（光学专业论文）快脉冲放电的光谱诊断及其在氮化物制备中的应用.pdf

复旦大学硕士学位论文 y 3 5 3 0 10 迭然i 生越电数造谱途断拯甚在氡丝物剑备虫数廑眉 摘要 f 氮化物由于具有许多特殊的物理化学性质，多年来一直是材料科学十分关注的领 域。由于原子态的氮具有比分子态的氮更高的化学活性，因此原子态的氮在氮化物的 制备中起着十分关键的作用。人们一般采用放电的方法得到原子态的氮，提高放电等 离子体中原子态氮的含量对氮化物材料的制备及其性质的提高均有积极意义。本文即 是围绕这一目的展开的。， 在本文中，我们采用了脉冲放电的方法，测量了氮气、氨气、甲烷及他们的混合 气体的脉冲放电光谱。分析了放电等离子体的成分及其与气压和气体配比之间的关系。 根据光谱分析，发现在氮气中掺入氨气或甲烷有利于氮气的解离。 本文利用光谱方法分析了在相同气压下，氮氨混合气体放电等离子体中的氮原子 产额和气体配比的关系。泼现在6 t o r r 的气压条件下，n h 3 n 2 为1 0 3 0 时，原子 d 态氮的产额最高本文还用光谱方法估算了等离子体的温度与电子密度，佐本文的脉 冲放电条件下，气压在6t o r r 和7 0t o n - 之间时，放电温度在2 0 4 0 x 1 0 3 k 范围内，电 子密度在1 0 ”数量级。本竭讨论了温度、电子密度和放电气体的成分、配比、气压之 间的关系，以及制备氮化物材料时使用氮、氨混合气体的有利之处。 本文利用氮气和甲烷的混合气体的脉冲放电，直接合成了碳氮膜。 关键词：快脉冲放电、光谱、氮气鲺气、等离子体 分类号：0 5 3 6 、0 5 6 1 3 、0 5 6 2 3 、0 4 3 3 1 摘要第l 页共2 页 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s y n t h e s i so f v a r i o u sk i n d so fn i t r i d e sh a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n b e c a u s eo ft h e i rn o v e lp r o p e r t i e sa n dw i d ea p p l i c a t i o n s i nt h es y n t h e s i so f n i t r i d e s ，i t sb e l i e v e dt h a tt h ea t o m i cn i t r o g e n ，w h i c hi su s u a l l yo b t a i n e db yt h e d i s c h a r g eo fn i t r o g e n g a s ，p l a y s a ni m p o r t a n tr o l ed u et oi t s h i g h c h e m i c a l r e a c t i v i t y h e n c e ，i ti si m p o r t a n tt o r a i s et h er a t i oo fa t o m i cn i t r o g e ni nt h e d i s c h a r g ep l a s m a t h i s i st h e p u r p o s e o ft h ep r e s e n tw o r k i nt h i s p r e s e n tp a p e r , p u l s e dd i s c h a r g e w a su s e dt oo b t a i nt h e a t o m i c n i t r o g e n t h es p e c t r a f r o mt h e p u l s e dd i s c h a r g ep l a s m a o ft h e n i t r o g e n ， a m m o n i a m e t h a n ea n dt l l e i rm i x t u r ew e r em e a s u r e d t h ed e p e n d e n c eo ft h e c o m p o s i t i o no ft h ep l a s m ao nt h ep r e s s u r ea n dt h er a t i oo ft h em i x t u r ew a s s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h es p e c t r a la n a l y s i s ，t h ea m m o n i a o rt h em e t h a n ea d d e d i nt h e n i t r o g e ng a sf a v o r s t h ed i s s o c i a t i o no f n i t r o g e nm o l e c u l e s s p e c t r o s c o p yw a s u s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ey i e l do ft h e a