采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体

 使用发射光谱诊断法和Langmuir探针诊断法,测量了螺旋波激发等离子体化学气相沉积装置中产生的氢等离子体的发射光谱和电流-电压曲线。运用日冕模型和Druyvestey方法,对不同放电参数条件下激发态氢原子密度﹑等离子体密度及电子能量分布的变化规律进行了研究。结果表明：激发态氢原子密度随射频功率增大而增大,随工作气压的增大先增大,后缓慢下降。等离子体密度随射频功率增大线性增大,随工作气压的增加也是先增大,出现峰值后缓慢下降。电子平均能量随射频功率的变化是先增大,后达到平衡;随着工作气压的增大逐渐减小。两种诊断方法得到的结果基本相符。在低温低压等离子诊断中,两种诊断方法结合使用,可以得到更准确和更多的等离子体信息。     

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采用Langmuir探针法结合发射光谱法对螺旋波诱导的低压氢等离子体进行诊断,根据Druyvesteyn 方法和日冕模型分析电子能量几率函数(EEPF)、有效电子温度(Teff)、电子密度(ne)及激发态氢原子密度(nH*)随实验参数的变化规律.结果表明:随射频功率(Prf)、气压(p)和约束磁场(B)的增大,EEPF峰位由高能向低能移动,Teff 下降;当Prf从25W增大至35W左右时,ne发生跳跃增长,而nH*始终随Prf增大线性增长;随p增大,ne和nH*都呈现先增加后减小的变化规律;随B增强,ne线性增长,而nH*先增大后减小.     

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

利用一套螺旋波激发等离子体化学气相沉积（HWP—CVD）发生装置及发射光谱采集装置，原位诊断了不同入射功率、气压、氢气流量下氢等离子体光谱，研究了激发态氢原子的变化情况、氢分子振动温度的变化和激发态氢分子的相对分布。结果表明：     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

基于氢原子碰撞辐射模型的发射光谱法诊断电子密度

基于碰撞辐射模型,利用氢原子的巴尔末线比对HUST射频负氢离子源等离子体电子密度进行诊断。首先针对HUST离子源等离子体的放电条件,建立了综合考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发机制的碰撞辐射模型。基于建立的模型,利用氢原子的巴尔末线比来诊断电子密度。进一步分析了不同的氢原子分子密度比对电子密度诊断的影响,结果表明当电子温度较高,氢分子的解离度较低的等离子体放电状态下,必须同时考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发对激发态氢原子的贡献。     

Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度

为研究实验参数对螺旋波诱导的低压氢等离子体状态的影响,用Langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断,采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线,根据Druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数,分析了它们随实验参数的变化规律。结果表明:射频输入功率、气压和约束磁场对等离子体状态有较大影响。随着射频射入功率增大,放电模式发生转变,电子密度跳跃增长;随着气压增大,电子密度先增大后减小,1.5 Pa为最佳电离气压,随约束磁场的增强呈线性增长;有效电子温度随功率和气压的增大而下降,随约束磁场的增强线性降低,电子能量几率函数曲线峰位和高能部分都向低能移动,与有效电子温度变化规律吻合。     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

等离子体屏蔽效应对类氢离子束缚态的影响

在Debye屏蔽近似下,通过求解Schrödinger方程,计算了处于等离子体中的类氢离子的束缚态能量本征值与本征函数. 研究了氢原子和类氢Fe25+离子的n l ( n =1-4, l = 0-3)态能级随Debye 屏蔽长度λ的变化规律. 进一步,分析了等离子体屏蔽效应随主量子数n及角量子数l的变化规律, 发现对于给定的l, 等离子体屏蔽效应随主量子数n的增加而增大;对于给定的n,等离子体屏蔽效应随角量子数l 的增大而减小. 最后,我们分析了等离子体环境中类氢等电子序列离子的能级和波函数随屏蔽参数λ的变化规律,发现随着原子序数增大,等离子体屏蔽效应的影响逐渐变小.     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

介质阻挡放电六边形斑图稳定过程的光谱研究

采用发射光谱法,首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响。在氩气/空气混合气体的介质阻挡放电中,随着电压的升高,放电丝直径增大,六边形斑图逐渐稳定,同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色,说明其等离子体状态及参数可能发生了变化。测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子763.51 nm的相对强度、分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化。结果发现：氮分子谱线相对强度随电压增加而降低,氩原子谱线相对强度却升高;分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大。这些现象表明：随着电压增大,电子能量增加。由此,氩原子激发增多,放电丝直径增大,介质表面上沉积的壁电荷面积增大,放电丝之间的相互作用增强,六边形斑图趋于稳定。     

甚高频电容耦合氢等离子体特性研究

采用高H₂稀释的SiH₄等离子体放电, 特别是甚高频等离子体增强化学气相沉积技术是当前高速制备优质微晶硅薄膜的主流方法. 尽管在实验上取得了很大的突破, 但其沉积机理一直是研究的热点和难点. 本文通过建立二维时变的轴对称模型,在75 MHz放电频率下, 对与微晶硅沉积非常相关的甚高频电容耦合氢等离子体放电进行了数值模拟, 研究了沉积参数对等离子体特性的影响, 并与光发射谱(OES)在线监测结果进行了比较. 结果表明: 电子浓度 n_e在等离子体体层中间区域最大, 而电子温度 T_e及H_α与H_β的数密度在体层和鞘层界面附近取极大值; 当气压从1 Torr (1 Torr=133.322 Pa)增大至5 Torr时, 等离子体电势单调降低, 在体层中间区域 n_e先快速增大然后逐渐减小, T_e先下降后趋于稳定; 随着放电功率从30 W增大到70 W, 电子浓度 n_e及H_α与H_β的数密度均线性增大, 而电子温度 T_e基本保持不变; OES在线分析结果与模拟结果符合得很好.     

