大气下脉冲放电等离子体的发射光谱诊断.pdf

中南民族大学 硕士学位论文 大气下脉冲放电等离子体的发射光谱诊断 姓名：胡欣 申请学位级别：硕士 专业：等离子体物理 指导教师：孙奉娄 20070530 中南民族大学硕士学位论文 I 摘 要 低温等离子体技术在国防及材料表面改性等领域具有广泛应用， 从而被受关 注低温等离子体的应用需要对其微观参数进行诊断光谱学技术作为一种重要 的诊断手段，可对等离子体的基本过程、状态和特征进行实时、诊断和无干 扰监控运用该技术不但有助于了解等离子体的粒种组成、热力学温度和粒子能 量分布等状态参数，而且可以获取其中的碰撞、传能、电离、解离和输运等微观 物理过程的信息 在大气下脉冲放电产生等离子体有多种用途， 对其微观参数进行诊断具有重 要意义本文自行设计了一套在大气下用脉冲电源产生稳定等离子体的放电装 置， 并搭建了其发射光谱的采集装置 用比值法计算了电子温度， 实验结果表明， 大气脉冲放电等离子体的电子温度约为 0.52- 1eV， 并在一定范围内随着放电峰值 电压的升高呈现单调上升的趋势 用Stark展宽法计算了粒子密度， 其范围为 1014 —1 0 16 cm- 3 用延时光谱法对大气脉冲等离子体产生初期的时间行为进行研究，并分析实 验结果，发现当放电峰值电压一定时，电子温度在脉冲上升沿后有一段延时增长 的过程。

最大电子温度大约出现在电源脉冲过后的 850ns，约为 1eV粒子密度 亦随脉冲后有相类似的增长过程， 最大粒子密度约出现在电源脉冲过后的750ns 电子温度和粒子密度的变化趋势与光谱（线状光谱和带状光谱） “增涨”的过程 相对应，由此认为电子温度和粒子密度的增长是等离子体增长的过程 关键词：等离子体；电子温度；粒子密度；时间演化 中南民族大学硕士学位论文 II Abstract Low- temperature plasma is one of the space environments which can be widely used for energy, aeronautics, environment science, national defense and material surface quality changing and some other domains, so recently it becomes to be the center of research attention. As the research innovation and the continual development of diagnostic technology, low- temperature plasma is applied in a broader field. Spectroscopic diagnostic techniques including AES, absorption and laser spectroscopy are methods to do real- time, online, and no interference monitoring and measurement, which are for the basic process, the state and features of plasma. Using spectroscopic diagnostic techniques can not only get some state parameters such as the plasma particle composition, thermodynamic temperature and particle energy distribution, but also access information about some micro physical process such as the collision, energy transfer, ionization, dissociation and transport. Producing stable plasma under the atmosphere and diagnosing it are in research focus at home and abroad in recent years. In this paper, an experiment device is designed which supply steady discharge plasma using pulsed power in the atmosphere. According to a series of plasma emission spectra in a cycle, electron temperature and density of particles are calculated, its time behavior is analyzed. Plane Boltzmann method is used to calculate the electron temperature, study the change of electron temperature with peak of discharge voltage changes, observe electron temperature time evolution in a cycle. Stark broadening is used to calculate the range of plasma particle density under the experimental conditions, inspect the particle density of the time- evolution. Finally, pulsed gas discharge theory is integrated to analyze such time- evolution behavior causes. Keywords: Plasma; Electron temperature; Electron density; Time evolution 中南民族大学硕士学位论文 中南民族大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文 本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 √ 中南民族大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 . 1 等离子体诊断方法的研究 由于高技术的蓬勃发展和对新材料、新工艺的迫切需求，才引起人们对等离 子体空间物理化学现象的广泛兴趣[1- 2]等离子体反应强烈地依赖于具体的反应 过程， 加之电极结构的多样性， 许多诊断方法并不适用于具体的研究对象。

