒子数。g 。 g 。分别为n 激发态和基态的统计权重，e 为激发电位。 2 3 谱线的宽度和轮廓 在理论上，原子谱线应为频率严格等于k 。、宽度为零的几何线，但实际的 谱线都是宽度不为零，并且在一定频率范围内强度随频率逐渐变化而有一定轮 廓形状的分布曲线。频率只是强度分布曲线上最大强度值厶处的频率值。在 光谱学中，为描述真实谱线的这种展宽效应，常采用“半宽度”( t h ef u l l 咱r i d t ha t h a l f m a x i m u m , 简写为f w i - i m ) 的概念在强度分布曲线的两侧，强度正好为 最大强度值一半处的全宽度或波长差t l 3 。 在分析等离子体中，有几个医素对线型展宽有贡献，在无自吸的情况下， 谱线的展宽机制主要有以下几种”) ： 1 自然宽度 在g r o t r i a n 能级图上，能级是一条有确定能量值的线，并没有宽度。但按照 量子力学原理。在微观世界中，若原子在态e 上的平均时问为a t ，则h e i s c n b e r g 四川大学硕士学位论文 原理指出有一个能量不确定值a e ，a f 与e 之间存在关系：e t = h 2 ， 在各种能态中只有基态不产生辐射，寿命无限长，其能级宽度e = 0 。 当两个具有一定能量宽度的能级之间发生跃迁时，产生的谱线的宽度相当 于两能级宽度之和( 图2 3 ) ，即谱线自然宽度： 嚣：垒墨 兰堕 ( 2 6 ) 嚣= 1 一 q 同样。按照经典振子理论，激发态原子中被核力束缚的电子可以被示为在 平衡位置附近做阻尼振荡的振子，其阻尼系数为6 ，谱线强度为。o m h 森口 4 玎2 f v v 。r + 竺一 式中，a 是一个表明辐射强度与振动电荷之间关系的常数。可见，激发态原 子在没有任何外界影响下，也不可能发射出无限窄的谱线，而只能产生具有一定 半宽度的l o 陀n t z 函数型的钟形轮廓谱线( 如图2 4 所示) 其中，相应于最大值 1 。一半处的频率为唯。v 0 4 - 毒即谱线的半宽度为 五= 2 i 咋一, o l = 去2 去( 2 8 ) 崾i i ， 圳 一书1 6 h 。- 一 围2 3 谱线的自然宽度 l u 饕 孙s 莨 霹 爨 蜜 f ) 救k 图2 4 谱线的l o r e n t z 轮 式中，f = 1 8 实际上是激发态原子的平均寿命，这种宽度也称为谱线的自然 宽度。公式( z 8 ) 的计算表明，谱线的自然宽度表现在波长尺度上约为1 0 s n m ， 9 四川大学硕士学位论文 而且所有元素的谱线自然宽度差别也不大，因此谱线自然宽度的影响在大多数 光谱学研究和分析实用工作中往往可以忽略。但在实际光谱观测中，由于种种原 因，观测到的原子谱线的宽度都比其自然宽度大。谱线的增宽效应使得谱线宽度 的影响在光谱分析研究中不能再被忽略。 2 d o p p l e r 宽度 谱线的d o p p l e r 宽度由光源中原子相对于光谱仪观察方向的随机热运动引 起，与光源的温度、原子的质量以及谱线的波长等因素有关。谱线的d o p p l e r 展宽轮廓呈o a u s s 函数形状对称分布，中心频率或中心波长不变。谱线的d o p p l e r 宽度为， i = = _ 7 - 咖2 0 7 1 6 1 0 。6 、纥 = 0 7 1 6 1 0 。6 凡 ( 2 9 ) 上式表明，光源温度越高，谱线的d o p p l e r 展宽越严重；原子量越小的元素， 谱线的展宽越严重；谱线的波长越长，展宽也越显著。谱线的d o p p l e r 展宽约在 l p m 至8 p m ( 1 p m = 1 0 3 n m ) 之间它是决定谱线物理宽度的主要因素之一。 