大气压He-Ar射频容性放电Ar亚稳态粒子数密度

利用发射光谱法测量大气压He-Ar混合气体射频容性放电中的Ar亚稳态1s5(3s23p54s［3/2］2)粒子数密度。在不同的放电功率和气体组分下测量放电等离子体中的重要参数：气体转动温度、电子激发温度和Ar亚稳态1s5粒子数密度。结果表明：气体温度在不同放电功率及Ar气压在5103 Pa以内时变化不大,范围为300~350 K;电子激发温度随着放电功率的增加而增加,并且在Ar气压为4103 Pa时最大,在放电功率为70 W时达到0.58 eV;1s5粒子数密度随着放电功率以及电子激发温度的增加而增加,在放电功率为70 W、Ar气压为4103 Pa时达到1.53109 cm-3。     

电子回旋共振氩等离子体中亚稳态粒子数密度及电子温度的测量

测量了电子回旋共振（ECR）氩等离子体中Ar的1s₅亚稳态粒子数密度，在气压 为02—0 8 Pa、功率为500—700W的范围内，利用吸收光谱法测量了Ar原子8115 nm谱线的吸收强 度，得到1s₅亚稳态粒子数密度为1×10¹⁵—4×10¹⁵ m ^-3.本文综合考 虑基态和1s₅亚稳态粒子的激发对Ar发射谱线强度的贡献后，用两条发射谱线强 度之比得 到电子温度.结果表明，计入了1s₅亚稳态激发的贡献后，所得到的电子温度与 只考虑基态的贡献得到的电子温度相比存在较大的差别. 关键词： 光谱法 亚稳态粒子数密度 电子温度 ECR等离子体源     

氦氩射频容性放电发射光谱分析

光抽运亚稳态稀有气体激光器利用放电等离子体作为激光的增益介质.为掌握容性射频放电的放电参数对等离子体各项参数的影响的基本规律,利用等离子体发射光谱法研究了氦氩混合气体在不同装置、不同Ar组分、不同气压和不同射频注入功率下的等离子体参数.利用残留水蒸气产生的OH自由基A~2Σ~+→X~2Π的转动光谱分析获得气体温度;利用电子态光谱的玻尔兹曼做图法获得电子激发温度,利用Ar原子696.5 nm谱线的斯塔克展宽获得电子密度.结果表明:气体温度随气压增加略微上升,在一个大气压下改变组分和放电功率,气体温度变化不大;电子激发温度随总气压的下降而上升,且随着Ar组分的增加而略微下降;目前放电条件下的电子密度均在10~(15)cm~(-3)量级;长时间放电监测表明,残留的水蒸气会导致电子温度的下降,从而降低Ar亚稳态的产率.     

二极管激光吸收光谱法对低气压介质阻挡放电等离子体中氩的亚稳态的诊断

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术对低气压氩气介质阻挡放电等离子体进行诊断,重点考察了Ar亚稳态1s₅和1s₃的数密度和气体温度随放电电压,气压,流量,极板间距,以及随N₂配比的变化情况。实验基于朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,通过计算吸收谱线的吸收峰面积求取Ar亚稳态的数密度,同时对谱线进行Voigt拟合得到多普勒展宽,进而求出气体温度。Ar亚稳态主要由电子碰撞产生,但同时电子也会碰撞亚稳态发生猝灭作用,从而使数密度减少;气体温度则与等离子体的实际功率、电子的状态以及粒子之间的碰撞有关。实验结果表明在本实验条件范围内,Ar亚稳态数密度和气体温度随放电电压和流量的增大都先增大,之后逐渐趋于平缓,但两者随流量的变化幅度都较之随放电电压的小,增长较缓慢。随气压的升高,Ar亚稳态数密度和气体温度先增加并达到一个极大值,而之后逐渐降低。实验数据表明,气压对谱线展宽有较明显的影响作用。适当增大极板间距,Ar亚稳态数密度明显降低,但气体温度却有所升高。N₂的加入对亚稳态有很强的猝灭作用,0.5%的N₂就会使数密度下降50%,但随着N₂浓度的进一步增大,其数密度不再明显降低。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和100MHz,功率为40W,气压由3.3～26.6Pa下的容性耦合Ar等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低。驱动频率为13.56MHz和40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而94.92MHz和100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合。     

远程Ar等离子的发射光谱研究

远程等离子体可以有效避免电子与离子碰撞产生的刻蚀作用,加强自由基反应,取得更好的改性效果,在膜材料领域具有重要的应用价值。为了更加深入研究远程等离子体中电子状态及其变化规律,采用发射光谱法对远程Ar等离子体进行了诊断,研究了射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离对远程Ar等离子体发射光谱强度、电子密度和电子温度的影响。结果表明,在690～890 nm区域中特征峰较为集中,由ArⅠ原子谱线占主导,且谱线强度的变化规律和电子密度的变化规律相同。通过玻尔兹曼斜率法选取3条ArⅠ谱线计算了不同放电参数下的电子温度。电子温度随射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离的改变而改变。射频功率从30 W增加到150 W时,电子温度从3 105.39 K降低至2 552.91 K。压强从15 Pa增加到25 Pa时,电子温度从3 066.53 K降低到2 593.32 K,当压强继续增加到35 Pa时,电子温度则增加至2 661.71 K。在距放电中心0～10 cm处由于等离子体电位增大,电子温度上升,而10 cm后电子温度不断下降在距放电中心80 cm处趋于0 K。通过分析ArⅠ696.894谱线的...     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明：当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