t o m i cn i t r o g e na n dt h er a t i oo ft h em i x t u r e u n d e rt h e p r e s s u r eo f6t o r r , h i 曲e s ty i e l do f a t o m i cn i t r o g e nw a sr e a c h e dw h e nt h er a t i oo ft h em i x t u r eo f n h 3 t on 2w a si nt h er e g i o no f10 3 0a t t h et e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c t r o n d e n s i t yw e r ea l s oe s t i m a t e db ys p e c t r a lm e t h o d t h et e m p e r a t u r ew a sb e t w e e n 2 0 0 0a n d4 0 0 0ka n dt h ee l e c t r o n d e n s i t yi sa t1 0 1 6o r d e ro f m a g n i t u d ew h e nt h e d i s c h a r g ep r e s s u r e w a sb e t w e e n6a n d7 0t o r r t h e d e p e n d e n c e o ft h e t e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c t r o nd e n s i t yo nt h ec o m p o s i t i o n ，r a t i oo ft h em i x t u r e a n dt h ep r e s s u r ew a sd i s c u s s e d t h e a d v a n t a g eo ft h eu s eo ft h em i x t u r eo f a m m o n i aa n d n i t r o g e ng a s i nt h es y n t h e s i so f n i t r i d ew a sa l s od i s c u s s e d t h ec a r b o nn i t r i d et h i nf i l mw a s d i r e c t l yp r o d u c e db yt h ep u l s e dd i s c h a r g e o ft h em i x t u r eo ft h em e t h a n ea n dt h e n i t r o g e ng a s k e y w o r d s ：f a s t p u l s e dd i s c h a r g e ，s p e c t r u m ，n i t r o g e n a m m o n i a ，p l a s m a 摘要第2 页共2 页 第一章绪论 开发具有实用价值的新材料是材料科学的中心任务。材料科学研究为人 类不断提供有价值的新材料，从而有力支持了科学技术的进步和工业经济的发 展。在材料科学研究中，氮化物由于具有许多特殊的物理化学性质，多年来一 直是材料科学十分关心的领域。 1 1 氮化物材料的应用前景 近年来，关于氮化物材料的制备和性质研究正在引起人们的广泛兴趣。氮 化物材料由于其各具特色的性能以及现实和潜在的应用价值，在现代工业和科 研中越来越受到人们的重视。 譬如，氮化硼( b n ) 是很有应用前景的i i i v 族化合物e t - 4 。b n 晶体主要 有两个相，立方相( c - b n ) 和六方相( h - b n ) 。c - b n 硬度仅次于金刚石，具有 高热导率和化学稳定性，极低的电导率，对可见和红外光透明。c b n 即使在 高温下也不与铁发生反应，c b n 可以做为抗磨损保护膜、切削工具、光学窗 片、热沉，也可应用于高温电子元件的制作。h b n 类似于石墨，可以做为摩 擦学中的润滑剂。h b n 有很高的电阻率，绝缘性好，加之其物理化学稳定性， h b n 薄膜可以做为电子元件中良好的绝缘层。h b n 在可见光区域透明，因而 可作为透明绝缘层用于电致发光器件，以及在制造亚纳米量级超大规模集成电 路中制作光掩膜。另外h b n 具有不易吸附气体的特性，还可以用作高真空内 壁涂层等。 氮化钛( t i n ) 薄膜州具有金黄色光泽、高硬度、好的附着性、低的摩 擦系数、和耐高温抗氧化性，因此t i n 作为硬质层和装饰层广泛应用于刀具、 模具、手表业和装潢及工艺品工业，氮化钛作为接触材料和阻挡扩散层也被用 于微电子工业。此外氮化钛由于对红外线的择优反射，可以作为建筑玻璃涂层 第一章第1 页共4 页 复且大学2 0 0 0 届磺士学位论 达到节能保温和装饰相统一的目的。 氮化硅薄膜具有较高的抗杂质沾污能力，有较高密度和较大的介电常 数，具有钝化效应，不易与电极反应。此外，研3 4 还具有耐磨性、热稳定性 和化学稳定性。氮化硅薄膜广泛应用于微电子元件制造业，如在半导体器件和 大规模集成电路中作为绝缘层和钝化膜防止受潮以及碱金属离子腐蚀。 