3 s t a r k 宽度 电场引起光谱项及谱线分裂并造成强度中心频移的物理现象称为s t a r k 效 应。等离子体中不均匀强电场以及高速运动中的高密度的带电粒子引起谱线的 s t a r k 展宽。外场引起一级s t a r k 效应，谱线频移与外电场强度成正比。内s t a r k 效应由等离子体中辐射原子周围带电的离子和电子的徽电场引起，又称二级 s t a r k 效应。内s t a r k 效应引起的谱线频移与电场强度的平方成正比。离子引起的 s t a r k 变宽机理与电子引起的机理不同。离子的运动速度较慢，建立“准恒强” 的微电场，使谱线轮廓呈g a u s s 形变宽；电子的运动速度较快，引起碰撞交宽， 轮廓变宽呈l o r e n t z 形：谱线总轮廓取决于两种效应的总和。 4 l o r e n t z 展宽 正在发生辐射跃迁或吸收跃迁的原子同其他原子或分子碰撞。会引起谱线 变宽、中心波长位移和谱线轮廓的不对称，这种谱线变宽称为l o r e n t z 变宽或碰 撞变宽，由于这种碰撞与粒子运动速度和温度无关，而与其他种粒子的气体压 力有关，压力越大，粒子密度越大，碰撞越频繁，所以也称为压力展宽。 四川大学硕士学位论文 5 仪器函数展宽 实验记录的线型含有仪器展宽，这种展宽具有g a u s s i a n 分布。仪器展宽依 赖于单色仪的分辨率，单色仪的分辨率又依赖于狭缝函数和其他因子。如狭缝 高和光谱装置的性能。仪器线型可以通过测很窄的线( 如氦氖激光器的6 3 2 8 r i m 线) 的线型来确定。 仪器展宽的影响不仅与所用光谱仪的分辨率有关，而且与n c 值的数量级有 关。假如用高分辨率的仪器，仪器线型对h b 的整个实验线型的贡献是很小的( 小 于o 5 ) ，假如用低的或中等分辨率的单色仪，且n c 值较小时，仪器展宽对h b 的贡献是很大的。 四川大学硕士学位论文 参考文献 1 t 发射光谱分析编写组发射光谱分析嘲冶金工业出版社1 9 7 7 2 】邱德仁原子光谱分析 m 复旦大学出版社2 0 0 2 3 沈兰荪i c p - , 4 正c s 光谱干扰校正方法的研究 m 北京工业大学出版社1 9 9 7 4 郑乐民，原子物理m 北京大学出版社2 0 0 0 5 g 赫缓堡原子光谱和原子结构 m 科学出版社1 9 5 9 6 a n n ep t h o m e s p e c u o p h y s i c s m u s a ：l o n d o nn e wy o r kc h a p m a na n dh a l l 1 9 8 8 7 h a 璐ro r i e m p l a s m as p c c 慨c o p y m u s a ：m c g r a w - h i l lb o o kc o m p a n y , n e wy o r k 1 9 6 4 8 美国 a k b a rm o n t a s c r 和d mg o l i g h t l y 感耦等离子体在原子光谱分析法中的应用眦 。 人民卫生出版杜1 9 9 2 9 法 c 特哈斯 法 c 特哈斯，j m 默赫麦著万家亮，唐咏秋译电感耦合等离子体光谱 分析 m 科学出版社1 9 8 9 四川大学硕士学位论文 第三章螺旋波等离子体简介 螺旋波等离子体是由b o s w e l l 首次提出的。后来，人们对其物理机制进行了 不懈地探索和研究，并提出了许多理论，但对于其能量沉积机制并不十分明了， 其中占主导的解释是朗道阻尼假设。 螺旋波等离子体是一种高密度的低温低压等离子体。