（物理电子学专业论文）新型激元准分子紫外光源的微观理论建模.pdf

摘 要省4 11ta i 大梦 摘要 新型激元紫外光源是一种具有许多优点， 被广泛应用的新型光源.它是利 用电 介质一壁垒放电( 也称无声放电) ，通过激元辐射发光的一种器件.电介 质一壁垒 放电( d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ,简 称d b d ) 是 有绝 蛛介质插入放电 空间的一种气体放电. 本文将详细 探讨d b d的性质;讨论大气 压下这种电 极结 构 中 的 气 体 击 穿 现 象 ， 研 究 大 t 徽 放 电 中 的 4 , 及 它 的 塑二 竺 兰 然 后 建 立 理 论 模 型 描 述 放 电 的 物 理 变 化 和 之 后 的 创过a* 91: 4 1; ， 并 用 数 学 模 型 将 之公式化.最后将讨论影响光源发光的因素，以得到最优化结果. 关 衅: 瞥紫 夕 尹 电 介 凡 禅 垒 a k 畜呀人 ab s t r a c t t h e n e w e x c i m e r u v s o u r c e i s a k i n d o f s o u r c e o f m a n y a d v a n t a g e s . i t h a s b e e n a p p l i e d in m a n y f i e ld s . t h e m a i n p r in c ip l e o f t h i s s o u r c e i s t h e d i e l e c t r ic - b a r r i e r d is c h a r g e , w h i c h i s a l s o c a l l e d s i l e n t d i s c h a r g e . i t i s a k i n d o f d e v ic e t h a t e m i t s p h o t o t h r o u g h t h e e x c i m e r i r r a d i a t e . d i e l e c t r i c b a r r ie r d i s c h a r g e , d b d i n s h o rt , i s a g a s d i s c h a r g e p r o c e s s , w h e n a n i n s u l a t o r h a d b e e n in s e rt e d i n t o t h e d i s c h a r g e a r e a . i n t h i s t h e s i s w o r k , t h e d b d c h a r a c t e r i s t i c s , t h e g a s d i s c h a r g e p h e n o m e n o n o f t h i s k in d o f e l e c t r o d e i n a t m o s p h e r e a n d t h e c u r r e n t tr a n s p o rt a t io n a n d i t s p l a s m a c o n d it i o n i n a lo t o f m i c r o - d i s c h a r g e h a v e b e e n d i s c u s s e d i n d e t a i l s . t h e n i m o d e l e d t h e p h y s i c a l r e a c t i o n a n d p l a s m a c h e m i s t ry o f t h i s k i n d o f d i s c h a r g e a n d a l s o u s e t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l t o d o t h e f i t t in g o f t h i s p r o c e s s . a n d in t h e e n d o f t h is t h e s i s , i h a v e a ls o d i s c u s s e d th e c o n d i t i o n s , w