雙層輝光等離子體放電光譜診斷

1、雙層輝光等離子體放電光譜診斷邊心超，張躍飛，陳強(qiáng)（北京印刷學(xué)院等離子體材料與物理研究室北京大興102600 ）摘要：等離子體電子激發(fā)溫度是等離子體重要參數(shù)之一，其研究對(duì)材料表面改性過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控具有非常重要的意義。本實(shí)驗(yàn)以氬氣為工作氣體，利用發(fā)射光譜法對(duì)雙層輝光放電等離子體參數(shù)進(jìn)行了診斷。氣體放電中的光譜發(fā)射譜線是與等離子體的電子激發(fā)溫度有關(guān)的，本實(shí)驗(yàn)選擇了650800nm范圍 Ar 原子譜線，以玻爾茲曼方程為依據(jù)，采用多線斜率法對(duì)等離子體電子激發(fā)溫度進(jìn)行了估算。實(shí)驗(yàn)中研究了工件電壓、源極電壓、 工作氣壓等工藝參數(shù)對(duì)電子激發(fā)溫度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 對(duì)于等離子體參數(shù)診斷來(lái)說(shuō)，發(fā)射光譜法是一

2、種實(shí)時(shí)、在線、原位、對(duì)體系沒(méi)有擾動(dòng)的良好的診斷手段。關(guān)鍵詞：電子激發(fā)溫度；等離子體發(fā)射光譜法;雙層輝光放電；多線斜率法前言雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，又稱(chēng)為雙層輝光等離子表面合金化技術(shù)，是在離子氮化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的等離子表面冶金技術(shù)1 ， 2 。雙層輝光滲金屬技術(shù)不僅具有滲速快、無(wú)污染、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，而且在合金元素的種類(lèi)、滲層厚度、成分等方面可控，變動(dòng)范圍大, 屬于綠色環(huán)保技術(shù)3 ， 4 。該技術(shù)已成功應(yīng)用于手用鋸條、機(jī)用鋸條、鋼板、化工閥門(mén)等。近年來(lái)又在膠體磨、軸承、軋輥等產(chǎn)品上得到應(yīng)用5 。對(duì)于雙層輝光離子滲金屬技術(shù)來(lái)說(shuō)，滲層厚度和表面成分梯度是離子滲金屬的兩個(gè)重要的性能參數(shù),他們不僅受

3、許多實(shí)驗(yàn)(宏觀)條件的影響,而且與放電等離子體中微觀參數(shù)( 如 : 電子激發(fā)溫度)有關(guān) 6。為了探討離子滲金屬技術(shù)滲入機(jī)理,控制等離子體工藝過(guò)程,對(duì)離子滲金屬過(guò)程中的等離子體參數(shù)診斷是十分必要的。電子激發(fā)溫度是表征等離子體的一個(gè)重要參數(shù), 隨著等離子體與物質(zhì)相互作用研究的深入及等離子體在材料處理和制備方面應(yīng)用的日趨廣泛,電子激發(fā)溫度的診斷顯得非常重要。利用光譜診斷技術(shù)對(duì)等離子體電子激發(fā)溫度進(jìn)行分析是目前較為理想的診斷方法,其原理是通過(guò)光譜儀得到等離子體的發(fā)射光譜,根據(jù)光譜輻射強(qiáng)度與等離子體的電子激發(fā)溫度之間的關(guān)系來(lái)反映等離子體內(nèi)部的物理狀態(tài)及其過(guò)程。與其他現(xiàn)有的診斷方法相比,光譜診斷技術(shù)具有靈

4、敏度高、無(wú)干擾性、光譜信息豐富等優(yōu)點(diǎn)7 。本實(shí)驗(yàn)以氬氣為工作氣體，利用發(fā)射光譜法對(duì)雙層輝光放電等離子體電子激發(fā)溫度進(jìn)行了診斷。氣體放電中的光譜發(fā)射譜線是與等離子體的電子激發(fā)溫度有關(guān)的，本實(shí)驗(yàn)選擇了650800nm范圍內(nèi)的 Ar原子譜線，以玻爾茲曼方程為依據(jù)，采用多線斜率法對(duì)等離子體電子激發(fā)溫度進(jìn)行了估算，并討論了電子激發(fā)溫度與工件電壓、源極電壓和工作氣壓之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)部分2.1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)放電裝置和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。左圖為雙層輝光放電離子滲金屬的實(shí)驗(yàn)裝置。陰極盒內(nèi)懸掛有工件和源極兩個(gè)電極, 產(chǎn)生不等電位空心陰極放電；右圖為光譜測(cè)量裝置圖。其中 ,1. 真空室底盤(pán) ,2. 真空室 ,

