Ar等離子體電子溫度光譜法測量探究

1、Ar等離子體電子溫度光譜法測量探究柯福順摘要：在采用一般精度的光譜儀時，通過測量Ar輝光放電等離子體的光譜，根據玻爾茲曼分布進行多譜線線性擬合，求得等離子體電子溫度。討論光譜法在實驗數據上的處理、反映出的等離子體物理性質。在普通條件下，該方法對不同實驗條件下電子溫度變化的靈敏度在半定量水平。關鍵詞：光譜法，Ar等離子體，輝光放電，電子溫度，多譜線擬合1. 引言在低溫等離子體物理性質的測量中，電子溫度測量是重要一環(huán)。此處的電子溫度又可分為平動溫度Ttr和激發(fā)溫度Tex。前者表現在自由、半束縛電子的平均動能上，后者表現在束縛、半束縛電子的被激發(fā)強度，即光譜光強分布上。在局部熱力學平衡（LTE）下，

2、才可以認為兩者近似相等。根據這兩個溫度的概念，主要的探測方法分為探針法和光譜法。探針法又可分為單探針法、雙探針法。探針法通過測量等離子體區(qū)內的探針電流與電壓關系，借助電子的玻爾茲曼分布來分析求得電子平動溫度。但是探針周圍形成的空間電荷鞘層擾動等離子體，會造成結果失真。而且此法在暫態(tài)過程中不適用，如脈沖放電，高頻等離子體。光譜法則是一種實時、對體系沒有擾動的測量方式。相同激發(fā)溫度下，不同的譜線有不同的強度，反映在激發(fā)幾率、能級、簡并度上。由玻爾茲曼公布可以導出各譜線的強度表達式。實驗中測量多條譜線光強，代入強度表達式進行擬合，以求出電子激發(fā)溫度。在普通實驗室中，Ar等離子輝光放電的探針法測量很容

3、易實現，光譜法測量則遇到很多方面的限制：光線的平行度，光譜儀的測量范圍、分辨率、響應度等。本文討論在采用精度較低的光譜儀下，光譜法電子溫度測量的數據篩選、處理，分析其與探針法結果偏差的原因，研究粗略光譜法對電子溫度的監(jiān)測。2. 原理及儀器1) 儀器實驗輝光源是一個可以控制氣壓變化的Ar氣體放電管。氣壓可調范圍在10-1-102Pa，極間電壓調節(jié)范圍0-800V。光譜儀為復想PG4000光柵光譜儀，極限分辨率不低于0.25nm，實際分辨率在3.80nm左右。光譜響應范圍500-1000nm。2) 原理實驗中應用玻爾茲曼分布來模擬束縛、半束縛電子狀態(tài)，而不是用費米-狄拉克分布。這是由于實驗中輝光放

4、電探針法測得電子溫度在6eV以下，式（遠）大于1。其中E為譜線上能級能量，在13eV左右。原子在兩個能級之間躍遷發(fā)射光子的譜線強度為， (1)其中Nn 表示激發(fā)能級為n 的原子密度,Anm表示從能級n 躍遷到能級m 的自發(fā)躍遷概率, h為普朗克常量,v為光的頻率. 同樣可以寫出另一條譜線的光強式(2)放電等離子體中電子能量分布應近似滿足玻爾茲曼分布規(guī)律：n能級與j能級 (3)其中gn、gj、En、Ej 分別表示兩個能級的簡并度和能量, Te為等離子體溫度，k為玻爾茲曼常數。聯立式(1),(2),(3) 可得: (4) 式(4)中: 下標1, 2 分別指第一與第二條譜線,是波長，E為上能級能量。

5、對（4）式取對數得到：以為橫坐標， E為縱坐標描出各譜線點， 然后對曲線進行線性擬合, 擬合直線的斜率就是kTe，由此可求得電子激發(fā)溫度Te。3. 實驗結果與討論1) 電子溫度計算取放電管極間電壓360V，72Pa的輝光正柱區(qū)光譜，如圖1。具體數據及參數見表。圖1，380V,72Pa Ar輝光放電正柱區(qū)光譜表1， 主要譜線和相關參數（）序號波長實驗值le/nm光強修正值波長參考值lr/nm簡并度g上能級能量E/eV激發(fā)幾率A/106s激發(fā)類型1696.1162.13279696.5431313.355096.39Ar I2706.4771.69806706.7217513.32943.80Ar

6、 I3738.01166.85228738.3 etc-Ar I4750.431187.19338750.4 , 751.4-Ar I5763.62591.33563763.5106213.1986924.5Ar I6772.31230.2706772.4 , 772.3-Ar I7794.38238.79052794.8176313.3097818.6Ar I8800.93401.44413801.4 , 800.6-Ar I9811.141539.10156811.5 , 810.3-Ar I10826.29252.48116826.4522313.3550915.3Ar I11842.1

7、91264.33322842.4 , 840.8-Ar I12852.33312.74342852.1442313.3097813.9Ar I13912.821556.9335912.2967312.9333818.9Ar I14922.83313.3447922.4499313.180025.03Ar I15966.54527.59395965.7786312.933385.43Ar I數據篩選與處理說明：A. 光譜儀分辨率只有3.84nm，表1中譜線3、4、6、8、9、11是由兩條或兩條以上，波長差在1nm左右的譜線疊加而成。因此該光譜峰的強度值不能用以擬合。B. 在測量光譜儀的光譜響應曲