h i c h w i l l a ff e c t t h e p h o t o n i c e m i s s i o n o f th i s k in d o f n e w e x c i m e r u v s o u r c e , i n o r d e r t o g e t t h e m o s t o p t i m a l r e s u l t . e x c i m e r , u v s o u r c e , d ie l e c t r i c - b a r r i e r d is c h a r g e ( s i l e n t d is c h a r g e ) 丘 i 4 a . z a幽 . . . . . 翻 ek - 第一章绪论甫司 大梦 第一章 绪论 近年来，紫外光源技术已 成为徽电子，医药， 化工，卫生和环保等领域中 的基础性的和关健性的技术.所有这些应用均要求光源有较窄的辐射光讲和一 定的辐封光强度.目 前常用的紫外光源有低压辉光放电灯和激光紫外灯.低压 辉光放电灯辐射紫外光讲较宽， 且其光强相对较弱，影响到相应的光化学反应速 度;而激光紫外灯束斑尺寸小且价格界贵.与这两 种紫外光源相比，新型激元 紫外光源具有价格便宜，大面积，大功率，高效率及选择性，单色性好，寿命 长等优点，因此在工业上被广泛应用.它通过光化学作用在光诱导表面清洁， 表面修饰，材料沉积、迁移， 特别是在环保上如污水处理，水质净化，杀菌消 毒等技术上的应用，更显示了 它广阔的 发展前景. 激元 e x c im e r ( 也称准分子) 一词是随着气 体激光器的研究而产生的.所谓 激 元， 就 是 被电 子 激 发而 形 成 的 二 聚 物， 如ci 元 素 激 元a r ,*心 ， x e ; ， 4 ,k 元素卤化物激元a r c i , k r c i , x e f . 等等.激元很不德定，在几纳秒内就会分 解， 并 且 有选择性的 发出 各 种 特定波 长的 紫 外光 ) . = 2 0 0 m n 一 3 1 5 n m) 或真空 紫外光 ( x ,i 希 !翻 肠 口 . . 口 目a ,、 第一章绪论-t司 大 筝 ( z )模型的适用性:需易于数学处理和计算. 常用的建模方法有两种:实验归纳的方法和理论分析的方法.我们采用后 一种方法.归纳出理论分析法建模的3 个步骤: ( 1 )建立系 统的物理模型; ( 2 在物理模型的基础上建立数学模型 a .先确定 模型的精入、拚出变1和参数; b .根据有关学科的理论或者由实践归纳得到的规律，建立起各变圣 之间的数学式子，即所求的 数学 模型. ( 3 )对 所 得 的 模 型 进 行 检 验 和 修 正 ， 检 查 模 型 是 否 反 映 真 实 系 统， 遥否 满 足精确度等. 本论文用科学计葬语言 m a t l a b 对系 统的数学模型进行计葬、分析和讨论. ma t l a b即 ma t r i x 运算、文字处理、 l a b o r a t o ry， 译为* e 阵实 验室. m a t la b的 数值计葬、符号解析 图形功能等等，及它的面向对象的超高级语言用户界面， 使 它成为一个多领域，多学科，多功能的优秀科技应用软件.m a t l a b集当 今人类 多学科的先进技术于一体，成为科学计算和教学试验的强大工具. ( 0l e c h o n i e o c ie n c er g el s e; l m e n 6 9 ， 这意 味着宏观上等离 子体呈电中 性 .令n 为中 性气 体原子原来的密 度， 则n = n 。 十 n ;. 十 n . .等离 子体平街状态 可 以用三个参数来表征: 电离 度x = n / n; 带电粒子密度 温度 t . n . = n ; ; (1)(2)(3) l e c l r a n ic . c i e r u a 务eu r l m e r , g a/ (a p , x . l w n 4 .e ,a lb , 9 a s y i n ; w / ,i i ra 息杏川 乙j， 去6 召 己1 洲日.翻 声 右司 大萝， 二 ， db。 的 性 质 及 主 二 。 q了 c1 v . 0 c ( v , 嗽_; 节 1 ，犷v:. l 一一_ 1 i ( a l e .烦 ( b ) 高报 图五两种d b d的等效电 路简图 2 . 