它利用螺旋波朗道 阻尼原理加热电子，产生高密度等离子体。在lo _ p a 量级的低气压下其等离子 体密度可达1 0 1 3 锄。量级这是迄今采用人工方法在低气压下所获得的最大的等 离予体密度，它在中心区域的电离效率可达1 0 0 。与其它等离子体相比，螺旋 波等离子体有许多优点。首先它具有非常高的等离子体密度。实验表明其密 度在1 0 。p a 量级的压强下比e c r 等离子体的密度提高了一个数量级；其次。螺 旋波等离子体在等离子体的稳定性，易操作性以及自动调节等方面比e c r 等离 子体略胜一筹。由于螺旋波等离子体采用射频电源而e c r 等离子体采用微波电 源，而且螺旋波等离子体所要求的磁场强度比e c r 等离子体所要求的低得多， 因此螺旋波等离子体的发生装置也要简单一些。这种等离子体在超大规模集成 电路工艺，微机电系统加工，新型薄膜及纳米材料制备，材料表面改性以及气 体激光器等方面具有广泛的应用前景。 3 1 螺旋波等离子体的产生 用来激发螺旋波等离子体的天线类型多种多样，其中常见的天线类型如图 3 1 所示。我们定义，沿着b 观察时，m = l 模是右旋极化的，m - - - - - l 模是左旋 极化的。尽管我们可以用这些天线来激发m = 1 模的螺旋波，但实际上右旋极 化螺旋波总是被优先激发“+ “。例如当改变b 的方向，或b 的方向不变而改变 天线的螺旋方向时，本以为会产生m = 一l 模，而实际上产生了一个弱的m = l 模”。 曲d b 眵物 ( a ) b o s w e l l t y p e ( b ) n a g o y a l t y p e ( e ) s h o j i a m t i e 捌) 图3 1 几种常见的天线的类型( 1 i f l ) 1 3 四川大学硕士学位论文 据报道，y o o n j a e k i l n 等人，为了得到最佳等离子体源，对m = o ( o - p h a s e ) ， m = o ( 1 8 0 - p h a s e ) ，m = l 的n a g o y a l l i 型天线，三种类型做了对比实验，由等离子 体密度图得出m = ln a g o y a i i i 型天线效率最高，产生的等离子体密度最高o ”。也 有许多工作者采用单圈天线，螺旋型天线等产生m = l 模或m - - - 0 模。实验发现螺 旋型天线能在一侧产生高密度等离子体，当磁场反向时，高密度区转向天线的 另一侧。k i m 还尝试用四极天线来产生m = 2 的螺旋波“”。也有人将多个螺旋 波源组合起来，以提供大面积均匀的等离子体“u 。 除了天线可以采用各种类型外，放电管通常采用的是耐热石英管，其直径 和长度由实验目的决定。另外，得到较均匀的轴向磁场也是决定放电管长度的 一个因素。磁场线圈提供均匀轴向磁场b o ，起约束电子的作用，也是螺旋波得 以传播的必要条件。射频源大多采用1 3 5 6 m h z ，功率最大值通常为2 k w 。在我 们的实验中采用的是n a g o y a l l l 型天线和环形磁铁。 3 2 螺旋波的色散关系 螺旋波是一种在径向受限磁化等离子体中传播的右旋极化波( 也称哨声波) ， 频率满足 盘 ( 屹。其中脚d 是离子回旋频率，倒c 是电子回旋频率。 电磁波以角度占传播到磁场百中的色散关系“一： 胤2 = 矿一壶0 ) 2 ( 3 1 1 ) 1 一些! 塑望 。 。 国 式e o c o s p = 导，如果“，并且国“，则 & ；当k l l 善c ( 3 2 ) 珊c f 平行于轴向的波数由天线长度l 决定，k l n 7 【，l 垂直于轴向的波数k t 则由等离 子体半径a 决定。 