（等离子体物理专业论文）低温等离子体发射光谱学研究.pdf

张家良：大连理工大学博士学位论文 摘要 本文概述了双原子分子光谱理论，指出了双原子分子光谱对等离子体光谱诊断等 的重要性，总结了应用双原子分子发射光谱和原子发射光谱进行等离子体诊断的原逛 和实现方法，给出了几个常用的双原子分子的光谱数据。强调光谱分析方法的重要性 的同时，对双原子分子光谱精细结构的理论进行了研究，迸一步阐述了双原予分子日 子能级a 双重分裂的物理实质，建立了不仅适用于双原子分子而且适用于多原子线蚕 分子a 双重分裂理论，推广了双原子分子精细光谱结构理论的适用范围，使得一个精 细光谱理论中的代数学问题得到了澄清： 等离子体发劓光谱的空间分辨分析是等离子体光谱学诊断的关键技术。本文提目 了一种利用光纤和透镜实现空间分辨发射光谱测量的方案，分析了这种方案进行空1 分辨的原理，得到了空间分辨的条件和精度。借助于透镜的会聚可以较好地实现空咋 分辨测量。与阿贝变换原理获得空间分辨光谱的方法相比，此方法简便有效、适用隹 强、应用范围广，是针对光学薄体系实现空间分辨光谱测量的有效方法。 针对几种常用放电体系的低温等离子体，进行了发射光谱研究。包括直流辉光盘 电、射频辉光放电等离子体的放电动力学研究：针对直流辉光放电和射频辉光放电睁 对比，进行了发射光谱动力学的碰撞辐射模型数值模拟，得到了一些有关射频辉光危 电过程的有用信息，如射频辉光正柱区的电场比直流辉光区的电场强。利用n 。辉光宠 电中n z + 的发射光谱研究了放电空间的温度分布的变化规律，发现了直流放电的一些重 要特性，如阻碍辉光与正常辉光的光谱差别。研究了磁控溅射沉积c m 膜过程中c ne 由基的形成机制，认为在低温等离子体溅射体系中c n 是在溅射靶表面形成的，不同 激光烧蚀等离子体中c n 的形成。测量了交流电晕放电c h 等离子体中c h 自由基的转亏 分辨光谱，得到了等离子体发射光谱条件下获得的转动分辨较好的c h 自由基发射光谨 结果之一，可用于验证c h 自由基的光谱常数和获得c h 的生成温度等。 本文提出了一种不同于光谱模拟的光谱拟台数值计算方法，并且针对这种算法绑 写了数种计算程序，根据测得的n 2 + 第一负带和c n 基团的发射光谱进行了n ：+ 转动温鹰 和等离子体磁控溅射形成的c n 基团的生成温度的拟合和模拟计算，验证了针对低温笔 摘要 离子体溅射体系本文提出的c n 形成过程的化学热力学模型 本文在阐述等离子体静电诊断方法的基本理论的基础上提出一种原理较简单、但 设计细致且需要详细理论分析计算为基础的负离子探针方法。指出了此种探针设计的 基本原则和必须加以细致处理的几个关键问题给出了相应理论分析的基本过程和结 果。同时也指出了这种负离子探针的局限性，即与其它静电探针一样有其使用范围， 但是针对负离子是一种切实可行的静电诊断方法。分析了高气压低温等离子体的静电 探针理论的电容模型，阐述了存在磁场的低温等离子体的静电探针理论的管道模型。 本文附录中介绍了计算过程中所用到的计算程序，包括编写的n 。+ 和c n 自由基发 射光谱的拟合和模拟程序。 本文主要结果：( 1 ) 提出了一个原理简单、但须精心设计的负离子静电探针方案 ( 2 ) 推广了双原子分子光谱理论中电子能级a 分裂的理论，使之不仅适用于双原子分 子而且适用于线性多原子分子。同时澄清了a 分裂的系统算法中的一个代数学问题，证 实了线性分子角动量与非线性分子角动量的代数学性质明显不同，线性分子角动量不 能构成上升、下降算符。( 3 ) 提出了一种利用光纤和透镜实现空间分辨转动光谱测量 的实验方案，并且已用于许多场合等离子体发射光谱的空间分辨测量。( 4 ) 提出了一 种针对良好转动分辨的转动光谱带的光谱拟合算法，并实现了相应程序应用于n 。+ 第一 负带进行转动温度拟合分析。( 5 ) 利用电晕放电方式实现了较高气压c 吼放电中c h 自 由基转动分辨光谱的测量。( 6 ) 提出了磁控溅射沉积c n 。膜过程中c n 自由基形成的化 学热力学模型，并根据c n 的发射光谱测量的转动温度结果进行了验证分析。 创新之处：( 1 ) 提出了双原子分子转动分辨发射光谱的拟合方法，并利用拟合方法 进行了氨气直流辉光放电产生的第一负带转动分辨光谱和磁控溅射沉积c n 。膜过程中 c n 基团的振动带的转动线型拟合，获得了相应的转动温度。此拟合方法不但适用于玻尔 兹曼分布的分析，也适用于非玻尔兹曼分布的分析。( 2 ) 提出了一种利用光纤和透镜实 现空间分辨光谱测量的实验方案，并应用于c n 自由基发射光谱的空间分辨测量，证实 了低温等离子体溅射体系中关于c n 自由基形成的化学热力学机理。 关键词：低温等离子体，发射光谱，诊断 张家良：大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t s e m i s s i o ns p e c t r o s c o p ym e t h o d o l o g y f o rl o w t e m p e r a t u r ed i s c h a r g e p l a s m ao fl o wp r e s s u r eg a s l o w p r e s s u r eg a sd i s c h a r g eh a sb e e nf r e q u e n t l yu t i l i z e dt og e n e r a t ep l a s m a i n l a b o r a t o r ya n da p p l i c a t i o n t h i sk i n do fd i s c h a r g ei sc a p a b l eo fp r o v i d i n gv a r i o u s k i n d so f p l a s m af o ra n yr e q u i r e m e n t sa n dr e a l i z i n gc o n t r o lo fp l a s m ap a r a m e t e r s t h