甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD(charge coupled device)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C₂,C₃, C₄,C₅和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CH_n(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

从大气压到超低气压范围的氦等离子体发射光谱的基本特性

采用三种实验装置(介质阻挡放电装置、空心阴极放电装置和彭宁放电装置)分别测量了不同压强范围内氦等离子体的发射光谱。通过对氦等离子体发射光谱的分析,已观察到一个共同的特点,就是在三种放电条件下产生的氦等离子体中31P1→21S0的谱线强度总是最强,可以推测亚稳态氦原子的含量相当显著,但不同的装置也有不同的特点,介质阻挡放电装置能够产生准辉光放电,谱线中氦原子的谱线强度很低,而空心阴极放电与彭宁放电装置能够产生稳定均匀的等离子体,且发射足够强的光辐射。我们已对所拍摄的光谱的谱线都进行了辨认,所有结果表明原子发射光谱分析法是研究不同条件下氦等离子体状态的一种十分有效的手段。     

脉冲激光制备类金刚石薄膜及原位激光等离子体发射光谱

用ＹＡＧ脉冲激光轰击真空室内的石墨靶,可以形成包含碳素的激光等离子体,并在硅或石英衬氏上淀积形成某种类型的碳膜。用光学多道分析仪原位测量了激光等离子体的发射光谱,给出反应空间可能存在的反应基团有碳原子、碳离子、碳分子等,用拉曼光谱研究了薄膜的结构,证明所形成的薄膜为类金刚石膜,并得出碳原子和碳离子与薄膜的类金刚石结构有关。制备过程中,氢的参与有利于薄膜中金刚石成分的形成。空间分辨的原位激光等离子体发射光谱表明,在反应空间存在薄膜形成的最佳位置。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

等离子体发射光谱诊断用于射频磁控溅射GaP薄膜的工艺参数优化

以GaP为靶材、Ar为工作气体,采用射频磁控溅射法制备了厚层GaP膜.对沉积过程中的辉光放电等离子体进行了发射光谱诊断,发现只有ArⅠ发射谱线.研究了工艺参数对发射谱线强度的影响规律,并在此基础上通过同时改变射频功率、Ar气流量及工作气压,使ArⅠ发射谱线强度保持相同.发现通过增大射频功率、减小工作气压而保持ArⅠ发射谱线强度不变可以提高GaP膜的沉积速率,并使GaP膜的沉积工艺参数得到优化.在优化后的工艺参数下制备出了符合化学计量比、红外透过性能好的厚层GaP膜. 关键词： GaP薄膜 射频磁控溅射 等离子体发射光谱 红外透射     

流动注射等离子体炬原子发射光谱峰宽定量法

提出了流动注射-微波等离子体炬-原子发射光谱法(FI-MPT-AES)的峰宽定量法。考察了峰宽定量在不同发射强度下的灵敏度和线性,测定了在多种基体元素下Zn2+,Cu2+和Ag+的峰宽回收率,并与峰高定量法的测定结果进行了对比。结果表明在FI-MPT-AES系统中采用峰宽定量可有效地消除基体干扰,扩展线性测定范围。本方法的优化条件是：进样体积350 μL、载流流速1.5 mL·min-1、微波功率110 W、载气流量1.4 L·min-1、工作气(氩)流量0.4 L·min-1。在所选实验条件下,用FI-MPT-AES峰宽定量法和峰高定量两种方法,对某水库水样中的K+,Ca2+,Zn2+,Cu2+,Ag+进行测定和回收率计算,发现FI-MPT-AES峰高定量的标准添加回收率在61.3%～122%,其峰宽定量的标准添加回收率在92%～107%,峰宽定量明显优于常规的峰高定量。     

空心阴极等离子体电子枪研究

对空心阴极等离子体电子枪的理论与机理做了较详细的分析，介绍了空心阴极放电特性，论 述了激励电极和调制电极在空心阴极内等离子体形成过程中的作用，分析了等离子体中电子 和离子的运动及主要参数，推导出空心阴极内电场与电流密度的表达式，研究了形成稳定电 子束流的基本条件.利用泊松方程、电流连续性方程和运动方程对其进行了数值模拟计算， 并给出了优化结果. 在此基础上设计出了输出束流脉宽为1μs、幅值达2kA的空心阴极等离 子体电子枪. 关键词： 空心阴极 等离子体 电子枪     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度

通过OH自由基A2Σ+→X2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000 K,空气微波等离子体可超过6 000 K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足：T_Ar<T_N2<T_Air;气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

双频容性耦合等离子体相分辨发射光谱诊断

采用相分辨发射光谱法, 对双频容性耦合纯Ar和不同含O₂量的Ar-O₂混合气体放电等离子体的鞘层激发模式进行了探究. 在射频耦合电源上极板的鞘层区域处观察到两种电子激发模式: 鞘层扩张引起的电子碰撞激发模式和二次电子引起的电子碰撞激发模式; 并发现这两种激发模式均受到低频射频电源周期的调制. 在纯Ar放电等离子体中, 两种激发模式的激发轮廓相似; 而在Ar-O₂混合气放电等离子体中, 随着含O₂量的增加, 二次电子的激发轮廓变弱. 此外, 利用相分辨发射光谱法对不同含O₂量的Ar-O₂混合气放电下Ar的 750.4 nm谱线的平均低频电源周期轴向分布进行了研究, 得到了距耦合电源上极板约3.8 mm处为双频容性耦合射频等离子体的鞘层边界. 关键词： 双频容性耦合等离子体 等离子体鞘层 发射光谱     

Measurements of plasma parameters in capacitively coupled radio frequency plasma from discharge characteristics: Correlation with optical emission spectroscopy

Plasma parameters from the discharge characteristics of a 13.56 MHz capacitively coupled radio frequency Ar plasma are evaluated on the basis of homogeneous discharge model for wide range of operating pressure. The homogeneous discharge model of capacitively coupled radio frequency discharge is modified to take into account the nonlinear plasma series resonance effect. The effect of drift velocity of the electron due to change in radio frequency electric field and operating pressure is also considered. Considerable dependent of plasma parameters on the drift velocity of the electron as well as on the plasma series resonance effect are observed in low pressure. An irregular variation of calculated plasma density with operating pressure is observed, which is reconfirmed with optical emission spectroscopy.     