2 .3 d b d的电压 在d b d的电特性中，放电电压 v d 是一个重要的电学参i，它的大小直接 与放电的功率有关.从上述的放电电流电 压波形图( 图 三) 可以肴到放电间隙 的电流是由大1寿命短促的徽放电电流脉冲组成.我们可以定义一个平均放电 电压 v d ，它在放电 作用的周期内 是一个常童，即 使在强放电时也是一样.当 放 电 间 隙 上电 压叽小 于v d 时 ， 不 发生 放电 现象 ， 这 时 电 路 是由 介 质电 容c d 和间 隙 电 容c b 串 联 组 成 ;当 放电 间 隙 电 压v : 达 到讥时 ， 就出 现 微 放电 ， 而 且一 立 持续 到 外 界电 压达 到 极大 值v o p 为 止. 在 存 在 徽 放电 的 整 个 时 间 过 程内v g v d ， 放电电 压v 。 的数值在微放电出 现时和截止后的电 压值之间.该数位是一个平 均值，主要决定于放电气体成分，间隙中的粒子浓度以及间隙宽度. 2 . 2 . 4 d b d的功率 像其它类型放电 一样， d b d的功率是它的一个重要参童.由于 d b d的电 流、电压间的相位失调，它的功率计算和测童是比较复杂的.根据实验测挥的 放电伏一 安特性可以 计算d b d的功率.低频情况下得到的放电功率为: 尸 二4 f c , , v ; ( 呱一 v ; ) 1 + 刀 e t !n a n ic e ie n c a 2 咖 r l m a , e 6 的 l iw k a a l . w i i i m , o 咖 .rl i es , 3 i n ; w h is u +. i ; 厄 连蕊 山 . 日 目. . 日. 幽通 i . 备 1 t司 大萝第 二章 d b d的性质及主要参t 其中v = c b / c d i v m ; 是放电 启动时 要求的 最小 外 界作用电 压. 在高频情况下，d b d的放电功率为: 尸 二 nf c e v p v 一 p 2 c l e e l s o n lo mci e n c ei o l % l m e m 6 必 l iw r y la i w n i e e i * s pe a nj i n ; w k i i ea , , 户 补 4 绪 1 ; ， 泰 1 翻 目 圈 . . . . 哪尧 今 嚼忿 淆司大萝 第三章 d b d的物理过租 及新型激元萦外光源的工作原理 第三章 d b 1. 的物理过程及新型 激元紫外光源的工作原理 3 . 1 d b d的物理过程 从上面所述可以看出， 徽放电是d b d的核心，所以 研究橄放电的形成和特 性对理解d b d是首要的.本节主要讨论单个微放电 的过程。在讨论中 把每个电 流细丝在交流电 压的一个周期内分成三个阶段来分析研究: ( 1 )放电的形成一一放电的击穿; ( 2 )放电击穿后，气体间陈电流脉冲或电 荷的 愉运; ( 3 )在微放电电流通道中 原子、分子的激发和反应动力学的启动，也就是 激发态原子( 或分子) 及激元的形成. 图六表示出一个徽放电的生命周期.可以肴到这三个阶段的时间过程的寿命相 差很大，有数童级的差异. 通常放电的 局部击穿 在几个 n s 内 就已 经完成，电流 脉冲即 微放电寿命一般为 l o n s 童级，而第三阶段即 原子、 分子的激发和反应所 需要的时间为 1 0 0 n s 到秒贡级. 公 ; 洛 “ 公 宝 5 日悦 沼 改 岛 改 上 全 洛 改 9公 处 吕 公 公 全 洛 盆 爱 宝 亏 j n . 加 目 . p . ， . . 。 . ， 叫 洲 二8 . t 闻日 几 。 .一 一 旦 图六 一个徽放电的生命周期 lc c l w n i c .s c i e n c e 娜 a a l ; u n g 桥 i r n .y fa v l n i a e u 啥， ji i + n gl i n ; r a i n a 羚 ， 滋润1 .r 4幽侧.黝)4 e: 右司 大筝 第三章 d b d的物理过程 及新型激元紫外光源的工作原理 如 2 . 1中所述， d b d是一种高气压下的非平衡放电.这种放电的击穿和其 它放电的相似之处是:在外电 场作用下电子从电场中 获取能童，通过电子与周 围原子、分子碰撞，电子把自身的能全转移给它们， 使它们激发电离，产生电 子雪崩.当气体间隙上的外电场电 压超过气体的击穿电 压时，气体被击穿.可 是在d b d中，由于电极间介质的存在，限制了 放电电流的自由 婚长，因此也阻 止了 极间火 花或弧光的 形成.