e r eh a v eb e e nm a n yk i n d so f g a sd i s c h a r g et og e n e r a t ep l a s m ai n av e r yw i d e s c o p eo fp a r a m e t e r s d i s c h a r g e s m a i n t a i n e dw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r sp r e s e n t d i f f e r e n tp h y s i c a lc h e m i s t r ya n dt h e r e f o r eo b e y sd i f f e r e n tl a w sw h e nt h e yr e a c t w i t ho t h e rs t a t u so fm a t e r ，l o wp r e s s u r e d i s c h a r g e c a nb ed i v i d e di n t od c d i s c h a r g e ；a cd i s c h a r g e ；h f ( h i g hf r e q u e n c y ) d i s c h a r g e a n dm i c r o w a v e d i s c h a r g ew h e nt h ed i s c h a r g ei s e x c i t e db yd i f f e r e n tp o w e rs o u r c e si nr e c e n t y e a r s ，m a n yn o v e ld i s c h a r g e s c h e m e sa r e i n v e n t e d ，s u c h a se l e c t r o nb e a m i o n i z a t i o n ；i o nb e a mi o n i z a t i o n ；l a s e rb r e a k d o w na n di n h o m o g e n e o u sp h a s e d i s c h a r g e n o m a t t e rh o wd i f f e r e n tt h e d i s c h a r g e s c h e m e i s ，l o wp r e s s u r e d i s c h a r g ep l a s m a st a k eac o m m o nc h a r a c t e r i s t i co fb r i g h tg l o wa n di sg e n e r a l l y e n t i t l e da sl o wt e m p e r a t u r eg l o wd i s g h a r g e g l o wd i s c h a r g ep l a s m ah a sb e e n s e l e c t e da sam o s ts u i t a b l es y s t e mf o rp l a s m ad i a g n o s t i c si n l a b o r a t o r ya n df o r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t b e c a u s eo fi t s g o o ds t a b i l i t y a n d r e p r o d u c i b i l i t y i t sm a c r oa n dm i c r o s c o p i cp r o p e r t i e sa n dt h ep h y s i c a l c h e m i s t r y p r o c e s s e so c c u r r i n gi np l a s m as y s t e m sa r e t h ef o c u s e so fp l a s m a d i a g n o s t i c s ， b e c a u s er e l i a b l em e a s u r e m e n to fp l a s m ap a r a m e t e r sa n da c c u r a t eu n d e r s t a n d i n g o ft h em e c h a n i s mo f p l a s m ap r o c e s s e sa r en o to n l yt h ep r i n c i p a lp r o m o t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to fp l a s m ap h y s i c sb u t a l s ot h e n e c e s s a r yp r e c o n d i t i o n s f o rt h e r e a l i z a t i o no f p l a s m a t e c h n o l o g i e s o n eo ft h ef o c u s e so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s c r i b et h ee m i s s i o n o p t i c a l s p e c t r o s c o p yo fl o wp r e s s u r ed i s c h a r g ep l a s m a sa n dp r e s e n t st h el a w so b s e r v e d b yt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s e si nt h ep l a s m a s s o