5、3. 陽(yáng)極 ,4. 陰極盒 ( 長(zhǎng) 90 mm 寬 60 mm 高 60 mm) ,5. 源極 (W-Mo合金 ) ,6. 工件 ( 碳鋼 ) 距源極為 15mm7.Andor 光譜儀 8.EMCCD 9. 光纖 10. 計(jì)算機(jī)81097圖1放電裝置和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖等離子體光譜診斷系統(tǒng)由光譜儀、EMCCD、光纖和計(jì)算機(jī)組成。光譜儀采用美國(guó)Andor公司 500is-sm 型三光柵190 1 000 nm , 分辨率(600g/500nm,1200g/300nm,3600g/uv-vis) 0.1nm, 圖像分辨率為 1600 400 像素 ,光譜儀 , 可測(cè)波長(zhǎng)范圍單位像素尺寸為1616 m。

6、2.2 實(shí)驗(yàn)原理原子在兩個(gè)能級(jí)之間躍遷發(fā)射光子的譜線強(qiáng)度為8 ，I nm= N n Anmhg(1)其中 Nn 表示激發(fā)能級(jí)為n的原子密度, Anm表示從能級(jí)n躍遷到能級(jí)m 的自發(fā)躍遷概率,h為普朗克常量, 為光的頻率.在局部熱平衡條件下,放電等離子體中電子動(dòng)能分布應(yīng)近似滿(mǎn)足玻爾茲曼分布規(guī)律9 ,N n =gn exp -En -Em (2)NmgmkTe其中 g 、g 、E 、E分別表示上下能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重和激發(fā)能量, T 為等離子體溫度 .聯(lián)立式nmnme(1),(2)可得 :I 1 =A1g12 exp- E1 - E2 (3)I 2A2g21kTe式(3)中 :下標(biāo) 1,2分別指第一與第

7、二條譜線; 是波長(zhǎng)，對(duì)（ 3）式取對(duì)數(shù)得到：驏1lnI 1 A2g21 EED?(?= -1 -2 )+?kTe桫I2 A1g12 驏ln? I, 然后對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合 ,以?擬合直線?為縱坐標(biāo) ， E 為橫坐標(biāo)畫(huà)出波爾茲曼曲線桫Ag的斜率就是 -1，由此可求得電子激發(fā)溫度Te。kTe 結(jié)果與討論圖 2 為在本底氣壓為5Pa，工作氣壓為40Pa，工件電壓為800v，源極電壓為400v 條件下，測(cè)得的Ar 元素在 650800nm范圍內(nèi)的譜線。)detcerrocGB(stnuoC180001600014000120001000080006000400020000-20006406606807

8、00720740760780800Wavelength(nm)圖 2. 650800nm 范圍內(nèi) Ar 元素譜線圖實(shí)驗(yàn)中選擇了七條Ar 原子譜線， 將其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電子激發(fā)溫度。這七條譜線波長(zhǎng)分別為 675.28 ， 687.13 ， 693.77 ， 737.21 ， 738.40 ， 763.51 ， 794.82nm，其具體參數(shù)如表1所示表 1Ar 原子光譜部分譜線的參數(shù)10 /nm-1E/evgA/s675.281.93E+0614.73745687.132.78E+0614.70583693.773.08E+0614.68851737.211.9E+0614.75199738.

9、408.47E+0613.29765763.512.45E+0713.16715794.821.86E+0713.2783圖 3 為根據(jù)圖 2 中所選 Ar 原子譜線參數(shù)畫(huà)出的波爾茲曼曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行了線形擬合，經(jīng)計(jì)算得在此條件下的電子激發(fā)溫度為2.1ev-1.0-1.5Te=2.1ev)-2.0gA/ -2.5I(nl-3.0-3.5-4.013.013.213.413.613.814.014.214.414.614.8E/ev驏Eln ? I圖 3與?的線形擬合圖?桫Ag3.1工件電壓的影響ve/度溫發(fā)激子電4.54.0(b)3.5(a)3.02.52.01.51.00.54005006