在气 压为 1 护p a 或更高 的 条件下， 这里气 体的击 穿会造成大1的电流细丝通道，而每一个通道相当于一个单个击穿或者是电子 雪崩击穿，这就是形成了 所谓的 徽放电.单个徽放电 是在放电气体间隙里某一 个位1上发生的，同时在其它位i上也会产生另外的徽放电.正是由于介质的 绝缘性质，这种徽放电能够彼此独立地发生在很多位豆上.当 徽放电两端的电 压稍小于气体击穿电 压时，电流就会截止.在同一位3 1 上只有当电压重新升高 到原来的击穿电 压数值时才会发生再击穿， 在原地产生第二个 橄放电.可以理解 这样就会在放电的一个半周期内出现大童时间短促的电流脉冲群，在整个放电 时间和空间内大1狱放电 是无规则地分布肴的. d b d的击穿机理与一般汤生、辉光放电的有所不同，这是因为在 d b d中 n d 值高 ( n 为气体密 度， d 为放电间隔宽度)， 在第一个电子雪崩通过放电间隙 的过程中出 现了 相当 数1的空间电荷.它们聚集在雪崩头部产生的自 感应电场 ( 也称为本征电场) 益加在外电场上同时对电子产生影响，这样在向阳极方向 ( 即沿微放电传播的方向) 引 起了 新的击穿.也就是说，由于很高的局部本征 电场的作用，雪崩中的高能部分的电子将进一步得到加速，它们的逃逸引 起击 穿通道向阳极方向传播.这种情况可能发生在放电间隙的中 部，由逃逸电子形 成的击穿通道使电子电荷能以比电子迁移更快的速度向阳 极方向传播.一旦这 部分空间电荷到达阳极，在那里建立的电 场会向阴极方向返回，这样就会有一 个电场波向阴极方向传播过来.在传播过程中，原子和分子得到进一步电离， 并激励起向阴极传播的电子反向波.这样一个导电通道能非常快地通过放电间 隙而造成气体的击穿.在电子通过通道的过程中，一些激发态原子和分子会自 发地发射紫外辐封.当气体被击穿、导电通道建立后，空间电荷在放电间隙中 l e e l e o n i c c i e n t a e + a e l m e n g 裤- ia m l i !, i , i . y i u s a j i n ; t l i n a 省司 大梦 第三章d b d 的物理过程 及断型激元萦外光源的工作原理 输运，并积累 在介质上，这时介质表面电荷将建立起电场，其方向与外电场的 相反，从而肖 11 弱作用电场，直至削弱到零，以至于中断了 放电电流.实 验测童 和理论计算都表明这个过程是非常短促的.这就是d b d的击穿和微放电电流脉 冲形成的机理. 徽放电的特征已 在表一中列出.这里可以 看到虽然 d b d的徽放电 一 电流细 丝处于弱电离 等离 子体状态， 但却具有很高的击穿电场和电子能量，而放电中 原子、分子和离 子等重粒子的动能却很小，它 们的相关温度接近于周围 环境温 度，所以d b d是一种典型的非平衡态等离 子体.而由高电场提供给电 子的能i ，绝大部分能用于分解、激发和电离 原子、分子，这样有利于启动各种等离子 体化学反应. 微放电通道和它的高电流密度，虽然与气 体性质有关，但是主要取决于高 气压和相当高的气体浓度.如果降低气体浓度，通道半径将成反比增大，进一 步降低气体浓度，甚至可以使d b d变成比较均匀 的放电. d b d的一个特点是改变气体浓度n 和间隙宽 度d 的乘积能直接影响放电中 的电 子平均能全.图七是氏气中电 子平均能圣。 与n d 的关系，中 介是有效折合 电场， 见图中的垂直坐标.这里假定有效击穿电 场比 德定的帕邢 ( p a s c h e n ) 有 效击穿电场高5 0 %.因 此可以利用很简单的办法，改变n d 来调节电子平均能童 这个重要物理全， 使所研究的过程达到最佳条件. 平均电子 能f 5$a -* ， 电 场 9 旦 帕邢电场 1 2 1 0 8 6 4 咬 一 ( e v) 2 0 2 4 6 8 1 0 n d( x 1 0 2 2 m- 2 )- 少 图七 氏气中电子平均能全 与nd的关系 e l g 2 o n i e s oe i e n e e , g 咖 2 la n e n 6 o l ic n a d l n i n e u 咖 .0t i a n i n , h i n e c a . ( ,j 右司 大萝 第三章 d b d的物理过程 及新型激元紫外光源的工作原理 在 单个 微放电中 输送的电 荷全q与间 隙 宽 度d 、 介质 厚度9 以 及介 质的电 容率e r 有关.