m ed i a g n o s t i cm e t h o d sb a s e d o np l a s m as t a t i c e l e c t r i c i t ya n ds p e c t r o s c o p ya r et h e o r e t i c a l ! yo u t l i n e da t f i r s t ， a n dt h e ns o m ei n v e s t i g a t i o n sa r et h e o r e t i c a l l ym a d eo nt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e d i a g n o s t i cm e t h o d s a sr e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o n s ，s o m ei m p r o v e m e n t so ft h e a b s t r a e t s p r i n c i p l e s o fd i a g n o s t i c sh a v eb e e na c h i e v e da n ds o m en e wa n a l y t i c a lm e t h o d s a r ed e r i v e df o rt h ed e s i g no fd i a g n o s t i ct o o l sa n dt h ee x t r a c t i o no fm o r ea c c u r a t e i n f o r m a t i o n e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sh a v e a l s om a d eo ns o m en o v e la n d t y p i c a lp h e n o m e n a o c c u r r e di nl o w p r e s s u r ed i s c h a r g e s t o d i a g n o s e t h e m e c h a n i s m so ft h e s ep h e n o m e n aw i t hh e l po fs o m ed i f f e r e n tm e t h o d sa n dt h e n e w l yd e v e l o p e da n a l y t i c a la l g o r i t h m s p l a s m as y s t e mc o n t a i n sav e r yl a r g ea m o u n to fc h a r g e dp a r t i a l sa n dh e n c e s t a t i c e l e c t r i c a lf i e l da l w a y se x i s t sw i t hp l a s m a t h es t a t i c - e l e c t r i c i t yo fap l a s m a s y s t e mi st h em o s tb a s i cp r o p e r t ya n da l s ot h eb a s eo f t h eo t h e rp l a s m a p r o c e s s e s b e c a u s et h ec h a r g e dp a r t i c l e si np l a s m am o v ea l lt h et i m ea n dt h ep l a s m aa l s o c o n t a i n sal a r g em o u n to f e n e r g e t i cs p e c i e s ，s u c ha se x c i t e ds t a t e sa n dr a d i c a l s ， r a d i a t i o na n do p t i c a le m i s s i o ni sa n o t h e rp r i n c i p a lp r o p e r t yo fp l a s m a t h e r e f o r e ， t h ed i a g n o s t i c so fe l e c t r i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fp l a s m af o r mt h eb a s i c r e s p e c t so fp l a s m ad i a g n o s t i c s t h ea u t h o rr e p o r t si nd e t a i li nt h ed i s s e r t a t i o nt h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nt h ep h e n o m e n ao fs o m ec o m m o n d i s c h a r g es y s t e m sa tt y p i c a lo p e r a t i o ns t a t u s s u c ha sd cg l o w ；r f ( r a d i of r e q u e n c y ) g l o wa n dm i c r o w a v ee c r ( e l e c t r o n c y c l o t r o nr e s o n a n c e ) d i s c h a r g e t h e i n f l u e n c e so f d i s c h a r g ep r e s s u r e a n d v o l t a g eo n t h ed i s c h a r g em