氮化镓( g a n ) e 8 - 9 薄膜在近紫外光电子元件、蓝光发射二极管和二极管 激光器的制造领域具有十分广阔的应用前景。 氮化铌( n b n ) 薄膜n 叫在低温元件制造方面是一种有前途的材料，氮化铌 的超导转变温度为1 6 5 k ，具有大的能隙，它可以用来制造高分辨率的x - r a y 探测器、超导量子混频等。 氮化钼( m o n ) 薄膜 1 “是一种有潜力的超导材料。 对铁磁物质( f e c o ) 进行氮化处理可以显著改进表面摩擦学特性，还可 以诱发有意义的形变，提高表面硬度。已经发现y7 一f e 。n 和n 一f e 。n 。具有 高的饱和磁化强度和低的磁矫顽力，在记忆材料方面有重要的应用价值“， 引起人们的注意。铁氮系统比较复杂，现在已经获得了许多这方面的资料信息， 估计将来可以得出f e n 合金相图，该相图在记忆材料领域很有价值。 氮化铝( a 1 n ) 是i i i v 族半导体化合物3 1 “，具有六方晶系结构和压电 特性。氮化铝具有很大的能带间隙( 6 e v ) 、较高的密度、( 3 3 9 c m 3 ) 、很大的 热导率( 3 2 0 w ( m 一七) - 1 ) 、很小的热膨胀系数( 4 6 1 0 - 6 c “) 和很大的体积电阻 率、它的硬度与石英相当( 2 o + 1 0 3 船( 掰m ) _ 2 ) 。a 1 n 化学稳定性好，即使在1 0 0 0 k 也不与大气发生反应。氮化铝薄膜具有低的声损耗和高的超声速度。氮化铝无 论是体材料还是薄膜材料都有特别广泛的应用，包括用于集成电路的密封装、 射频微波密封插件、热沉、切削工具，还可以用作紫外二极管激光器的散热器。 氮化铝薄膜还可以制造表面声波器件，它在电声、光声元器件制造方面是一种 很有前途的材料。 氮化碳也有重要的应用价值，根据a y l iu 和m l c o h e n 所预言”7 。1 ， 第一章第2 页共4 页 b c 3 n 。材料具有类似b - s i 。n 。的结构，是一种硬度优于金刚石的超硬材料，它 作为超硬材料有着广阔的应用前景。另一方面，氮化碳化合物的高德拜温度， 使得这种材料能成为一种极好的热导体，可用于短波长光电二极管上作散热性 良好的衬底材料。m l c o h e n 计算得到b c 3 n 。的间接带隙为6 4 e v ，其最小的 直接带隙为6 7 5 e v ，位于r 点，因而可作为一种高温半导体材料。b c3 n 。若 用于激光器上，将能得到一种从未得到过的波长的激光器。由于b - c 。n 。不具 有对称中心，加上它的许多特性，很可能是一种性能优异的非线性光学材料。 近十年来，b c 3 n 。超硬材料的研究已经成为国际上材料科学研究的一个热点。 虽然，是否能够合成完善的b c 3 n 。晶体还存在着许多争论，但仍有许多科学 家致力于合成b - c 。n 。的研究，并不断取得进展。 i 2 氮化物材料制各中的一个关键点 在氮化物材料的制备过程中，人们采用了许多不同的方法，如分子束外延 ( m b e ) 、化学气沉相积法( c v d ) 、反应溅射沉积法、离子束注入、氮气放 电辅助激光烧蚀沉积等等。这些方法在不同的研究工作中又有所变化，派生出 更多的方法。 实验和理论分析表明，原子态的氮比分子态的氮具有更高的化学活性，因 此在氮化物的形成中起着主要作用。由于气体放电是获得原子态氮的一个很好 的途径，所以，在合成氮化物的时候，人们采用了多种放电方法，如微波放电、 射频放电、直流辉光放电、真空阴极放电和弧光放电等。氮气放电等离子体中 原子态氮含量的高低直接影响到合成的氮化物材料的质量，是制备氮化物的一 个重要参数。如何提高放电等离子体中氮离子的含量，是氮化物材料制备中的 一个关键点。 第一章第3 页共4 页 复置大学1 0 0 0 届硬士学位论 1 3 本文的工作目标 本文的工作主要是围绕怎样提高放电等离子体中原子态氮的含量来展开 的。我们三束材料改性国家重点实验室的科研人员在过去曾用快脉冲放电的方 法成功合成了纯度很高的氮化铝。通过与空心阴极和直流辉光放电的比较，我 们发现壁盐整皇墨查型三塑墨兰堡妻。而且脉冲放电方法可以在几十帕到几个 大气压的很大气压范围和在几百伏到上万伏的电压范围内进行，避免了其它放 电方法中着火电压对气压和放电电压的限制。同时，由于脉冲放电的平均功率 很小，因此无须大功率的放电电源便可达到极大的放电电流，对放电电源的要 求和成本均很低，特别适合于配合脉冲激光烧蚀进行材料合成的研究。 在激光烧蚀方法制备纳米材料的时候，婪型全壁竺昼! 奎尘皇冀参怎垦直 着十分密切的关系。在我们过去的实验中发现，对脉冲放电而言，较高的放电 一、，_ _ 、 气压更有利于氮气的解离心。为了能在更大的气压范围内有效地合成氮化物， 即为了在低气压条件下也能获得较多的原子态的氮，我们尝试在氮气中掺入氨 气进行放电。选择氨气的原因在于氨气较易解离，且解离产物中的氢还可以还 原氧，这对于易氧化材料如铝，镓等的氮化物的合成是极有利的，已有一些科 研小组报道了使用氨气放电合成氮化物的研究心“2 “。在本文中，我们采用光 谱方法对氮气，氨气及其混合气体的脉冲放电等离子体进行了研究，分析了放 电等离子体的成分以及氮原子离子的含量随放电气压和氮氨配比的变化情 况，并用光谱分析的方法测量了等离子体的温度和其电子浓度随气压和氮氨 配比的变化情况。