实 验指出 对于 给定的 介 质， 徽放电中 愉 运的电 荷贡q正比于d , 而 与 气 压无关 . 对于固 定的间 隙 宽 度， 电 荷 全 基 本 上 正 比 于 介 质的电 容率e . 对于 极高电 容率的 介质 ( 尽m 1 0 0 0 ) ， 单个 徽放电 能 输运的电 荷量可高 达 2 0 o x 1 0 9 库仑. 总之，徽放电的基本特性 ( 如电子能童、电 子浓度、总的输运电荷等) 与 放电的很多参全 ( 如气体组分、间隙宽 度、气 体压强 关.表二综合了 徽放电的主要特性和一些参t的关系 、温度、介质性质等) 有 表二 徽放电的主要特性和一些参1的关系 总的.运电荷0徽故电寿命r 气体压强 p 间旅宽度d 介质电容率 电极极性 ac六 二 、 / 丁 x v c . 无关 无关 ( 十) 较短( 一) 较长 3 . 2新型激元紫外光源的工作原理 当d b d的几何尺寸和气体等条件适合时，徽放电可以成为一个激元形成的 理想环境.在适当 的放电条件下，激元在几纳秒内 分解且发出v u v 辐射. 当 反应气体为纯情性气体时，形成的激元是陌hi 气 体双原子分子，如a r , , 祝 ， x e 二 等. 在d b d中 ， 这 类 双 原子 分 子 是由 激 发态 惰 性气 体原子 和两 个 基 态原子通过三体碰控复合而生成的.当 反应气体为冷i 气体与卤 素气体混合物 时，形成惰性气体卤化物激元，如 为例，其生成及发光过程如下: a r c l ， x e c l , x e f 等.以 v e :和x e c l f - l e c l w i : i e y e ie n c e - 9 护 a d i n s , , 6 ay . 1 a a .x a l 2 l n i e a u i f , . ia n i , r i u n 省r 大萝第四章狱观理论建模 第四章微观理论建模 4 . 1物理模型 激元紫外光源的 模型应包 含两个部分:一是无声放电建模，即气体击穿形 成电流脉冲的过程;二是激元形成与辐封建模，即电子激发原子和分子，启动 化学反应，形成激元，并分解发光的过程.第一部分是物理过程;第二部分是 化学过程.实际上这两部分不是独立的，而是相互联系的， 但为了 便于建模和 进行理论分析，有时将两部分分开是有帮助的.可以将此模型分为明显的四个 过程，如图十四所示: ( i ) 外加电场; c 2 )触发并形成一个放电沟道， 在短时间内 生成高 速电子和离 子; ( 3 ) 与此同时，电子激发原子和分子; ( 4 )开始化学反应， 得到最终产物.r = 存在被激物质中的能1转移到最终 产物中，如奥筑或激元. 几 尸p l 咬0 日 ie l d e l e c 了 印心离 毛 日月 八 筑dun时 万l 王ct roa 门 1 0 1 拍 目脱盯三 口 斗乍口e s c h e mi c a l r e a c t i o n s i np ut d i s c h a r g e p h y 以口 o z o n e 际 ， ou t p ut 图十四 激元紫 外光源的模型 6 l u l s o n w g c i e n e e e u ; l n r e n l 必 l if n ry la b l n i u e r o i . ia r n ; / a i n z 分 理 怨 l妇 i s . i 即臼阴口.目山 舀1 1 a a 省i 大萝第四章橄观理论建模 用图形来表示，则如图十五 (b i n ， 二 可见， 激物质a, n s , 姆沁， m s m s . s 图十五 图 形表示激元紫外光源 模型的四个过程 外 加电 场e / n 使放电区 间 击穿 ， 产生电 流拭0 ， j 办 ) 激 发物质a ， 得到 被 a发生化学反应形成产物b . 这一部分我们将论述如何将以上所有作用结合在一起，使得模型与测童结 果相一致. 4 . 1 . 1无声放电建模 在金属电极上加一逐渐增大的电压，如正弦波. 应的衰减 p a s c h e n 场时，气体被击穿.其中p a s c h e n 当 反应区间中电场超过相 电压是区间内发生电离所需 的最小电 压，为常数; p a s c h e n 场等于p a s c h e n 电 压除以n d . 在 l b a r 或更高 童 级压强下，气 体击穿会产生大童电流细丝 ( 或电离沟道) ， 每个电流细丝对应 一个单个击穿或电于雪崩击穿.