o d ea r es t u d i e di nn 2d ca n dr fg l o w d i s c h a r g e r f d i s c h a r g eu n d e rl o wp r e s s u r et a k e st h es i m i l a rb r e a k d o w nm e c h a n i s mw j t hd c g l o wd i s c h a r g e ，b u tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fo p t i c a le m i s s i o ns p e c t r af r o mr f g l o wi sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to fd cg l o wd i s c h a r g e i ti s c o n t r i b u t e dt ot h e d i f f e r e n t o p t i c a l e m i s s i o nk i n e t i c s b e t w e e nr fg l o wa n dd cg l o ws y s t e m s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h eb o t hg l o ws c h e m ea r ed o n eu s i n gc o l l i s i o r tr a d i a t i o n k i n e t i cm o d e l t o g e t h e r w i t h p r o f b o g e a r t s o f b e l g i u m m i c r o w a v e e c r d i s c h a r g ep r o d u c e sak i n do fp l a s m aw i t ho v e r h e a t e de l e c t r o n s ，w h i c hi sb e n e f i t f o rt h ef a b r i c a t i o no fs o m ef i l m o p t i c a le m i s s i o n s p e c t r o s c o p y i su s e dt o i n v e s t i g a t et h ef o r m a t i o nk i n e t i c so fs o m ek e yp r o c e s s o r sf o rt h es t o i c h i o m e t r i c c 3 n 4f i l md e p o s i t i o n an o v e lm e c h a n i s m o ft h ef o r m a t i o no fc n ，w h i c hi so n eo f t h ep r e c u r s o r so fc 3 n 4f i l md e p o s i t i o n ，i sv e r i f i e df o rt h ef i r s tt i m e t h ea u t h o rp u s h e sa w a yt h e o r e t i c a l l ys o m el i m i t a t i o n so fs o m ed i a g n o s t i c t e c h n o l o g i e s a f t e re v a l u a t i n gt h e i rp r i n c i p l e s e l e c t r i c a lp r o b e sa r e v e r ys i m p l e a n de a s yd i a g n o s t i cm e t h o d s h o w e v e r , n a t u r em a k e so n ep a yap e n a l t yf o rt h e 2 张家良：大连理： 大学博士学位论文 s i m p l i c i t y ：t h et h e o r yo f p r o b e i se x t r e m e l y c o m p l i c a t e d p l a s m a w i t he i t h e rh i g h p r e s s u r eo rn o n u n i f o r mm a g n e t i cf i e l di sp r o h i b i t e db ye l e c t r i c a lp r o b eb e c a u s e t h ee x t r e m e l yc o m p l i c a t e dp r o b ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb l o c k so n et oe x t r a c tc o r r e c t i n f o r m a t i o no fp l a s m a t h ea u t h o rh a sa c h i e v e d a n a t t e m p tt o u n d e r s t a n dt h e p r o b ec h a r a c t e r i s t i c c u r v et h e o r e t i c a l l ya n dt h e r e f o r ep r o v i d e sap o s s i b i l i t yt o e x e r tap r o b et on e g a t i v ei o nm e a s u r e m e n t a sac o n s e q u e n tf r u i to ft h em a g n e t f i e l da