Diagnosis of negative hydrogen ions and rovibrational distribution of H<Subscript>2</Subscript> molecule in non-thermal plasmas

Rovibrational excited hydrogen molecule plays an important role for the production of H^- ions. The correlation between H^- ion density and rovibrational distribution of H₂ molecules has been investigated in dielectric barrier discharge hydrogen plasmas via optical emission spectrometry and molecular beam mass spectrometry. The relative vibrational distribution of molecular hydrogen in the electronic ground state has been determined by the best fitting to the Fulcher-α band emission lines. It is shown that the ratio of the Q_(0-0)(1) to Q_(1-1)(1) line is very suitable and simple for the diagnosis of vibrational temperature in the range of 1500 to 7500 K. At certain discharge conditions (ac 40 kHz, 14 kV), the vibrational temperature decreases from 3600 to 2400 K as the pressure increases from 100 to 200 Pa and the negative ions density near the ground electrode also decreases as the pressure increases. Both the hydrogen ions density and the vibrational temperature increase with the increasing of discharge voltage. It is found that the evolution of negative atomic hydrogen ions density greatly depends on the vibrational temperature.     

Characteristics of a large gap uniform discharge excited by DC voltage at atmospheric pressure

A large-gap uniform discharge is ignited by a coaxial dielectric barrier discharge and burns between a needle anode and a plate cathode under a low sustaining voltage by feeding with flowing argon. The basic aspects of the large-gap uniform discharge are investigated by optical and spectroscopic methods. From the discharge images, it can be found that this discharge has similar regions with glow discharge at low pressure except a plasma plume region. Light emission signals from the discharge indicate that the plasma column is invariant with time, while there are some stochastic pulses in the plasma plume region. The optical emission spectra scanning from 300 nm to 800 nm are used to calculate the excited electron temperature and vibrational temperature of the large-gap uniform discharge. It has been found that the excited electron temperature almost keeps constant and the vibrational temperature increases with increasing discharge current.Both of them decreases with increasing gas flow rate.     

Optical Emission of Molecular Hydrogen in a Recombining Hydrogen Plasma

We observed optical emission of molecular hydrogen in a recombining hydrogen plasma with an electron temperature of 0.1 eV and an electron density of 3 × 10¹²cm^–3. The optical emission intensities of molecular hydrogen in the recombining plasma were roughly 10%–45% of those in an ionizing plasma with an electron temperature of 4 eV. The ratio was greater for a transition line originated from an excited state with a larger vibrational quantum number. Because of the low electron temperature of 0.1 eV, the production processes of excited states are not considered electron impact excitation in the recombining plasma. Possible recombination processes are discussed which produce excited states of molecular hydrogen in the recombining plasma (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N₂的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

空心针-板电极大气压氩气辉光放电的特性研究

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景,它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置,以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究,结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极,发光较为均匀(观察不到放电丝)。在板电极附近放电等离子体柱直径最大,最大直径随着电流和气流的增大而增大。放电伏安特性研究发现,与低气压辉光放电相类似,两电极间的电压随着电流的增大而减小,并且随气流和气隙间距的增大而增大。对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析,获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I_391.4/I_337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。I_391.4/I_337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。对等离子体柱的I_391.4/I_337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量,并进行了定性分析,结果表明,振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。     

Glow Discharge Characteristics of Hollow Needle-Plate Electrode in Atmospheric Pressure ArgonSCIEI北大核心CSCD

Atmosphere pressure uniform plasma has the broad application prospect in the industrial field. Using hollow needle cathode - plate anode device excited by direct-current voltage, a uniform and stable glow discharge is generated at atmospheric pressure in ambient air with argon used as working gas. The influence of the experimental parameters (including gas flow rate and the gas gap width) on discharge has been investigated by optical method. It can be found that a glow-discharge plasma column can bridge the two electrodes. The plasma column is uniform, and no filaments can be discerned. Near the plate electrode, the diameter of the plasma column is largest of all positions. The maximal diameter of the plasma column increases with increasing the discharge current or the gas flow rate. Through electrical method, the voltage-current characteristic has been investigated. It has been found that the discharge voltage decreases with increasing the current which is similar with the characteristic of glow discharge in low pressure. It increases with increasing the gas gap width or the gas flow rate. By analyzing the optical emission spectrum scanning from 330 to 450 nm emitted from the direct-current glow discharge, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated as functions of the gas flow rate and gas gap width. Results indicate that both the vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 decrease with increasing the gas flow rate or the gas gap width. In addition, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated in spatial resolution along the direction of gas flow(plasma column axial), and give a qualitative analysis as well. It is found that the vibrational temperature and the average electron energy increase with increasing the distance from the hollow needle cathode. These results are important to the industrial applications of glow discharge.