因此， 发展精确可靠、 简单实用的等离子体诊断手段对推动非平衡等离子体的研究与应 用十分必要 目前对等离子体诊断有许多方法，低温等离子体诊断归纳起来有以下一些 方法：电探针测量法、磁探针测量法、超声、微波、激光传输测量法、质谱测量 法和等离子体辐射谱测量法[3] 朗缪尔（Langmuir）于 1923 年首创了探针理论[4]，把探针法用于低压等离 子体诊断成为当时等离子体诊断技术的强有力工具 朗缪尔的探针理论限于等离 子体粒子间碰撞的低气压稀薄等离子体，因此，一开始即能很好地用于研究关于 辉光放电和低气压电弧放电五十年代创立了对称双探针系统，这是探针发展的 又一里程碑，这种双探针技术无需电极作参考电位值，因此适用于空间电位不确 定的放电如无电极高频放电、余辉和上层大气层放电等六十年代这些探针理 论和技术均应用于卫星技术＆探测火箭等领域直到七十年代末，电探针在控制 溅射工艺中才引起人们的重视，其主要困难在于应用 Langmuir 探针计算等离子 体参数时非常复杂，也即静电探针理论相当复杂，仅仅在相对简单的条件下，可 以对伏安特性曲线作出合理的解释，从而可以根据其伏安特性导出电子温度、等 离子体密度和空间电位等主要参数。

探针技术和其他等离子体诊断技术比较，其突出的优点是所需仪器较简单 实际上，只需要一个小的金属置入等离子体中，在其上加一相对等离子体可变的 电压偏置，并正确地测量探针的伏安特性，即可获得有关的等离子体特性参量 探针技术的另一个优点是它可以通过探针的任意移动测量等离子体密度或电子 温度的空间分布但是因为探针技术是接触式测量，探针和未扰动的等离子体之 间，必然会产生空间电荷鞘层，也就是探针对等离子体将造成探针附近一定范围 中南民族大学硕士学位论文 2 的扰动，这是探针技术的最大缺点 等离子质谱学诊断源于质谱是物质组成的一种展开方式，离子按荷质比大小 排列得到的谱称为质谱因此可设法使混合物或单体形成离子，然后利用离子在 电磁场中的运动性质，把离子按质荷比（m/e）分开，对样品离子的质荷比及其 强度测定，据此进行物质成分和结构分析等离子体的质谱分析可分为流分析和 分压强分析等离子体流分析对象是等离子体粒子（离子和中性粒子） ，一般来 自位于等离子体容器壁或附近的取样孔， 这个方法特别适用于等离子体组分的鉴 别和能量分析分压强分析取样的气体来自等离子体容器与连接器内壁粒子碰 撞因此等离子体容器和质谱计之间的连接比较简单，与流分析相比差分抽气的 要求相对较低。

由于分压强分析的信号代表了有关的等离子体和表面相互作用的 积分效应， 因此它可用来监视真空容器的光与光放电处理或者大面积的材料加工 [5] 质谱分析须在等离子体空间插入取样管，这样会对等离子体产生干扰，利用 等离子体的光发射诊断可以避免这种扰动 在各种气体放电产生的低温等离子体 中，由于存在着大量的带电粒子、自由基和中性粒子，他们之间复杂的相互作用 可导致一系列的激发电离，其所辐射出的电磁波具有宽广的频率范围，因此为光 谱诊断提供了广阔的应用基础 所谓光谱诊断就是把等离子体中发射出来的光谱 用某种方法记录下来，然后进行识谱，从中分析等离子体的信息原则上等离子 体光谱能提供等离子体温度、密度、激发和电离状态以及化学组成等重要信息， 但由于放电等离子体本身的复杂性及光学仪器精度的限制， 从光谱推算这些参数 往往是相对困难的尽管如此，它作为一种非扰动等离子体诊断手段在低温等离 子体中的应用还是相当广泛的VDTiN 过程，特别研究了放电输入功率、沉积 速率与等离子活性基浓度的关系， 这种现象为研究 PCVD TiN 形成机制提供了直 接的实验依据 中南民族大学硕士学位论文 3 1 . 2 本文研究的目的、意义和基本内容 等离子体学科的迅速扩展和深化更需要发展新的等离子体诊断技术。

传统的 探针方法只是针对等离子体的带电成份的宏观特征的诊断方案， 而等离子体中还 存在大量的其它载能成份，比如自由基，激发态原子和分子等，这些成分虽然不 能直接影等离子体电磁学性质， 然而对于等离子体的微观过程却。