f f e c to np r o b e ，an e ws c h e m eo f n e g a t i v ei o np r o b ei sp r e s e n t e d o p t i c a l e m i s s i o ns p e c t r o s c o p yi sap o w e r f u lf o o lf o rt h ed e t e c t i o no fs e v e r a lp l a s m a p a r a m e t e r sh o w e v e r , s p e c t r u ma n a l y s i si sa d i f f i c u l tt a s kt h a ts e r i o u s l yl i m i t st h e a p p l i c a t i o no fo p t i c a l e m i s s i o ns p e c t r o s c o p y an e wi d e ao fs p e c t r a l f i t t i n g i s i n v o l v e di nt h ed i s s e r t a t i o nt ot a k et h ep o s i t i o no fs p e c t r a ls i m u l a t i o nw i t ht h e a i do ft h e p r i n c i p l e o fs p l i c ef u n c t i o n f i r i f f g ，s p e c t r a lf i t t i n g s c h e m ee x t e n d s s p e c t r u ma n a l y s i sf r o mo n l yb o l t z m a n nd i s t r i b u t i o nt oa n yr e a s o n a b l ep o s s i b l e d i s t r i b u t i o n h y d r o - g r o u p s h a v ev e r ys m a l lr o t a t i o ni n e r t i am o m e n t u ma n d t h e r e f o r et h e i rr o t a t i o n a lr e s o l v e do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r aa r ed i f f i c u l tt om e a s u r e i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h er o t a t i o n a lr e s o l v e do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r ao fc h r a d i c a li ss u c c e s s f u l l yd e t e c t e dw i t hah va c d i s c h a r g eo fc h 4 i nt h ed i s s e r t a t i o n t h ea n a l y s i so ft h er o t a t i o n a lr e s o l v e do e sl e a d st oa ne x t e n s i o no ft h e 人 s p l i t t i n gt h e o r e m f o rd i a i o m i cm o l e c u l e st ol i n e a rp o l y - a t o m i cm o l e c u l e s t h ed i s s e r t a t i o ni s c o m p o s e do f7c h a p t e r s a n do n ea p p e n d i x t h em a i n r e s u l t so f t h ed i s s e r t a t i o na r e ：( 1 ) as c h e m ef o rp r o b i n g n e g a t i v ei o n si np l a s m a i sd e s i g n e d ( 2 ) as p e c t r u mf i t t i n gm e t h o df o ro p t i c a le m i s s i o ns p e c t r aa n a l y s i s t a k e st h ep o s i t i o no ft h ec o n v e n t i o n a ls p e c t r u ms i m u l m i o nm e t h o d ( 3 ) t h ea s p l i t t i n g t h e o r e mo fd i a t o m i cm o l e c u l e si s e x p a n d e d t ol i n e a r p o l y - a t o m i c m o l e c u l e s t h e o r e t i c a l l y a l s o ， a m i s u n d e r s t a n d i n g i nt h e a l g e b r a f o rt h e c o m p u t a t i o no ft h em a t r i xe l e m e n t so fas p l i t t i n g i n t e r a c t i o nh a m i l t o n i a nh a s b e e ni d e n t i f i e da n dr e s o l v e d ( 4 ) an o v e ls c h e m ef o rt h em