最后，我们用甲烷和氮气混合放电，初步合成了碳氮膜。 本文共分五章，在第二章中将介绍气体放电的理论和讨论如何用光谱分析 的方法测量快脉冲放电的等离子体的性能；在第三章中将具体地介绍我们的实 验装置；在第四章中将讨论我们的实验结果；最后，在第五章中对全文作一简 单的小结。 第一章第4 页共4 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 2 1 引言 第二章气体放电理论与等离子体的光谱分析 第一部分气体放电理论 通过某种机制使一个或几个电子从气体原子或分子中脱离而形成的气体媒 质称为电离气体。电离气体中含有电子、离子和中性原子或分子。如果电离气 体由外电场产生并形成传导电流，这种现象称为气体放电。 在氮化物材料制备中，人们常用气体放电的方法得到原子态的氮，在光谱 分析中，气体放电更是一种很重要的原子化技术。本文的工作也是建立在气体 放电的基础上的，本章对气体放电的主要理论作一简介。 2 2 气体放电中的相互作用忙3 2 4 气体放电中任何一个粒子都会通过碰撞过程与其他各种粒子产生相互作 用。粒子之间通过碰撞交换动量、动能、位能和电荷，使粒子发生电离、复合、 光子发射和吸收等物理过程。 粒子间的碰撞是指它们在各种力场下的相互作用。根据粒子状态的变化， 可以将粒子发生的碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞两大类。 在弹性碰撞中，参与碰撞的粒子其位能不发生变化。这类碰撞主要发生在 低能粒子间的碰撞中。在非弹性碰撞中，参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 例如，具有足够动能的电子与原子碰撞，原子得到电子交出的动能，而被激发 或电离，即原子的位能得到了增加。通常把这种导致粒子体系位能增加的碰撞 第二章第1 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 称为第一类非弹性碰撞。原子与原子、离子与原子、离子与离子之间都可以发 生这类非弹性碰撞过程。具有定位能的粒子通过碰撞也可以交出自己的位 能，同时使被碰粒子的动能得到增加。例如被激发到亚稳态的原子与电子之间 的碰撞，通过这种碰撞，原子回到基态，原子的激发能转化成了电子的动能。 通常把导致粒子体系位能减少的碰撞称为第二类非弹性碰撞，或称为超弹性碰 撞。光是一种电磁辐射，它的量子性称为光子。光的发射和吸收可以认为是光 子与原子或离子等粒子之间的相互作用，或者是它们之间发生了碰撞。这种碰 撞也有人称之为辐射碰撞。以下讨论碰撞引起的激发、电离和解离。 1 电子与气体原子碰撞导致激发和电离 原子的激发和电离可用简式表示如下： ( 2 1 1 ) o 其中e 是快速电子，e 是慢速电子，a 是被碰原子，一是激发原子，a + 是离子 e 是碰撞后电子、原子或离子的动能。这是激发电离的主要形式。 2 电子和激发原子碰撞，发生逐次激发、逐次电离。 ( 2 1 2 ) 式中( 爿+ ) + 表示较爿更高的激发状态。逐次激发、逐次电离是气体导电中产 第二章第2 页共1 8 页 e e - + p p 2 p + + 4 4 哼 1 、 4 4 + + p + p e e + 。 + ) + 4 彳 ( + p p 2 寸 哼 4 4 + + p + f 墨皇盔兰! 塑! 曼堡主兰垡望塞 生激发、电离的一种很重要的形式。当导电气体中既存在基态原予直接电离， 又存在逐次电离时，参与电离过程的电子平均能量降低了，降低的程度决定于 逐次电离的次数与直接电离的次数之间的比例。欲使逐次电离作用显著，就要 求导电气体中激发原子浓度大，更希望存在亚稳原子及谐振辐射扩散的作用明 显。所谓谐振辐射扩散，是指第一受激原子跃迁回基态，辐射出一定频率光子， 这个光子又使第二基态原子激发，以后第二原子又回到基态，使第三原子激发 这相当于把一个原予在激发状态停留的时间延长。对光子来说，即是把一个光 子囚禁在气体中而不使它发射出来。因此这一过程又叫“光子囚禁”。 3 电子和正离子碰撞 _ e + 彳+ 专 e + ( a + ) + + e ：+ 彳+ 争2p 十爿+ + + e ( 2 1 3 ) 式中( 爿+ ) + 表示离子激发态，4 ”表示二价正离子。这种激发、电离过程要 求电子必须具有很大能量。 4 电子和分子碰撞 电子与分子的碰撞，除了能使分子激发、电离以外，还能使分子发生分解。 电子与分子的碰撞激发，不仅可能激发分子的电子能级，也可能激发分子的转 动能级和振动能级。激发分子的转动能级和振动能级所需的能量比激发分子里 的电子能级要小得多。 第二章第3 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 e + a b e + ( 爿b ) + + e e + a b寸e + ( 一b ) + + p + e ( 2 1 4 ) e + a b斗e + a + b 十e 5 原子或离子与气体碰撞所致的激发和电离 这里讨论重粒子之间的碰撞使原子激发和电离的过程，可用简式表示为： b + a - - 9 a + + b + e 曰+ 4 寸一+ + b + p + e ( 2 2 5 ) 呻 b + + a a + + b + + e b + + 爿一a + + b + + e + e 其中b ，口+ 分别表示快速原子和快速离子。