电流完全在电流细丝内 流动，一个电流细丝的 生 命 周 期 如图 六 所 示， 即 初 始电 流j ( t ) 激 发 物 质 a ( x e ) ， 得到 被 激 物 质 a ( x e ) , a 反 作 用 于a 形 成 产 物b( x e ; ) . d b d由于 n d值的不同，有两种完全不同的击穿方式.n d值低时， t o w n s e n d 击穿.在无声放电的压强条件下，n d 值高，则发生电子雪崩击穿 发生 .我 j l e c l a o n i r . 吴l s s t t e j l 6 必 l a i w z a i, w s i ew s o ilp a a i3 t s ry t h “ 二 r i又 1 6 41 t司 大筝第四章徽户晚理论建模 4 . 1 . 2激元形成与辐射建模 电流完全在电离形成的电流细丝内流动，同时也是在微放电过程中， 电子与原子 原子与分子 、分子进行能童交换.具有相当能全的电子 ( 几个电子伏特) 加速 激发 ，从而将电子的一部分动能转换成被激发物质的势能.由于电子能 1高，因此转换效率高，通常有大于9 0 %的动能转化为势能. 电离 形成的电 流 脉冲j e t ) 激 发原子、 分子和离 子， 通过 一系 列 化学 反应 ，得到被激发物质x e ， 激发x e 原子，得到x e x e , x e z , x e 2 , x e z . 我 们最关 心的 反应 是:电 子e ，x e 反过 来又 发生 反应， 形 成 我们需 要的 产物x e 二 . 综 合考 虑各种因 素， 列出 所 有反应动力学方 程及 相应的 化学 反 应速率系 数， 如表三.电 子激发速率 ( 即化学反应速率) 随电场的变化而变化，可将化学反 应速率系 数表示为折合电场 e / n的函 数.其中电子与激发态氏的碰撞截面列于 表四. 我 们 还可 以 进 一步 计 算 徽 放电 中 不同 物 质j 的 产 率场 . 这 里关 心 的 是x e ; 的 产率. 激元迅速分解， 发出 紫 外辐 射， 可以由x e ; 的 产率 得到 发射光 子的 产率 4 . 2数学模型 2 . 1外加电 场及反应区间结构 我们用正弦波形式的交变电场作为外加电场，即v ( t ) 二 v . s l n lil t 其中幅度 l o k v.频率取 1 5 0 k h 7 _ 4.取 (5 l e c i u n k .r e i e n c a g e/ i + 6 n e n l 裤l a s a y l n i g l n i a e i ly , gi a n y l n ; q ?l a n a 羚1 如冷搔 溯 脚幽.麟撇 右司 大筝第四章徽观理 论建模 我们在此模型中 对比 较简单的平行板区间进行讨论.其几 何结构如图十七 所示，两个平行板电极，至少有一个上技盖电介质，中间是放电区间，充有工 作气体 取 l b a r , x e . 气 体浓 度n 取2 .4 x 1 o 9 c m ， 反 应区 间 宽 度d 取o . l c m ， 气 体 压强p a度t 取3 0 0 k ，电 介质 厚度g 取。 .0 4 c m . we s l r p d q d i e l e c t r i c 广。 、 、， _ ， 口 卜 劝 图十七 平行板区间几何结构 根据上述条件确定此数学模型的愉入变童、 输出变童和参数。 1 . 输入变 童:外 加电 场v ( t ) ; 输出 变 全 :x e 二 的 浓 度变 化 及 产 率; 状态变蚤:n , d , p , t , g . 本 模型中 气 体可 近 似认为 是 理想气 体， 满 足理想气 体状态 方 程， 即p = n k t ， k = 1 . 3 8 x 1 0 j .k 为波尔 兹受 常数. 4 . 2 .2无声放电 及激元形成与辐射的 数学模型 我 们归 纳出 建 立 激 元紫 外 光 源 数 学 模 型 的 几 个 主 要步 骤 : ( 1 )在反应区间 施加数字场脉冲e / n ; . . . . . . . . i 0le e g s o r r i a . c i e r r e e - e u n l i r re n g o d (a r r (ic l 9 l n t n s s a i la r; g a r r 4 r, w /rd r rm 淆iii 大尊11c31.4y :1 bc.4y,isti ay i iq 第五章影响激元紫外光源发 光的因素及最优化设计的讨论 5 . 1影