e a s u r e m e n to f s p a t i a l r e s o l v e do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r ah a sb e e ni n v e n t e do nb a s eo fac o l l e c t i o nf i b e r a n dl e n s t h er e s o l u t i o na n da c c u r a c yo ft h es c h e m eh a v ea l s ob e e nv e r i f i e d ( 5 ) aw e l lr o t a t i o n a lr e s o l v e do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r ao fc hr a d i c a li sa c h i e v e di na k i n do fh v ( h i g hv o l t a g e ) a c ( a l t e r n a t ec u r r e n t ) c o r o n ad i s c h a r g eo f m e t h a n e ， w h i c hi s v e r y d i f f i c u l tf o ra n yo t h e rk i n d so fd i s c h a r g eb e c a u s et h e r o t a t i o n e n e r g yi n t e r v a lo fc hi st o ol a r g ef o re n o u g hr o t a t i o nl e v e l st ob ed i s t r i b u t e d a f i s t r a c t s _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ 一 t h e r m a l l yb yp l a s m a ( 6 ) an o v e lf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc nr a d i c a li ng l o w p l a s m am a g n e t r o ns y s t e mi sp r e s e n t e da n di sv e r i f i e d b yt h eo p t i c a le m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co fc nr a d i c a l k e y w o r d s ：l o wt e m p e r a t u r e p l a s m a ，o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ， d i a g n o s t i c s 4 张家良：大连理工大学博士学位论文 第一章综述 等离子体诊断学的发展历程 人们意识到等离子体的存在已经两个多世纪，随着人们对等离子体物理现象 的观察和研究的不断深入，等离子体科学的内涵已经变得十分广泛，其分支越 来越丰富，已扩展到自然科学和工程技术的各个领域。放电物理学、大气物理 学、空间科学和宇宙物理学的研究成果丰富了等离子体物理学的内容，同时也 促进了实验等离子体物理学的发展，对等离子体状态和过程进行测量诊断的原 理和技术方法获得了很大的改进，并且一直处于迅速发展变化中。 1 1 等离子体的基本特征n 1 从早期的低气压气体放电物理，到大气物理学，直至现代的空间科学和宇宙 科学的研究发现都无一例外地证实了等离子体存在的广泛性。等离子体是指具 有宏观时空尺度的由带等量异号电荷的微观粒子组成的准电中性多粒子体系。 等离子体的物理性质是多方面的，其中存在的大量带电粒子使得等离子体成为 电磁相互作用占主导地位的宏观体系。电磁作用是长程作用力，等离子体的存 在和稳定需要平衡电磁作用力的相互作用来维持，热运动力是等离子体中平衡 电磁作用力的最重要因素。因此等离子体的宏观性质在一定程度上与气态是相 近的。等离子体作为一种大量微观粒子组成的热力学体系”1 ，其中热运动和电 磁作用过程共存，描述其热学性质的物理量一温度就表现出相当的复杂性， 由于不同成份之间的非热力学平衡，使得必须用多种温度，其中的中性成分、 离子成分和电子分别具有不同的温度。电子和离子的活动性使得等离子体有极 强的维持电中性的能力，电中性的维持从空间角度讲是以德拜长度d 。为特征的， 小于d 。的空间尺度内电中性不成立。从时间尺寸上讲电中性的建立时间以等离 子体的电子振荡周期f 。为特征，f 。在, u s 一”s 的量级。等离子体电中性的维持使 电场强度变得十分不均匀。电场主要集中于等离子体受约束的边界鞘层处。电 子和离子的惯性和温度的巨大差异是形成鞘层的内在原因。等离子体含有负离 子时，等离子体会表现出多层鞘层结构。 等离子体还表现出能量转化和物种转化特性。光发射和化学反应过程是最重 第一章综述等离子体诊断学的发展历程 要的过程3 1 。等离子体是一个含大量激发态基团和自由基的富能系统，富能物 种成为光发射的辐射源，同时又是激发化学反应的活化物种。 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“1 。电磁波既有 电磁波特征又有物质性，与等离子体间的作用不仅影响等离子体的电磁过程， 而且影响其中的能流过程。等离子体波动的非线性和非稳定性是这种复杂性的 集中体现。例如等离子体受高频波的激发过程就呈现出电场激发，磁场激发和 螺旋波激发等三种形态”1 。离子体对电磁波的散射和吸收过程已成为等离子体 诊断的重要工具。固体材料与等离子体的作用过程中，除了鞘层形成外，对材 料表面的刻蚀”1 、溅射”1 、加热“3 ，注入。1 和化学生长过程”是等离子体材料特 征的主要表现形式。 