实验表明原子或正离子与原子碰撞 时产生激发和电离的几率都比较小，对此可从两个方面来理解： 其一是根据力学原理。设k 为碰撞粒子的动能，如认为被碰撞粒子相对静 止，则碰撞后能量的转移量为丝一k ，其中m ，、m ：分别为碰撞和被碰撞粒 铂+ ，毪 子的质量。在电子与原子做非弹性碰撞时，由于m ， 研。，则几乎所有的电子 动能都可以用来激发或电离原予。但对于原子或离子来说，由于m ，。m ，那 就只有大约5 0 的粒子动能可用来激发或电离原子，因而相应产生激发或电 离的几率要小些。 其二是原子或正离子的非弹性碰撞过程与电子的迥然不同。当具有相同的 动能时，电子质量小，其速度要比原子或正离子大许多倍。快速电子通过碰撞 并转移能量后可在很短的时间内离开，中性原子得到这部分能量必然使其状态 第二章第4 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 发生变化。对于速度小得多的原子或正离子，在它们与中性原子碰撞时，有较 长的相互作用时间，在这段时间内能量的转移会造成被碰撞原子的激发和电 离：但当碰撞粒子开始离开时，被碰撞原子的电子轨道系统又会回复到正常状 态，刚才获得的位能会转变为粒子相对运动的动能，因此激发或电离的几率要 比电子碰撞时小些。 6 光致激发和光致电离 光辐射也是能量的一种形式，光的能量有量子的性质。当用频率为v 的光 辐照原子时，实验发现原子会被激发或电离。这种现象可理解为光子和原子“碰 撞”使原子产生了激发或电离，与前面所讨论的过程不同之处在碰撞后光子把 能量交给了原子而自身不存在了。把所有辐射引起的原子激发和电离现象称为 光致激发和光致电离。 实际上，当原子从较高能态回到较低能态时辐射光子，而较低能态的原子 吸收一个光子的能量后会跃迁到较高的能态，这是个可逆过程，可用符号表 示为 v + a a + ( + ) ( 2 1 6 ) 所以光子可以使原子激发或电离，其必要条件是光子的能量必须大于或至少等 于原子的激发能或电离能。 7 热激发和热电离 对气体粒子体系加温，当气体温度较高时，快速运动的粒子数目大增。这 些高能运动粒子间的相互作用，能使它们的动能转变为它们的位能，于是气体 粒子被激发或电离了，这种现象称为热激发和热解离。在弧光放电和高温磁流 第二章第5 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 体发电装置中，热激发和热电离过程起着重要的作用。 在高温下气体中可能发生下列一些电离过程：( a ) 气体原子彼此之间碰撞 造成的电离。由于气体温度很高，它们的动能或速度很高，碰撞时的能量转移 能使气体原子电离；( b ) 炽热气体的热辐射造成气体的电离：( c ) 上述两种过 程中产生的高能电子与气体原子碰撞，使之电离。 8 气体原子的激发转移 气体原子从某一激发态消失的主要途径有：( a ) 自发辐射跃迁；( b ) 激发 态原子与电子碰撞，把激发能交给电子或从电子得到额外的能量，原子自身回 到较低状态或进一步被激发到更高状态；( c ) 激发态原子与基态原子碰撞，把 能量转移为其他原子的激发能或电离能。其中( b ) 、( c ) 两种过程通常被称为 激发转移，属于第二类非弹性碰撞，气体放电中( c ) 过程起着尤为重要的作 用。 实验发现，在适当的两种气体组成的混合气体中，它的着火电压会低于单 种气体的着火电压，这种效应称为潘宁效应。这种效应的过程可以用简式表示 为： 4 + + b 呻a+b+p+ae ( 2 1 7 ) 这是一种激发态原子a + 与中性原子口碰撞，转移激发态能并使b 原子电离的 过程。从能量守恒的要求，a 原子的激发能应该大于或至少等于b 原子的电 离能。实验发现爿的激发能越接近曰的电离能，这种激发转移的几率就越大。 当a + 是某个亚稳态时，即彳在该激发态有较长的停留时间时，那它与b 原子 的相互作用的几率就大，因此发生潘宁效应的几率也就大了。 第二章第6 页共1 8 页 曼昱杰兰! 塑! 旦堡主堂垒堕j ! 一 对于上述过程，从左方看是激发态爿+ 原子的消失，从右方看是正离子b + 的 产生，因此潘宁效应也是一种带电粒子产生的机制。 2 3 气体放电的分类( 2 4 气体放电的物理机制很复杂，在不同的条件下会出现不同的放电现象，因 此需要根据不同的条件运用不同的理论分析。气体放电有多种形式，其分类的 方法也有多种。可以按维持放电是否必须外界电离源而分为自持放电和非自持 放电，可以根据阴极的工作方式分为热阴极和冷阴极放电，可以根据放电参量 是否随时间变化分为稳态放电和非稳态放电，可以根据工作气压分为低气压放 电、高气压放电和超高气压放电，还可以根据工作气体的种类来分类。 在不同的物理条件下，由于占主导地位的基本物理过程不同，会产生各种 不同形式的气体放电现象。为了对各种放电的形式有一个初步的了解，先来分 析气体放电的伏安特性，它是放电电流随极间电压变化的关系曲线。 弧 图2 1 典型的气体放电伏安特性 图2 1 是一个典型的放电伏一安特性曲线。其中图上方，给出了测量的原理 第二章第7 页共l g 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 图。