10、007008009001000工 件電壓 /v圖 4. 40Pa 和 60Pa 時(shí)電子激發(fā)溫度與工件電壓關(guān)系曲線（ a） 40Pa (b) 60Pa圖 4 表明了當(dāng)源極電壓為 400v ，工作氣壓分別為 40Pa， 60Pa 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工件電壓的變化關(guān)系。以氣壓為40Pa 時(shí)的變化曲線為例，當(dāng)工件電壓從400v 升高到 600v 時(shí)，電子激發(fā)溫度持續(xù)下降，并且當(dāng)電壓從400v 升高到 500v 時(shí)，電子激發(fā)溫度下降幅度最大，為 0.5ev ；當(dāng)工件電壓從600v 到 1000v 的變化范圍中，電子激發(fā)溫度持續(xù)增大，當(dāng)電壓從800v 升高到 900v 的過(guò)程中，電子激發(fā)溫度經(jīng)歷了一個(gè)突變

11、，發(fā)生不等電位空心陰極效應(yīng)，此時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，為1.57ev ，超過(guò)900v 時(shí)，電子激發(fā)溫度的增長(zhǎng)變得平緩。以氣壓為 60Pa 時(shí)的變化曲線為例，當(dāng)工件電壓從400v 升高到 500v 時(shí)，電子激發(fā)溫度有所下降，降低幅度為0.23ev ；當(dāng)電壓從500v 到 1000v 的變化范圍中，電子激發(fā)溫度持續(xù)增大， 當(dāng)電壓從 800v 升高到900v 的過(guò)程中， 電子激發(fā)溫度同樣經(jīng)歷了一個(gè)突變，增長(zhǎng)幅度最大，為 1.91ev ，超過(guò) 900v時(shí)，電子激發(fā)溫度的增長(zhǎng)變得平緩。由此圖可見(jiàn)，當(dāng)氣壓分別為40Pa， 60Pa 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工件電壓的總體變化規(guī)律基本一致。 輝光放電初期， 隨工件電壓的增

12、大造成電子激發(fā)溫度降低的原因可能是，由于工件陰極和輔助陰極筒處于等電位，結(jié)果使工件的面積明顯增大， 因而隨工件電壓的增高， 工件和陽(yáng)極之間的電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，粒子之間動(dòng)能增大， 使得它們之間碰撞幾率增大，由碰撞引發(fā)的 Ar 激發(fā)態(tài)原子數(shù)量增加。但由表1可知，波長(zhǎng)為738.40nm， 763.51nm， 794.82nm 的Ar 原子的激發(fā)上能態(tài)能量E 要小于波長(zhǎng)為675.28nm，687.13nm，693.77nm，737.21nm 的 Ar原子的激發(fā)上能態(tài)能量，所以相同的條件下， 前三種 Ar 激發(fā)態(tài)原子的數(shù)量比后四種Ar 激發(fā)態(tài)原子的數(shù)量要多，譜線要強(qiáng)，ln( I / Ag) 的增加程度要大，

13、擬合直線斜率-1/kT e 減小，從而電子激發(fā)溫度Te 減?。恢箅S工件電壓的增大，工件和輔助陰極筒的溫度升高，使得粒子的動(dòng)能增大，碰撞幾率增加，導(dǎo)致電子激發(fā)溫度的升高。3.2源極電壓的影響2.82.72.62.5(a)v2.4e2.3/ 2.2度 2.1溫 2.0 1.9發(fā) 1.8 激 11.76(b)子 1.5電 1.4 1.3(c)1.2300350400450500550600源極電壓 /v圖 5 不同工作氣壓下電子激發(fā)溫度與源極電壓關(guān)系曲線（ a） 20Pa (b) 30Pa (c) 40Pa當(dāng)工件電壓為 500v，源極電壓由300v 增加到 600v，氣壓分別為20、30、40Pa

14、 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨源極電壓的變化曲線如圖5 所示。由圖可見(jiàn)， （ a）、 (b)、 (c) 三條曲線的變化規(guī)律相似， 當(dāng)源極電壓從 300v 升高到400v 時(shí)，電子激發(fā)溫度都增高，源極電壓超過(guò)400v 時(shí)，電子激發(fā)溫度都開(kāi)始降低，在源極電壓為400v 時(shí)，電子激發(fā)溫度均最高; 而且，隨著氣壓的升高， 源極電壓變化對(duì)電子激發(fā)溫度的影響越來(lái)越小，電子激發(fā)溫度最大與最小值之差分別為 0.41ev 、 0.23ev 、0.14ev 。可見(jiàn)，與工件電壓對(duì)電子激發(fā)溫度的影響相比，源極電壓對(duì)電子激發(fā)溫度的影響要小得多。其原因可能是工件陰極和輔助陰極桶處于等電位，工件電壓升高使電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)， 而源極電