8、線過程中，由于光譜范圍為500nm-1000nm，在范圍兩端附近的響應度有較大誤差。表1中波長在1000nm附近的譜線13、14、15被舍掉。C. 光強測量值漲落控制在5%以內，舍棄原始測量光強較低的譜線1、2、7。直線擬合，求得360V，72Pa的輝光正柱區(qū)的光譜法電子激發(fā)溫度為0.2220.049eV。2) 與探針法的比較實驗中的380V，72Pa的探針法求得電子平動溫度在幾電子伏。與光譜法相比，有一個數量級的差別。表給出不同條件下兩者方法的比較，同樣反映了這一差別。組實驗條件探針法/eV光譜法/eV400V , 20.0Pa4.230.2760400V , 4.0Pa3.820.2348

9、600V , 4.0Pa5.070.2765這兩個不同溫度結果說明：低氣壓Ar氣體輝光放電中，實驗電子平動溫度與激發(fā)溫度不能等效。原因在于：A. 實驗氣體氣壓?。ㄔ?0Pa以下）、電流低（在mA左右）時，局部熱力學平衡不能滿足。此條件下自由電子的自由程長，與原子、離子碰撞幾率小。由于原子內電子的激發(fā)主要是由外部自由電子的能量傳遞來完成。未激發(fā)的電子可認為有較低的恒值溫度，而在接受外部電子能量后激發(fā)至較高溫度。依據激發(fā)溫度的統(tǒng)計熱力學概念，能量傳遞發(fā)生幾率越低，激發(fā)溫度與平動溫度的差距越大。從兩種方法測量結果的不同，可以估計這一碰撞激發(fā)幾率大小。該值近似于光譜法與探針法電子溫度之比，這一幾率小于

10、0.1。由于氣壓越大，這一幾率越大。取在不同氣壓下的數據：組比值為0.065，大于組比值0.061，符合預期。B. 兩種方法雖然都是測量正柱區(qū)的電子溫度，但實驗中探針測量的是正柱區(qū)邊界，未有發(fā)光。而光譜法測量的是正柱區(qū)的發(fā)光區(qū)。根據放電管內的電子密度徑向分布，邊界的電子密度低于中心電子密度，對應的電子溫度也不一樣。3) 半定量測量雖然光譜法在測量平動溫度上有困難，但從上面的討論說明激發(fā)溫度與平動溫度有對應關系。以下將探究光譜法在監(jiān)測電子溫度的應用。A. 相同極間電壓，不同氣壓選擇極間電壓為406V，分別對10Pa、36Pa、52Pa、71Pa測量其電子激發(fā)溫度Te。測量結果見圖2?？梢娫?0-

11、100Pa范圍內，電子激發(fā)溫度隨氣壓增大而上升。圖2，輝光放電中局部Tex與氣壓關系圖3 , 電子溫度與氣壓的關系圖這現象的產生與氣壓取值范圍有關。如圖3為電子溫度與氣壓關系示意圖。當氣壓小于10Pa時，氣壓越低，電子自由程越大，受電場加速越多，平均速率與溫度隨之上升。在10Pa到100Pa之間，由于受加速的離子數增多，離子與電子的互相作用加大，兩者溫度不斷接近，電子接受來自離子的能量使自身速率和溫度增大。大于100Pa時，離子之間的碰撞作用也增大，離子速率下降，電子也隨之下降。實驗中氣壓下處于10Pa到100Pa之間，所以呈上升態(tài)。光譜法能夠監(jiān)測到這一變化。B. 相同氣壓，不同極間電壓選擇氣

12、壓72Pa，分別對300V，320V，340V，360V測量其電子激發(fā)溫度Te。測量結果見圖4。可見電子溫度隨電壓上升有變大趨勢。但是這一趨勢很不明朗。在氣壓不變時，電子自由程變大，在自由程內受電場加速越充分，達到的速率增大。這樣電子溫度上升。探測針法的測量也可以證明這一規(guī)律。光譜法測量的偏離來來自于光譜儀精度小，誤差大。在上一組氣壓-電子溫度比較中，光譜法能夠反映大于0.1eV的變化。在本組實驗中，變化小于0.05eV，監(jiān)測其變化遇到困難。因此光譜法只能用于半定量的測定。圖4 , 輝光放電中Tex與電壓的關系4. 總結應用普通精度的光譜儀對輝光放電等離子體進行電子溫度測量，可以測到精度較低的

13、電子激發(fā)溫度（在本實驗中在0.1eV左右）。但相比探針法，該光譜法的優(yōu)勢在于探測時間短，實驗干擾小。因此在半定量測量電子溫度變化趨勢上，光譜法比探針法方便快捷。結合探針法與光譜法的測量結果，可以對電子的碰撞激發(fā)幾率進行估計。由于碰撞幾率與氣壓有很大關聯度，因此可以通過同時應用探針法、光譜法測量電子溫度，取其比值來監(jiān)測氣壓的變化。5. 致謝十分感謝樂永康老師對本次實驗的大力支持，以及合作者陳思同學的共同努力。6. 參考文獻1) 低溫等離子體物理基礎金佑民，樊友三清華大學出版社年2) 原子光譜分析張銳，黃碧霞，何友昭中國科學技術大學出版社年3) 低溫氬等離子體中的單探針和發(fā)射光譜診斷技術牛田野年4

14、) 雙層輝光等離子體放電光譜診斷邊心超，張躍飛，陳強5) NIST ASD Output Lines - ArExploratory measurement of Ar-plasma electron temperature from spectrometryabstract: Using a general grating spectrograph to measure the spectrum of Ar glow plasma. According to the Boltzmann distribution, multi-line fittings are made to calculate the electron temperature. It also discusses the processing of experiment data and some ph