这个特性曲线随放电其他参量的变化会有所改变，但对大多数情况都是实 用的。从图可见，用灵敏检流计可以检测到电极间有微弱电流通过，最小可测 的电流约为1 0 一安，这种电流是无规则脉冲式的。如果在电极间另外增加一 些电子源( 例如用光照阴极产生光电子发射) ，则特性曲线会向右移动。随着 极间电压的增加，空间电荷可以完全被移上电极，所以电流趋向饱和，电流可 以增大到1 0 14 安。这部分电流也可能是由间歇辐射引起的，此时放电电流也 将是间歇性的。气体放电的这部分特性已被用来测量核辐射强度，g m 管( 盖 革和穆勒计数管) 就是利用了这个特性，故放电的这部分区域被称为盖革穆勒 区。 随着放电电压的继续增加，由于次级电离，放电电流先是缓慢增加，后来 却按指数增加。在这个范围内放电电流可增大1 0 8 倍，而放电电压却几乎没有 增加。这种突变性的过渡称为气体的击穿，对应的电压叫做击穿电压v 。在 气体击穿时。放电电流的增加与外界电离源无关，放电可以靠自身来维持，换 言之，这时的放电已从原来的非自持放电过渡到了自持放电。放电的这部分区 域属于汤生放电范围。 如果改变外回路电阻，继续增加放电的电流，放电间隙上的电压反而会降 低，并一直下降到某一个稳定的电压值。这里存在着一个放电从汤生放电，经 过电晕放电、亚辉光放电向辉光放电区域过渡的过程。在这以后放电电流又随 着电压指数增加，这个区域称为反常辉光放电区域。 当再继续增加放电电流时，放电将过渡到一种具有负特性的弧光放电区 域。弧光放电的正柱区为高能量的等离子体区，它发射着强烈的辐射。 由上述气体放电的伏安特性可见，其曲线的各段代表了不同的放电形式， 当然它不能包括所有的放电形式。在我们的实验中，主要涉及辉光放电和火花 放电两种形式。在低气压下的放电方式为辉光放电，在较高气压条件下的放电 方式属于火花放电。下面我们讨论辉光放电的物理基础。 第二章第8 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 辉光放电是气体放电的一种重要形式，因放电时管内出现特有的光辉而得 名。辉光放电可分为正常辉光放电、亚辉光放电、和反常辉光放电几种类型， 我们主要讨论正常辉光放电的理论，即对应于气体放电伏安特性曲线的e f 段。显而易见，辉光放电是一种自持放电，它是靠正离子轰击阴极所产生的二 次电子发射来维持。 辉光放电的整个放电区域呈现明暗相间的光层分布，分成几个不同的区 域。不同区域中，其发光强度、电位、电场强度、空间电荷量和电流密度的大 小不同。 从阴极开始首先是阿斯登暗区。在该区域里，电子从阴极出发，它们从电 场获得的能量还不足以激发原子，因此这里出现的是一个很薄的暗区。经过阿 斯登暗区后，电子从电场获得的能量已足以使原子激发，阴极辉光就是由这些 受激发的原予发出的。阴极辉光区的大小决定于气体的性质和充气压的高低， 在大多数情况下，阴极辉光紧贴在阴极上掩盖了阿斯登暗区。紧接阴极辉区的 是克罗克斯暗区，在该区域中电子的能量大部分用于电离碰撞。由此产生的大 量电子从电场重新获得激发能，与气体碰撞而产生负辉光。负辉光区的边界就 相当于电子具有足够的能量去激发原子的所有范围，负辉区发光最强。在此之 后又出现了法拉第暗区和正柱区。正柱区是从法拉第暗区一直向阴极伸展的气 体被大量激发和电离的区域，它是辉光放电的主要区域，但也可以不存在。正 柱区通常又称为等离子体区，满足电中性条件。在这里，电子使气体激发电离， 电子和离子的主要损失机构是双极性扩散。在电子到达阳极以前的几个自由程 的距离内，电子从电场得到相当大的能量，这些电子能够激发气体原子发光， 所以在阳极附近会出现阳极辉光。应当指出，上述的各个暗区并不是绝对无光， 丽只是相对于亮的辉光区域是暗了一些。在亮的阳极辉光区域里，电子激发和 电离原子的过程是相当活跃的。当减低气压时，负辉区和法拉第暗区开始扩展， 正柱区域会缩短；到气压足够低时，正柱区域甚至可以完全消失。如果在一定 第二章第9 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 气压下维持放电电流不变，把两个电极相互靠近，同样也可以看到正柱区域消 失的现象。 辉光放电是汤生放电的进一步发展，它们之间的一个主要差别在于辉光放 电具有较大的放电电流密度，而且空间电荷效应起着显著的作用。 脉冲放电【2 5 1 是我们实验中的主要放电方式，在放电管两电极之间加上脉冲 电压而产生的放电称为脉冲放电。根据放电电流密度大小，脉冲放电也分为辉 光放电和弧光放电。根据电流方向是否保持不变，脉冲放电又分为直流脉冲放 电和高频脉冲放电。 直流脉冲放电是放电过程中电流方向保持不变的放电，它是在脉冲电压高 于直流放电着火电压时发生的。在电流密度不很大的情况下，脉冲放电的基本 物理过程与辉光放电、弧光放电、火花放电类似。当电流密度很大( 比如在较 小的截面上通过几百万安培的脉冲电流) 时就会出现新的与上述各种放电形式 都不同的基本过程，被称为强流脉冲放电。这种放电用于研究产生受控核聚变 的等温等离子体中。脉冲辉光放电在气体激光器中是非常有用的一种放电形 式。脉冲弧光放电能在很短时间内发出很强的光，能作发光很强的脉冲光源。 脉冲弧光放电发生时往往伴随着火花放电。产生脉冲放电的工作原理电路如图 2 2 所示。