氩气/空气ICP放电现象研究和基于H_β光谱展宽的微波干涉电子密度诊断方法

闭式腔体ICP是解决飞行器等离子体局部隐身的可行方案,其电子密度Ne在电磁波入射方向上的分布是影响其电磁波衰减效果的关键因素。对此,开展了在30.8cm×30.8cm×5.8cm石英腔体内的ICP放电实验,通过实验研究了空气/氩气ICP的E-H模式跳变的物理现象,通过测量得到了空气/氩气环状ICP的宽度和覆盖面积比例随电源功率变化的规律,并给出了上述实验现象的理论解释。为了得到平面型ICP的电子密度在微波入射方向的分布,提出基于Hβ光谱展宽的微波干涉分布诊断法,分别对平面真空腔室内空气/氩气ICP的电子密度在电磁波入射方向上的分布进行了诊断,通过H_β(486.13nm)Stark展宽拟合和微波干涉过程分别获取电子密度分布函数的两项参数,得到了电子密度分布随放电功率变化的曲线。实验可得到电子密度范围为0.5×10~(11)~3.2×10~(11) cm~(-3)的环状ICP源,实验结果表明,ICP的电子密度受气体种类,射频功率影响较大,峰值电子密度接近ICP的中心位置,通过比较发现,氩气的电子密度较高,有效拟合区域较窄,空气的有效拟合区域较宽,覆盖面积较大。     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪。该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统。理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性。结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1 nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms。适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测。     

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基于感应耦合等离子体(ICP)技术设计了一套用于在硅基片上制作形成超浅结的等离子体浸没注入(PIII)系统。该ICP PIII系统工作腔室为圆柱形,采用射频功率源,注入偏压源为一脉冲直流电压源,系统与Langmiur探针相连。探针诊断结果表明,该系统的等离子体离子密度达到1017m-3,离子密度径向均匀性达到3.53%。硼和磷的超低能注入试验的二次离子质谱测试结果表明：掺杂离子注入深度在10nm左右,最浅的注入深度为8.6nm(在注入离子密度为1018cm-3时);注入离子剂量达到了1015cm-2以上;掺杂离子浓度峰值在表面以下;注入陡峭度达到了2.5nm/decade。     

光栅光谱仪的标定

以PG4000微型光栅光谱仪为例,完整地给出了光栅光谱仪的标定过程:包括高阶衍射峰的消除、波长标定和光强标定3部分内容.根据标定结果测量辉光放电氩气等离子体的发射光谱,测量结果与文献中的参考谱符合很好.     

激光诱导原子荧光光谱技术及其应用

本文介绍了激光诱导原子荧光技术的发展过程，方法的原理和各种类型的实验装置，对激发源、原子化器和光学检测系统分别进行了讨论，给出了该技术在光谱分析、等离子体诊断和光谱学研究中的几种应用情况，展望了该技术的发展前景。     

原子发射光谱分析技术在大气等离子体抛光工艺研究中的应用

大气等离子体抛光是一种非接触式的超精密加工方法,它基于低温等离子体化学反应实现原子级的材料去处,避免了表层和亚表层损伤,特别适合于各种难加工材料的超光滑抛光。该方法首次引入了基于电容耦合原理的射频炬式等离子体源,为测试等离子体特性和进行工艺研究,在加工过程中使用微型光纤光谱仪进行光谱监测和采集,进而运用原子发射光谱分析技术初步讨论了射频功率和气体配比对加工过程的影响,分析结果显示：在一定范围内,射频功率对加工速率有着较明显的促进作用,而气体配比对等离子体区成分和表面生成元素的种类影响较大。电子跃迁轨道分析还揭示了处于不同激发态的活性氟原子对应的不同微观状态,为进一步的微观机理研究奠定了理论基础。基于工艺分析的结果,在单晶硅片上实现了Ra0.6 nm的表面粗糙度和32 mm3·min-1的加工速率。     