VHF-PECVD低温制备微晶硅薄膜的拉曼散射光谱和光发射谱研究

采用拉曼散射光谱和PR650光谱光度计对VHF-PECVD制备的微晶硅薄膜进行了结构表征和在线监测研究.结果表明：功率对材料的晶化率（χc）有一定的调节作用，硅烷浓度大，微调作用更明显；SiH*的强度只能在一定的范围内表征材料的沉积速率，功率大相应的速率反而下降；I［Hα*］/I［SiH*］强度比值反映了材料晶化程度，此结果和拉曼散射光谱测试结果显示出一致性；I［Hβ*］/I［Hα*］的强度比表明氢等离子体中的电子温度随功率的增大而逐渐降低. 关键词： 甚高频等离子体增强化学气相沉积 微晶硅 拉曼散射谱 光发射谱     

Optical emission spectroscopy of the sputtering process in the triode system

The results of spectroscopic investigation of plane plasma discharge and sputtering processes in the triode system are presented. The forced electric discharge with currents of 1–4 A at an argon pressure of 1 mTorr was studied using the emission spectroscopy method. The spectra of plasma discharge were observed in the 200–1100 nm wavelength range. Two metal targets, gold and silver, were used for sputtering. It was found that a part of sputtered particles is ionized in plasma. The emission spectra of the ionized gold and silver species were observed as a function of target voltage while sputtering. It was shown that the number of ionized metal species depends on the energy of argon ions.     

Effect of parameters on Si plasma emission in collinear double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy

Collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy was carried out on Si crystal by using a pair of nanosecond Nd:YAG laser sources emitting at 1064 nm. The spectral intensities and signalto-noise ratios of selected Si atomic and ionic lines were used to evaluate the optical emission. The optical emission intensity was recorded while varying the interpulse delay time and energy ratio of the two pulsed lasers. The effects of the data acquisition delay time on the line intensity and signal-to-noise ratio have been investigated as well. Based on the results, the optimal interpulse delay time, energy ratio of the two pulsed lasers, and data acquisition delay time for achieving the maximum atomic and ionic line intensities were found for generation of Si plasma with the collinear dual-pulse laser approach. The dominant mechanism for the observed line intensity variation was also discussed. In addition, the plasma temperature and electron number density at different gate delay times and different interpulse delay times were derived. A significant influence of plasma shielding on the electron temperature and electron number density at shorter interpulse delay times was observed.     

时间分辨原子发射光谱诊断脉冲放电气体束等离子体

建成了一套脉冲放电气体束和原子发射光谱等离子体诊断实验装置,利用这套实验装置测量了不同放电条件下等离子体的时间分辨发射光谱,并采用玻尔兹曼作图法和Hα谱线斯塔克展宽法研究了等离子体的原子温度、离子温度和自由电子密度等参数的演化。实验结果表明,脉冲放电的总电量对等离子体参数的演化有较大影响;脉冲放电气体束等离子体中的离子温度远高于原子温度,自由电子密度相对较低,等离子体处于非局域热平衡状态。A special designed pulsed discharge nozzle (PDN) ion source and a plasma diagnostics system based on the atomic emission spectroscopy were constructed. The time-resolved emission spectra of Argon atoms and ions in the region of 300-800 nm were observed and analyzed. The plasma temperatures, including atomic and ionic temperatures, were simulated by Boltzmann plot method, and the free electron density was simulated through the Stark broadening of Hα line. The evolution of these plasma parameters were investigated by high-resolution time-resolved emission spectra. The results show that the total energy struck on the pulsed gas beam is the most important factor which determines the plasma properties and its evolution. The plasma in PDN is concluded into non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) during the evaluation because of the low electron density and the big difference between the temperatures of Argon atoms and ions in all discharge conditions.     

Fourier-transform infrared emission spectroscopy of BO

The Fourier-transform infrared emission spectra of BO were recorded using a Bruker IFS 125 HR spectrometer. The observed spectrum of BO in the 1200-2100 cm⁻¹ region contains three bands: the fundamental bands of ¹¹BO and ¹⁰BO and a hot band of ¹¹BO with band origins measured to be 1861.9242(97), 1915.3071(09) and 1838.3773(68) cm⁻¹, respectively.     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体特性研究

采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律. 关键词： 脉冲光纤激光 等离子体发射光谱 激光修锐 电子温度     

大气压射流等离子体中O及OH自由基的发射光谱在线诊断

OH自由基及氧原子在大气化学、表面处理及化学污染物分解等方面有着重要的作用。利用发射光谱技术在线测量了大气压射流等离子体中OH自由基紫外波段与O自由基777,844 nm波段的发射光谱。研究了OH自由基与氧原子光谱强度随放电功率及放电体系中所加入的氧浓度的变化。将实验测得的OH自由基光谱图与用Lifbase数据库模拟光谱图进行比较,估算了OH自由基的转动温度。结果表明：OH自由基的转动温度随放电功率的增加而增加,随工作气体流速的增加而减小。