当直流电源经过电阻r 向电容器c 充电到一定电压时，对绕于放电 管上的触发丝施以触发高压脉冲，使放电管内气体电离，电容c 随即通过放 电管放电，储藏在电容器中的大量电能便在很短时间内以光能形式释放出来， 形成极强的闪光，随后放电熄灭。 电容器通过放电管产生脉冲弧光放电，它不是一种稳态放电，而是从开始 到结束的放电过程都在不断地变化着，可把它分为瞬态过程和类稳放电两个阶 段。瞬态过程，放电具有火花放电的性质；类稳放电则相似于大电流的弧光放 电。下面简短地讨论脉冲弧光放电的发生、发展和熄灭的过程。 当直流电源经过充电电阻向电容器充电到一定电压后，在触发丝上加以数 第二章第1 0 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 万伏的高压触发脉冲，使放电管内的气体预电离击穿，形成很细的非均匀的火 花通道，其宽度约为几个微米。气体电离后产生的电子在轴向电场作用下得到 加速，并以很大的速度向阳极运动，同时又使气体进步电离。在电子雪崩过 程中，光电离起了很大作用。由光电离形成的电子雪崩和主电子雪崩汇合，沟 通了整个放电通道。储存在电容器中的能量通过火花放电通道迅速释放，放电 通道内气体被强烈的电离和加热，气体的加热引起放电通道的膨胀，其速度一 般在声速的数量级，经过约几个微秒的时间，放电通道横截面达到它的最大值。 这就是火花放电增长的过程，也是脉冲弧光放电发生的过程。 火花放电增长到一定程度，由于电容器储能迅速通过放电管释放，脉冲电 流很大( 常达每平方厘米数千安培) ，放电空间电场强度又很强，使带电粒子 能量很大，电离度高，气体温度也高，从而在放电管内产生了高温( 约1 0 0 0 0 k ) 等离子体。在阴极表面具有很强的电场和很高的温度，这就产生了显著的场致 发射和热电子发射，以此来维持类稳放电阶段的大电流。在整个脉冲放电过程 第二章第1 1 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 中，这一阶段持续时间较长，约5 0 u s 左右。电容器储能的大部分也在这段时 间内输入放电管内而转换成光能。在类稳放电阶段，由于放电管内电离度很高， 甚至接近完全电离状态，因此这段时间的放电具有正伏安特性，并且有一近似 常数的电阻值。这就是脉冲弧光放电发展的过程。 随着电容器储能的释放，使得加在放电管上的电压下降，放电空间电场强 度也相应减弱，电子温度随即降低。当输入放电管的能量不足以克服高温等离 子体的辐射和其它损失时，放电等离子体便逐渐冷却，相应地放电管的电阻逐 渐增加。最后，当电容器供给放电管的能量不足以维持放电时，放电就熄灭了。 这就是脉冲弧光放电熄灭的过程。 2 4 气体放电的理论 气体放电主要有两种理论，即汤生放电理论和流光理论。在低气压放电中 气体的击穿可以用汤生放电理论描述，在高气压条件下，用流光理论描述。 1 汤生放电理论 2 6 1 在低气压( p ( 6 + 1 0 3 p a ) 条件下，当放电空间电场强度足够高时，带电粒 子在漂移运动过程中，从电场获得足够高的能量。具有高能量的带电粒子与气 体粒子可发生非弹性碰撞，使之激发或电离，从而使空间产生新的带电粒子， 因而气体中带电粒子浓度不断增大。实际放电空间带电粒子的产生过程是多种 多样的，而且也是很复杂的。为了描述气体导电中的电离现象，汤生提出了三 种电离过程，并引出三个对应的电离系数。 汤生第一电离系数一一q 系数。在均匀电场空间，电子在向阳极运动的过 程中，从电场获得能量，具有较高能量的电子与气体原子碰撞可使之电离。每 个电子在沿电场反方向运行单位距离的过程中，它与气体原子发生碰撞电离的 第二章第1 2 页共1 8 页 墨呈盔兰! 塑! 旦壁主兰垡堡奎一 次数就是a 电离系数。这种电离过程也称为a 过程。 汤生第二电离系数一一b 系数。同样每个正离子在向阴极运动的路程中， 也与气体原子不断发生电离碰撞，b 系数就是个正离子沿电场方向运行单位 路程所产生的碰撞电离次数。这种电离过程也称为b 过程。 汤生第三电离系数一一y 系数。空间的正离子携带一定能量打上阴极，使 阴极产生二次电子发射。每个正离子打上阴极表面时，引起阴极二次电子发射 数就是y 系数。这种过程也称为y 过程。 汤生认为气体的放电机理是：从阴极发射的电子在电场作用下获得足够的 能量，它们与气体分子碰撞并产生电离，导致带电粒子的增加，增加后的电子 在电场作用下继续获得能量并使更多的分子电离，产生电子雪崩，这是a 过程； b 过程也会产生雪崩增加带电粒子数，而y 过程又会引起阴极二次电子发射， 如此继续不断的雪崩增长，阴极二次电子发射也不断增强，使气体导电率不断 增加，最终使气体击穿形成稳定的自持放电。 2 火花放电的流光理论1 2 ) 汤生放电理论有其局限性，对于高气压下的一些放电现象( 如火花放电) 不能给出合理的解释。因此，人们在汤生理论的基础上，发展了流光理论。汤 生理论是采用在阴极上的y 过程使电子雪崩逐渐发展起来的理论，而流光理论 是只考虑单个电子雪崩的发展而造成气体击穿的机理。 在火花放电中，从云雾室照相结果可以看到，在阳极附近存在着电离粒子 的大量积聚。其电离程度大大超过电子雪崩中的电离程度，这种高度电离区域 的形成及其迅速传播的特征，称为流光。在放电中流光发展的速度非常迅速。 流光有正流光和负流光之分。