（材料物理与化学专业论文）小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性.pdf

小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性中文摘要 中文摘要 等离子体小型化后往往会产生一些新的特点。如具有更高的等离子体密度，相对 较低的电子温度等。小型等离子体源的发展进一步拓展了低温等离子体在许多领域中 的特殊应用，如气体分析仪、离子推进器、微区消毒、等离子体显示、紫外光源等。 众多小型等离子体的产生方式中，小型感应耦合方式由于其易加工，低成本等原因而 备受人们关注。 本文介绍了一个自制的小型感应耦合等离子体源，天线绕制方式为圆筒螺旋线圈 型，其感应线圈被绕制在一个外径为8 m m 、内径为6 m m 的石英管上，当线圈通以一 定功率的射频信号时在石英管中激发产生低气压氩等离子体放电，激发产生等离子体 下游羽辉长度超过了5 0 0 m m 。我们采用1 3 。5 6 m h z ，2 7 1 2 m h z 和4 0 6 8 m h z 等三种 频率激发产生等离子体，并利用朗缪尔探针和发射光谱技术对不同放电条件下所产生 的小型感应耦合等离子体进行了测量与分析。 朗缪尔探针的实验结果表明，激发频率或射频输入功率的增加导致了功率耦合系 数的增强，致使等离子体功率吸收的增强，从而引起了感应耦合等离子体的离子密度 增大和电子温度下降。放电气压的增大会导致等离子体中电子和中性粒子碰撞频率的 增强，从而提高了等离子体功率的吸收，有利于离子密度的增大，但是气压的进一步 上升会导致等离子体中电子或离子能量扩散系数的下降，使得等离子体离子密度趋于 饱和。由于双极扩散场以及强电磁场的局域，轴向方向上的离子密度和电子温度基本 维持不变，低频激发条件下离子密度略有下降。利用气体追踪发射光谱法测量了感应 放电的气体温度。可以发现，由于电子诱导加热的作用，气体温度随放电气压和输入 功率的增加而增加，激发频率的提高也有助于等离子体气体温度的上升。等离子体轴 向方向上，当远离激发线圈时，气体温度呈缓慢下降趋势。当放电气压，射频输入功 率或激发频率增加时，电子激发温度均呈现下降趋势，同时，等离子体轴向方向上电 子激发温度基本保持不变。 小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性 中文摘要 关键词：小型感应耦合等离子体源；朗缪尔探针；发射光谱；电子温度；离子密度 i i 作者：高璇 指导教师：辛煜 小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性英文摘要 t h em i n i a t u r i z e di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c e a n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t a sap l a s m as o u r c ei ss c a l e dd o w n ，s o m eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a s m aa p p e a r s u c ha sh i 曲g a st e m p e r a t u r e ，h i 【g hp l a s m ad e n s i t y ，e t c t h ed e v e l o p m e n to fm i n i a t u r i z e d p l a s m as o u r c e sh a v ee x t e n d e dt h e i ra p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s ，s u c ha sg a sa n a l y s e r s ，i o n t h r u s t e r s ，s t e r i l i z e r s ，p l a s m ad i s p l a y s ，u vl i g h ts o u r c e ，e t c a m o n gn u m e r o u sm i n i - p l a s m a s o u r c e s ，m u c ha t t e n t i o no fm i n i a t u r i z e di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c eh a sb e e np a i d d u et oe a s yf a b r i c a t i o n ，l o wc o s t ，e t c ak i n do fm i n i a t u r i z e di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c e s ( m i c p ) h a sb e e n p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea n t e n n a 、析t l lc e r t a i nt u r n sd e p e n d i n go nt h ed r i v i n gf r e q u e n c y , i sw i n d e da r o u n daq u a r t zt u b ew i t hao u t s i d ed i a m e t e ro f8 m ma n di n s i d ed i a m e t e ro f 6 m m ，a r g o np l a s m aw i t hal o wp r e s s u r ec a nb ee x c i t e da sr fs i g n a lw i t l lac e r t a i ni n p u t p o w e ra p p l i e do nt h ea n t e n n a c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h em i n i a t u r i z e di n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a 谢t hd i f f e r e n td r i v i n gf r e q u e n c yo f1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 m h za n d4 0 6 8 m h z , r e s p e c t i v e l y ，a r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gl a n g m u