侧吹气体对光纤激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体特性影响

为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响,利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态,结果表明：氩气降低了等离子体的膨胀高度,随着压力增加,等离子体的膨胀距离减小,等离子抑制作用增强。 利用光谱仪研究了等离子体发射光谱在砂轮径向上的最大值随氩气压力的变化情况,并根据Boltzmann斜线法和Stark展宽法,计算不同氩气压力下等离子体在砂轮径向上电子温度和电子数密度的最大值,结果表明：气体压力增大,等离子体光谱线强度先增大后减小,等离子体光谱线强度在0.2 MPa时达到峰值,较大的氩气压力明显降低等离子体电子温度和电子数密度,从而减小对砂轮表面形貌的影响。 利用超景深三维扫描仪观测添加侧吹气体前后砂轮表面形貌,结果表明：0.5 MPa侧吹氩气后,砂轮表面形貌质量明显优于未添加侧吹气体时。     

环境气氛对高能量激光诱导等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器(～25 J)激发诱导金属等离子体,研究了环境气体及其压力对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,相同压强下,氩气中等离子体的谱线强度明显高于空气中等离子体的谱线强度;0.8×105Pa氩气条件下,光谱标钢等离子体的谱线强度达到了最大值;随着环境气压的增大,谱线自吸明显增强,当环境气压达到(0.8～0.93)×105Pa时,标样铝的AlⅠ308.22 nm和AlⅠ309.27 nm两条谱线产生了严重自蚀;另外,等离子体的激发温度也随环境气压的增大而增大,0.93×105Pa氩气条件下标钢等离子体的激发温度相对于0.43×105Pa时升高了近1 500 K。     

激光诱导Ni等离子体特性的研究

以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源,获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱,基于发射光谱,对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量,其典型值分别为3 714 K,4.67×1016 cm-3。测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布,发现沿垂直于激光传播方向的径向,随到中心点距离的增加,等离子体辐射的强度减小,但线型和线宽不变,表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。沿激光传播方向,随到样品表面距离的增加,等离子体辐射强度、电子激发温度和电子密度先增加后降低,在距样品表面1.5 mm处,达到最大值。采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时,收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱,有利于提高探测灵敏度。     

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈，是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构，分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理，基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差，基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计，确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果，完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调，搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明，设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪，采用重庆大...     

A Microfabricated Inductively Coupled Plasma Excitation Source

A novel miniaturization of inductively coupled plasma （ICP） source based on printed circuit produced using micro-fabrication techniques is presented. The basic parameters of the novel ICP, including its radio frequency, power loss, size, and argon consumption are less than 1% of that for the case of atmospheric pressure ICP source. For example, at 100 Pa of argon gas pressure, the present ICP source can be ignited by using the rf power less than 3.5 W. Potential applications of the ICP is discussed.     

Plasma Source Mass Spectrometric Analysis of Biological and Environmental Samples: Dealing with Potential Interferences

Introduction

Effectiveness of a plasma to dissociate the sample into ions has been the basis of the development of plasma source optical emission spectrometer (OES) and mass spectrometer (MS) for elemental and isotope analysis. Among the available ways of inducing and sustaining a plasma, only inductively coupled plasma (ICP) has gained commercial application. The ICP is an electrodeless discharge in a gas at atmospheric pressure, maintained by energy coupled to it from a radio frequency generator. This is done by a coupling coil, which functions as the primary of radio frequency transformer, the secondary of which is created by the discharge itself (Jarvis et al., 1992). An ICP-MS system consists of a plasma source (ICP) interfaced with a quadrupole MS. The plasma ionizes the elements of the sample and the MS serves as a detector that measures the mass to charge (m/z) ratio of the element(s) or isotope(s) of interest. Generally an argon (Ar) plasma is used, but other plasma sources have also been proposed (Brown et al., 1988; Satzger et al., 1987).     