从阳极向阴极发展的流光称为正流光；从阴极向 阳极发展的流光称为负流光。 第= 章第1 3 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 按照流光理论，当气体击穿时，只有一个电子雪崩通过放电间隙，而这个 电子雪崩引起了迅速扩展并导致通过放电间隙的流光的出现。流光的形成是以 气体的容积光电离和雪崩头部前面强电场的形成为基础的。我们以负流光的形 成来说明流光的形成过程：从阴极发射出的初始电子在外电场的作用下形成主 电子雪崩；电子运动过程中形成的激发态原子辐射出大量的光子，在空间使气 体原子电离产生光电子，并由光电子形成的大量次级雪崩，当这些次电子雪崩 互相汇合时就形成迅速向阳极扩展的负流光。当在两个放电电极间存在连续的 流光时，通道里的电离强度会突然增加，而且进一步发展，以致造成电极问气 体的击穿。此后可能转向弧光放电。 第二部分等离子体的光谱分析 2 2 1 利用等离子体辐射光谱线相对强度来估算等离子体电子温度。啪 热平衡态等离子体中，处于各能级的粒子数分布( 态密度数) 遵循玻耳兹 曼分布，即： 监：e x p ( 一姓)( 2 2 t ) n 。g 。一k t 。 7 心和虬分别是和7 能级的粒子数密度，和晶是7 和力能级各自的兼并 度，e 。和以是相应能级的能量。在等离子体辐射谱中选取一对属于同一元素 的原予或原子性离子的谱线，其辐射强度分别为： 第二章第1 4 页共1 8 页 茎呈盔兰! 塑! 旦堡主兰堡堕奎一 j 。= nm h v 。am ( 2 2 2 ) i 。= n 。h v 。ra 。 对于确定的原子或原子性离子能级，它的能态能量是已知的，辐射频率也 是确定的。如果厶，、4 ，、岛、岛和两根谱线的强度比o o 知道，就能从上 面的式子算出等离子体中电子的温度七t 。但厶，、4 ，并不相等，各能级兼并度 g 棚和晶也不一样，若都认为它们相等，估算出的电子温度误差比较大。同时测 量系统的色散特性和频率响应不同，也会对相对强度测量产生严重的影响，降 低了估计精度。为减小测量仪器的影响，所选谱线应尽可能是波长或频率比较 接近的那些谱线。 为了避免能级兼并度和自发跃迁几率取值的困难，有人采用一组谱线，它 们是由不同的高能级m 向一个公共能级跃迁，这时有： 而 争= 争e 坤c 一 c z z 。， k = 等e x p ( 一) a 。， ( 2 2 4 ) gr k l e j v 取对数： l n k = i n ( g g ，n ，a m r 枷一卜等i c l ( 2 2 5 ) g r。 根据上式，将实验测得的各条谱线强度，画出l n ( 乇，) = f ( h v 。，) 的半对数蓝 线，此线的斜率中包含有圮的信息。 第二章第1 5 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 2 2 2 谱线轮廓法m 3 原子或离子发射的谱线不可能无限窄，总是具有一定的宽度，而且具有一 定的形状，故称之为谱线轮廓。谱线的宽度和轮廓取决于等离子体本身的状态 和所处的环境。至于谱线为什么具有一定的宽度( 即谱线的展宽) ，有以下几 种机制。 ( a )自然展宽。由发射引起的谱线展宽称作自然展宽。由海森堡测不准原 理： e + r l 2 万 v + f l 一 2 石 ( 2 2 6 ) 其中，是原子处于激发态能级的时间，e 是能量的不确定性。所以， 式中的v 就是自发发射引起的频率展宽。 ( b )多普勒展宽。由粒子无规热运动引起的谱线加宽称作多普勒展宽。 于粒子运动速度是有分布的，我们熟知多普勒效应的频率位移为： 业：型：三 ( 2 2 7 ) vc五 其中，v c o s o 是粒子速度在平行与观察方向的速度分量。设粒子运动具有 麦克斯韦速度分布，则可求得多普勒效应下的频谱为： 第二章第1 6 页共1 8 页 复旦大学2 0 0 0 届硕士学位论文 m 弘k e x p 【( 筹) 2 】 ( 22 8 ) 其中v o 是谱线中心处的频率，k 表示谱线中心处的强度( 即最大值) a v = v 一v o 是谱线宽度中某处与中心频率的频差。而a v d 为 v 。= 争( 争) ( 2 2 9 ) 其中，霄是气体常数，m 是原子质量。 当我们令前面式中的，( v ) 等于最大值k 的一半时，它所对应的谱线宽度称 为半宽度： 矽。“”1 。( ) ( c ) 碰撞展宽( 压力宽度) 。由发射体与周围粒子相互作用引起的谱线展宽称 作碰撞展宽。它主要取决于粒子的数密度和等离子体的压力。碰撞展宽又分为 带电粒子相互作用引起的s t a r k 展宽，同类中性粒子相互作用引起的共振展宽 和非同类中性粒子相互作用引起的范德瓦尔( 或洛伦茨) 展宽。 当电离度超过1 时，s t a r k 展宽起主要作用，下面着重讨论它。l o r e n t z 、 a n d e r s o n 和b a r a n g e r 等推导出s t a r k 加宽的频谱为： 卜丢f 古簪焉可 第二章第1 7 页共1 8 页 壅呈查兰! 塑! 星堡圭兰堡堡奎 其中，碾是s t a r k 效应引起的谱线半宽度，d 是谱线最大值的位移。 即使在用多普勒宽度确定等离子体的参数时，也必须考虑s t a r k 展宽的影 响。温度对多普勒宽度影响很大，而s t a r k 宽度