i rp r o b ea n do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ( o e s ) t e c h n i q u e s f r o me x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so fl a n g r n u i rp r o b e ，i tc a l lb ef o u n dt h a t ，d u et o e n h a n c i n gp o w e rc o u p l i n gc o e f f i c i e n c y ，t h ei n c r e a s eo fr fi n p u tp o w e ra n d o rd r i v i n g f r e q u e n c yc a u s e st h ee n h a n c e m e n to fp l a s m ap o w e ra b s o r p t i o n ，h e n c el e a d st oa r i s ei ni o n d e n s i t ya n dad r o pi ne l e c t r o nt e m p e r a t u r ei nb u l kp l a s m a d u et ot h er i s eo fc o l l i s i o n a l b e t w e e ne l e c t r o na n dn e u t r a lp a r t i c l e s ，t h ei n c r e a s i n gp r e s s u r eo fa ra l s oi m p r o v e st h er f p o w e ra b s o r p t i o na n di sf a v o ro fi n c r e a s i n gi o nd e n s i t y h o w e v e r ，f u r t h e ri n c r e a s eo fa r p r e s s u r ew i l ll e a dt ot h ed r o pi nt h ee l e c t r o n i o ne n e r g yd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，t h u sc a u s e t h ep l a s m ad e n s i t yt ob es a t u r a t e d d u et os t r o n gc o n f i n e m e n to fa m b i p o l a rf i e l da n d i i i 小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性 英文摘要 e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，p l a s m ad e n s i t ya n de l e c t r o nt e m p e r a t u r er e m a i nb a s i c a l l yu n c h a n g e d a l o n gt h ea x i so fp l a s m a , o n l yas l i g h td r o pi ni o nd e n s i t yo c c u r sa tl o wd r i v i n gf r e q u e n c y t h eg a st e m p e r a t u r eo fm i c ph a sb e e nm e a s u r e db yu s i n gg a st r a c e do e s i ti sf o u n dt l l 巩 d u et oe l e c t r o ni n d u c e dh e a t i n g ，r a t h e rt h a ni o ni n d u c e do n e ，t h eg a st e m p e r a t u r ei n c r e a s e s 姒t l lr fi n p u tp o w e ra n dt o t a lp r e s s u r e i na d d i t i o n ，t h eh i g h e rd r i v i n gf r e q u e n c yh e l p st o t h ei n c r e a s ei ng a st e m p e r a t u r ei nt h ep l a s m a e l e c t r o ne x c i t a t i o nt e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d b yr a i s i n gg a sp r e s s u r e ，r fi n p u tp o w e ro rd i r v i n gf r e q u e n c y ，ad r o pi ng a st e m p e r a t u r ea n d ac o n s t a n ti ne l e c t r o ne x c i t a t i o nt e m p e r a t u r ea r ea l s of o u n da w a yf r o mt h ed i s c h a r g er e g i o n a l o n gt h ea x i so fp l a s m a k e yw o r d s ：m i n i a t u r i z e di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ；l a n g m u i rp r o b e ；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 y ；i o nd e n s i t y ；e l e c t r o nt e m p e r a t u r e i v w r i t t e nb yg a ox u a n s u p e r v i s e db yx i i ly u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：乏鸯j l 日期：丝写乙盟 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 02 04 0 1 0 0 r fi n p u tp o w e r ( w ) ( a ) r fi n p u tp o w e ro n ) ( b ) 一oo己pbjmqeo_coj石oi| 小型感应耦合等离子体源及其等离子体特性第三章不同激发频