高气压微波氢等离子体发射光谱诊断

在2.45 GHz,800 W级的高气压微波等离子体放电系统中,通过测量不同微波功率和放电气压下氢等离子体的Balmer线系的发射光谱,从测量的谱线总展宽中卷积去掉具有高斯线形的Doppler展宽和仪器展宽得到谱线的Stark展宽,并通过Stark展宽测量氢等离子体的电子数密度和电场强度。结果表明：等离子体的电子数密度和电场强度随着放电气压的升高都是先增大后减小,随着微波功率的增加呈现逐渐增大的趋势。微波功率为800 W时,气压在25 kPa时电子数密度和电场强度都达到最大值,等离子体的电子数密度和内部的电场强度分别为3.55×1012 cm-3及4.01 kV/cm。     

Measurements of argon metastable density using the tunable diode laser absorption spectroscopy in Ar and Ar/O_2

Densities of Ar metastable states 1s_5 and 1s_3 are measured by using the tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) in Ar and Ar/O2 mixture dual-frequency capacitively coupled plasma(DF-CCP). We investigate the effects of high-frequency(HF, 60 MHz) power, low-frequency(LF, 2 MHz) power, and working pressure on the density of Ar metastable states for three different gas components(0%, 5%, and 10% oxygen mixed in argon). The dependence of Ar metastable state density on the oxygen content is also studied at different working pressures. It is found that densities of Ar metastable states in discharges with different gas components exhibit different behaviors as HF power increases. With the increase of HF power, the metastable density increases rapidly at the initial stage, and then tends to be saturated at a higher HF power. With a small fraction(5% or 10%) of oxygen added in argon plasma, a similar change of the Ar metastable density with HF power can be observed, but the metastable density is saturated at a higher HF power than in the pure argon discharge. In the DF-CCP, the metastable density is found to be higher than in a single frequency discharge, and has weak dependence on LF power. As working pressure increases, the metastable state density first increases and then decreases,and the pressure value, at which the density maximum occurs, decreases with oxygen content increasing. Besides, adding a small fraction of oxygen into argon plasma will significantly dwindle the metastable state density as a result of quenching loss by oxygen molecules.     

大面积沿面放电等离子体温度的光谱研究

设计了水电极放电装置,在空气/氩气混合气体中实现了大面积沿面放电。采用发射光谱法,对分子振动温度、电子平均能量和电子激发温度等随气压的变化进行了研究。根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算出氮分子的振动温度;使用Ar 763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₂→1S₃)的两条发射谱线的强度比得到电子激发温度;通过氮分子离子391.4 nm和氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度之比得出了电子的平均能量的变化。实验研究了发射光谱随气压的变化,发现其强度随着气压的增加而增强,且其整个轮廓和谱线强度之比也发生变化。随着气压从0.75×105Pa升高到1×105Pa,分子振动温度、电子激发温度和电子能量均呈下降趋势。     

大气压氩气介质阻挡放电中的电子激发温度

采用发射光谱强度比法,测量了大气压氩气介质阻挡放电(DBD)中的电子激发温度。实验在690～800 nm的范围内测量了大气压氩气DBD的发射光谱,经分析发现这些谱线全部是氩原子的发射谱线。为了测量电子激发温度,选用相距较近的763.51 nm(2P₆→1S₅),772.42 nm(2P₂→1S₃)的两条光谱线。结果发现电子温度的范围为0.1～0.5 eV,电子激发温度随电压的增加而增加,随流量的增加而减小。实验还发现氩气流动与非流动时电子激发温度有明显的差别。上述结果对介质阻挡放电在工业领域上的应用具有重要意义。     

13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究

通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法,对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律.结果表明:在高频和低频放电中,输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响,高频放电中主要提升了电子密度,低频放电中则主要提升了电子温度.固定气压为10 Pa,分别由高频和低频驱动时,电子密度的径向分布均为"凸型".而电子温度的分布差异比较明显,高频驱动时,电子温度在腔室中心较为平坦,在边缘略有上升;低频驱动时,电子温度随径向距离的增加而逐渐下降.为了进一步分析造成这种差异的原因,在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图,利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度,发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反.继续升高气压到100 Pa,发现不论高频还是低频放电,电子密度的径向分布均从"凸型"转变为"马鞍形",较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升,但低频的均匀性更好.     

狭缝微等离子体的光谱线形研究

在狭缝微等离子体中,研究了Ar Ⅰ(2P2→1S5)光谱线的展宽和频移随放电参数的变化.为了测量谱线频移,采用低气压(10 Pa左右)氩气放电发射的Ar Ⅰ光谱线作为参考线.实验在氩气含量为99.92%的氩气/空气放电中,测量了气压从1×104Pa增大到6×104 Pa时Ar Ⅰ谱线的频移和展宽.结果表明随着气压的升高...     

Numerical study on the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced plasma

Based on the fluid theory of plasma, a model is built to study the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced argon plasma. In the model, species such as electrons, N2+, N4+, Ar+, and two metastable states (N 2(A3∑u+), N2 (a1 ∑u-)) are taken into account. The model includes the particle continuity equation, the electron energy balance equation, and Poisson抯equation. The model is solved with a finite difference method. The numerical results are obtained and used to investigate the effect of time taken to add nitrogen gas and initially-induced argon plasma pressure. It is found that lower speeds of adding the nitrogen gas and varying the gas pressure can induce higher plasma density, and inversely lower electron temperature. At high-pressure discharge, the electron density increases when the proportion of nitrogen component is below 40%, while the electron density will keep constant as the nitrogen component further increases. It is also shown that with the increase of initially-induced argon plasma pressure, the density of charged particles increases, and the electron temperature as well as the electric field decreases.