3 3 能量沉积机制 最初是用螺旋波朗道阻尼来解释等离子体的高离化效率的，即螺旋波沿着 磁力线方向传播，当其相速度与电子热运动速度几乎相等时，电子可以不断地 1 4 四川大学顽士学位论文 从波中获得麓量，并激活遇到的气体分子，从而在低气压下产生高密度等离子 体的。“6 1 。后来人们又提出了许多不同的解释。下面主要介绍的是朗道阻尼。 3 3 1 朋遁阻尼 朗道阻尼是在利用符拉索夫方程推导电子等离子体振荡的色散关系时发现 的一种无碰撞波阻尼呱”。 描述等离子体的动力学方程，在忽略碰撞只考虑电磁力的作用时，可以简 化为符拉索夫( v l a s o v ) 方程 等+ 矿万o f + ( 岳+ 矿直) 筹= 。( 3 8 ) 当我们利用此方程推导电子等离子体振荡的色散关系时，由于是静电波， 只需考虑电子成份，离子可视为不动的背景。这样，符拉索夫方程和泊松方程 就构成了完备的方程组， o f + 矿望+ 旦立望：o a ，a 尹蜥 a 矿 。 ( 3 9 1 v 应= 一上，矿 s0 应用准中性假设不考虑零阶电场，将此方程进行线性化， o f + 矿望+ 旦应望：0 v 虏：f ，可 再进行傅立叶变换选波矢方向为x 轴方向，得到 ：f 生警： 册t国一七j v x e ，=i 话8 j 豳。 于是，我们得到电子等离子体振荡的色散方程： ( 3 1 1 ) 四川丈学硪士学位论文 等王劫铲坳 ，。皇亡刖v ，帆 n c0 。 为一维的归一化分布函数，呦为电予密度。 色散方程的积分在匕2 。处有奇点，正确处理这一带有奇点的积分，得 到朗道阻尼这一无碰撞、非耗散性阻尼现象。 朗道认为，对一个实际的扰动，其正确的处理方法是考虑在初始时刻给定 扰动后系统的演化。应该采用与初始扰动有关的拉普拉斯变换，而非傅立叶变 换。若将傅立叶变换给出的色散关系中的频率理解成复数，积分在复平面上进 行。同时积分路径包含低于奇点处通过的沿实轴的曲线，则结果是一致的。如 图3 2 。 1 1 1 ( v z ) m k 丛 7 图3 2 朗道路径 r c ( 乓) 这一积分路径称为朗道路径。 这样，若考虑弱阻尼情况，即 i r e ( 叫l h ( 叫 ( 3 ，衅 则色散方程可以写成 1 6 四川大学硕士学位论文 r - = 鲁i 电 l v ，一 p j 轰叱= dv，+，zr等i，：岁：。， 2 j 南机妒) 。2 ) 。_ 回 若波的相速度足够大，上式积分内函数可以按t 进行小量展开，保留到 ( ( 匕一甜) a 舢掣 = 孙鬻 ( 3 1 ， = 乎 + 等 鲁 ，+ 装 小詈舞+ f 爱乱州j ( 3 1 元网 四大学硕士学位论文 摹= 一匆唧( _ 警) ， 于是，我们得到频率的虚部， p 曙广丧唧( 壶一争囔唧 素 ( 3 2 ， 由于y 0 ，因而是一种阻尼效应，这种无碰撞阻尼称为朗道阻尼。若也缸l 时， 朗道阻尼较弱，但若。k l 时，及热速度与相速度相当时，则会出现明显的朗 道阻尼。 现在我们从物理上分析朗道阻尼的机理。从阻尼率的表达式， ，。盗i 。划。， ( 3 2 2 ) 可知，阻尼实际上只与分布中速度接近于相速度的那些粒子相联系，这些 粒子叫“共振粒子匕当分布函数在波相速度处具有负斜率，比如麦克斯韦分布 时。频率的虚部为负值，对应朗道阻尼。这些粒子和波一起传播，并且感觉不 到迅速波动的电场，因此，它们能够有效地与波交换能量。比相速度慢的粒子从 波得到能量，比相速度快的粒子失去能量，波得到能量。 f mv j 、 5 i 久 o 。 图3 3 在r 2 心i 复l i l ，朗道阻尼引起的麦克斯韦分布变膨 在等离子体中，如果