15、壓的升高使電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯，所以與源極電壓變化相比， 工件電壓的微小變化更能使電子獲得較高的動(dòng)能，從而更大程度上影響電子激發(fā)溫度的變化。此結(jié)論與文獻(xiàn) 11 中的研究結(jié)果相一致。3.3工作氣壓的影響4.4(a)4.44.24.2(b)1000v4.04.0v3.8v3.8900ve3.63.6/3.4e3.4度3.2/度 3.2溫3.0溫 2.83.02.8發(fā)2.6發(fā)2.62.42.4激2.2激 2.2子2.02.0800v1.8子 1.8電1.61.61.4電 1.4700v1.2400v1.21.01.0600v500v0.80.80.60.620304050602030405060工 作

16、氣壓/Pa工 作氣壓/Pa圖 6 不同工件電壓條件下電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的變化曲線在源極電壓為400v，工件電壓在4001000v 范圍內(nèi)， 電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的變化關(guān)系如圖6 所示。由圖（a）可知，在源極電壓為400v ，源極電壓小于600v 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的升高而逐漸減小，此結(jié)論與文獻(xiàn)6 的研究結(jié)果一致。原因可能是，電子的平均自由程與氣體壓力成反比，工作氣壓升高時(shí)，雙層輝光放電區(qū)中的陰極位降區(qū)縮短，正柱區(qū)變長(zhǎng)， 電子運(yùn)動(dòng)的自由程減小，盡管在單位距離內(nèi)電子與氣體碰撞的幾率和頻率增大，但兩次碰撞之間由電場(chǎng)作用的動(dòng)能減小，電子對(duì)氣體的體積激發(fā)系數(shù)便減小，激發(fā)率也隨之減小，因此電

17、子激發(fā)溫度變小。由圖（ b）可以看出，在源極電壓為400v，工件電壓在6001000v 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的升高先減小后增大， 并且增幅隨工件電壓的升高逐漸增大，從 600v 時(shí)的 0.06ev升高到 1000v 時(shí)的 2.34ev ，其變化趨勢(shì)與文獻(xiàn) 12中的研究結(jié)果一致。而且，我們還可以觀察到， 當(dāng)工件電壓為 600 和 700v 時(shí)，電子激發(fā)溫度從氣壓為40Pa 時(shí)開(kāi)始升高， 而當(dāng)工件電壓為 800、900 和 1000v 時(shí)，電子激發(fā)溫度從氣壓為30Pa 時(shí)開(kāi)始升高。 原因可能是，當(dāng)源極電壓一定時(shí)， 發(fā)生不等電位空心陰極效應(yīng)的工作氣壓隨工件電壓的增大而減小。工件電壓為 800v

18、 時(shí)，當(dāng)工作氣壓為 30Pa 時(shí)，電子激發(fā)溫度開(kāi)始出現(xiàn)一個(gè)小的突變，發(fā)生不等電位空心陰極效應(yīng)，但不太明顯，當(dāng)工件電壓為900v、 1000v，工作氣壓為30Pa 時(shí)，不等電位空心陰極效應(yīng)變得明顯，電子激發(fā)溫度均出現(xiàn)大的突變。而氣壓為30Pa，工件電壓為 600v、700v 時(shí)，電子激發(fā)溫度依然在降低， 當(dāng)氣壓升高到40Pa 時(shí)，電子激發(fā)溫度才開(kāi)始略有回升，說(shuō)明工件電壓為 600v、 700v 時(shí)，發(fā)生不等電位空心陰極效應(yīng)的氣壓應(yīng)該大于40Pa。 結(jié)論利用發(fā)射光譜法對(duì)雙層輝光放電等離子體參數(shù)進(jìn)行了診斷，分別研究了工件電壓、源極電壓和工作氣壓對(duì)電子激發(fā)溫度的影響，主要結(jié)論如下：(1) 電子激發(fā)溫度

19、隨工件電壓的升高先減小后增大，在增大過(guò)程中，由于不等電位空心陰極效應(yīng)，電子激發(fā)溫度會(huì)有一個(gè)突變過(guò)程(2)電子激發(fā)溫度隨源極電壓的升高先增大后減小，在源極電壓為400v時(shí)，電子激發(fā)溫度最高， 但與工件電壓對(duì)電子激發(fā)溫度的影響相比，源極電壓對(duì)電子激發(fā)溫度的影響要小得多。(3) 在源極電壓為 400v，工件電壓小于 600v 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的升高而逐漸減小，而當(dāng)工件電壓大于 600v 時(shí)，電子激發(fā)溫度隨工作氣壓的升高先減小后增大參考文獻(xiàn) ：1XU Zhong. Method and Apparatus for Int roducting Normally Solid Materials

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