1 2 等离子体诊断方法的分类 静电探针法”“利用的是等离子体中的静电现象：光谱学诊断方法借助的则 是等离子体中的光学现象和相应过程；等离子体是一种由带电粒子和中性粒子 组成的体系，作为一种电磁场介质，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。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、拉漫光谱法等”也已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，原子滴定法是常用 的化学活性物种浓度的定量诊断方法。 使用壤多的、最广泛的是各种静电探针法、光谱学方法、质谱学方法和微 波探针法。因为这些方法的诊断功能强、适用范围广、操作相对简单、获得的 信息丰富。下面主要介绍其中几种方法的发展历程和使用现状。 1 3 等离子体静电探针方法的演变历程和适用范围 静电探针方法早在】9 2 4 由i r v i n gl a n g m j u r “”发明的，因此这种方法通常 称为l a n g m i u r 探针。利用探针附近的静电场与等离子体的相互作用而引起的电 荷重新分布所形成的探针电流变化作为诊断依据。最初的探针理论是由 h a n g m i u r 和t o n k “4 1 给出的，然而这一理论有许多前提假设，使得从探针曲线得 张家良：大连理工大学博士学位论文 到等离子体信息的分析过程的适用范围受到很大限制，这些限制主要是：首先 探针对等离子体的影响区必须是很小的，以致于等离子体的整体状态几乎没有 发生变化。其次，探针附近的鞘层必须是无碰撞鞘层，这样当电子和离子到达 探针表面时的运动状态才与其在等离子体区的状态是直接相关的，否则，如果 存在碰撞的话，则探针附近电子、离子的运动状态与等离子体状态之间没有相 关性。另外必须满足的条件还包括探针表面形状要规则，要清洁，探针表面必 须是一个的电子、离子的吸收体，探针表面没有二次辉光发生、无二次电子发 射现象，否则这些因素养将极大影响探针曲线的特征和相应诊断结果。虽然探 针不可避免地干扰它周围的局域环境，但还是能在很宽的范围内诊断等离子体 参数，如电子温度t 。，电子密度i 3 。，空间电位v 。和离子束能量e 。等。测量范围 可达n 。在1 0 5 _ l o ”c m 3 ，t e 在0 1 e v 1 0 2 e v ，v 。可在0 1 v 一1 0 3 v ，工作气压可为 l o “p a 一1 0 2 p a 的广阔范围“。然而探针曲线的解释是十分复杂的，这是必须为探 针的简单易行所付出的代价。除此之外，还有许多情况是探针应用的禁区，比 如有磁场存在“”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，没有好的理论解释这类探针曲线。 再如高气压等离子体中，通常探针理论不适用，这其中电子的扩散和迁移是主 要电流过程，鞘层结构很复杂。高气压下的探针理论仍然处于发展之中。 最初的l a n g m i u r 探针是收集探针，有许多技术的弊端，比如测量等离子体 空间电位不准确，电子饱和电流的测量也有很大随意性，因此已基本不用于诊 断电子密度和空间电位。为了解决这些问题，逐步发明了双悬浮探针”，发射 探针“”和差分探针“。双悬浮探针的测量回路与等离子体之间是悬浮的，因此 对等离子体的干扰最小。用于测量电子温度和饱和离子电流是非常合适的，但 其缺点是无法用于电子密度的诊断，并且空间分辨率也不够好，但其优点是阻 断了探针与等离子体间的导电回路，避免了探针尖的二次辉光问题。然而无论 是单收集探针、还是双探针都克服不了探针污染问题，发射探针使用的是高温 灯丝，可以避免探针表面的沉积污染，然而高温下灯丝又出现化学污染，发射 探针不可以用于化学活性等离子体的诊断。发射探针的最大优点是其电子发射 保证了探针与等离子体间的欧姆接触，离子正电荷鞘层不能形成，这使得电子 温度不影响探针与等离子体间的接触，可以准确测量等离子体电位，却无法测 第一章综述等离子体诊断学的发展历程 量电子温度。差分探针是由发射探针和收集探针组成的悬浮双探针，结构类似 于冷悬浮双探针，不同的是差分探针是热探针，一支探针为发射探针，另一支 是热的收集探针，其优点是对等离子体的干扰比发射探针小，但比双探针要大 一些，并且克服了单探针和双探针的污染问题。在功能方面，差分探针与发射 探针一样用于诊断等离子体电位是非常合适的，然而却无法诊断电子温度和电 子密度，但差分探针诊断等离子体电位的时间响应比其它任何探针都快。 普通发射探针用于诊断空间电位时，其时间分辨能力低。与发射探针类似， 单探针和双探针的时间分辨测量速率也很低，因为这些方法的诊断过程都依赖 于探针伏安曲线的记录和分析过程，限制了探针方法时间分辨渗断的应用范围。 提高探针时间响应速度的方式方法大都是以牺牲探针的一些诊断功能为代 价的。用单探针直接指示悬浮电位可以视为等离子体空间电位的一种有效探测。 对于无碰撞鞘层“”而言，悬浮电位与空间电位之差聪一v ，= ( 珥2 e ) l n ( m 2 m 庀) ( 其中k 是玻尔兹曼常数，t 。是电子温度，m 、i n 是离子和电子质量，e 是电子 电量) ，因此悬浮电位的测量可以实现空间电位的测量，并且这种方法可以提高 时间响应速度，然而这种方案无法同步测量电子温度，并且v ，与v ，间的关系也 不是固定的。一般情况下当v ，、v ，发生变化时，t 。也是变化的，不是常数，另 外当电子分布不是m a x w e l l 分布时，v 。对高能电子成份敏感，与低能电子无关， 此时v ，与v 。之间无关。发射探针的悬浮电位在强发射时会接近等离子体电位， 但是强发射的程度直接影响测量准确性。除此之外发射探针也无法用于高密度 和超低密度等离子体，因为在高密度等离子体中要实现强发射十分困难，而对 低密度等离子体，探针发射时的空间电荷积累会导致测量的误差迅速增大，从 而使测量失效。电流偏置的发射探针是发射探针技术的最新发展，其特点是避 免了传统发射探针的强发射要求，并且对等