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

研制了高通鸟笼线圈,使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用COMSOL5.4模拟出了鸟笼天线在13.56MHz的工作频率下,电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电路结构解剖,推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度明显低于传统射频天线,电容器最高温度仅65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度,在1.0Pa、600Gs、射频功率700W条件下等离子体密度达到1.62×10¹⁸m^-3。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度,其与磁滞现象变化趋势雷同。测试了螺旋波等离子体的径向密度分布,其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性,其密度值不会发生大幅度跃迁,纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素,低压条件下有利于得到更低的电子温度,最低达到2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显优势,可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激...     

多源感应耦合等离子体的产生及等离子体诊断

基于单组多匝线圈的小腔体感应耦合等离子体，研究了线圈配置与耦合效率等之间的关联，并将实验结果应用到多组并联螺旋天线感应耦合等离子体放电体系中.采用了改进的朗谬尔探针方法对单源和多源感应耦合等离子体的电参量分别进行了表征.结果表明，使用多螺旋天线并联方式可以产生低气压高密度的感应耦合等离子体放电，通过调整工艺参量，可以将等离子体密度和光刻胶的刻蚀均匀性控制在80％以上. 关键词： 多源感应耦合等离子体 朗谬尔探针 等离子体灰化     

Diagnostics of an inductively coupled plasma in oxygen

Spatial time-integrated and space-time resolved profiles of excited atoms of oxygen were measured by optical emission spectroscopy for inductively coupled plasma (ICP) in oxygen. The discharge was sustained by a single turn coil supplied by 13.56 MHz RF generator delivering 100 and 200 W of power. The spatial emission profiles give the anatomy of the discharge required in order to understand the basic kinetics of ICP. Two types of nonuniformities are observed, azimuthal anisotropy and radial nonuniformity, both caused by spatially dependent energy supply to the electrons. Our experimental results show that oxygen is much more affected by azimuthal anisotropy and radial nonuniformity than argon. It is due to a different role of metastable atoms in kinetics of excitation, whereby stepwise excitation in oxygen is less probable than in argon. Optical emission data are supplemented by Langmuir probe measurements of electron densities and plasma potentials. Electrons gain energy from the time varying fields close to the coil, and the energy is not redistributed along the radius before it is dissipated in excitation, thus the observations are not consistent with the nonlocal theory predictions for the range of pressures, geometry, and power covered in this paper     

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对感应耦合氩气热等离子体的速度分布特性以及各操作参数对等离子体速度分布的影响进行了细致的研究。研究结果表明,与直流电弧热等离子体相比,感应耦合热等离子体速度小,弧流集中,速度峰值出现在等离子体炬下游,在线圈段上游出现明显的回流现象。此外,送气流量、感应电流等操作参数对等离子体速度分布有明显影响。研究结果可为等离子体球化粉末颗粒及其他应用提供理论指导。     

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、 工作寿命长、 推力动态范围大、 性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理...     

射频电感性耦合等离子体调谐基片自偏压特性

采用调节射频电感性耦合等离子体中基片电极与地之间的外部电路阻抗的方法,控制基片电极的射频自偏压。研究了调谐基片自偏压随外部调谐电容值的变化特征,得到了调谐基片射频自偏压随射频放电功率、气压的变化曲线。在一定放电参数区域内,调谐基片射频自偏压随调谐电容的变化曲线呈现跳变、双稳、迟滞现象。     

大气感耦射流等离子体加工中的电子温度及激发光谱研究

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术,其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体,提高材料去除率提供了有力条件。利用发射光谱仪,对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400~1 000 nm范围内的光谱进行了测量。并利用峰值明显,能级差较大的谱线计算电子温度。由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值,且感耦射流等离子体具有回转对称性,因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数,进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用,处于加工区域的温度分布呈现出双峰形;随着距离增大,双峰效应逐渐减弱,温度分布趋于平滑。研究也表明随着加工距离的增大,等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态,玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低,导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。进一步对通入反应气体CF₄后的等离子体光谱进行了研究,通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色,是由于激发反应气体后产生的位于400~650 nm范围的带状光谱所致,分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C₂谱带Swan Bands,而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF₄的充分激发产生。