等離子體氫原子的發(fā)射光譜診斷

等離子體氫原子的發(fā)射光譜診斷

射頻等離子體技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展在鉆石層的沉積過程中，氫原子在表面處理和表面雕刻方面發(fā)揮著非常重要的作用。通常,高濃度的氫原子是通過氣體放電的方式得到的。介質(zhì)阻擋放電(又被稱為無聲放電)近年來被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于臭氧合成、大功率短波長光源、廢氣處理以及等離子體顯示等領(lǐng)域。在眾多的診斷手段中,發(fā)射光譜已廣泛應(yīng)用于等離子體的診斷研究。它操作簡便,診斷實時原位,并且對體系沒有擾動,時空分辨率性能良好等。早在1980年,Coburn和Chen首次利用該技術(shù)對高活性的氟原子濃度進(jìn)行了診斷研究。后來人們利用此技術(shù)對微波,射頻等離子體中的氫原子進(jìn)行了診斷,但是大多數(shù)局限于定性研究,定量的研究卻非常少見。對于介質(zhì)阻擋放電體系更是未見報道。本文將該技術(shù)應(yīng)用于介質(zhì)阻擋放電體系,在詳細(xì)討論了其可行性基礎(chǔ)上,計算了氫原子濃度、氫分子解離率,研究了它們隨各種放電條件的變化規(guī)律,并討論了譜線強(qiáng)度和各放電參數(shù)之間的關(guān)系。1氣體和空氣的混合及放電實驗裝置如圖1所示。高壓電極和地電極是直徑為6cm的圓形銅板,高壓電極被厚度為6mm的石英介質(zhì)覆蓋。氫等離子體在電極之間的3mm厚的氣體間隙中產(chǎn)生。為了得到均勻的混合氣,在進(jìn)入放電室之前氣體在混氣筒內(nèi)進(jìn)行充分的混合。氣體的流速通過質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制,實驗中氫氣和氬氣的流量分別控制在650和26mL·min-1。電源是中頻高壓的正弦波電源,峰-峰電壓在2～30kV,頻率在10～30kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。放電過程中,激發(fā)態(tài)物種退激發(fā)產(chǎn)生的光信號通過石英玻璃窗后,由透鏡聚焦進(jìn)入光纖,然后經(jīng)過單色儀(Acton:SP300i)分光后進(jìn)入光電倍增管。為了提高信噪比,采用多次掃描求平均值的方法。單色儀的光譜響應(yīng)系數(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)的鎢帶燈光源進(jìn)行校正。2激發(fā)態(tài)金屬離子密度作為內(nèi)標(biāo)物應(yīng)滿足以下幾點要求:少量內(nèi)標(biāo)T的加入對整個放電體系不產(chǎn)生大的影響;激發(fā)態(tài)X*和T*主要是通過電子直接碰撞激發(fā)相應(yīng)的基態(tài)原子或分子;X*和T*具有大體相同的電子直接激發(fā)閾值能量Eth;T*和X*主要是通過自發(fā)輻射的形式釋放能量或者能夠知道準(zhǔn)確的相關(guān)的碰撞猝滅截面的數(shù)據(jù)。以H原子和Ar原子作為活性物種X與內(nèi)標(biāo)T的示例加以闡述。用I(λH)和I(λT)表示H原子從主量子數(shù)n(上態(tài))至n′(下態(tài))躍遷(波長為λH)及Ar從上態(tài)p至下態(tài)q躍遷(波長為λT)的輻射光強(qiáng),則Ι(λΗ)=Ann′[Ηn]C(λΗ)(1)Ι(λΤ)=Apq[Τp]C(λΤ)(2)I(λH)=Ann′[Hn]C(λH)(1)I(λT)=Apq[Tp]C(λT)(2)[Hn]和[Tp]分別是主量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)H原子及狀態(tài)為p的激發(fā)態(tài)Ar原子平衡時的粒子數(shù)密度。C(λH)和C(λT)分別是對波長λH及λT光子的探測概率。A代表自發(fā)輻射系數(shù)。當(dāng)體系中激發(fā)態(tài)氫原子的產(chǎn)生和猝滅達(dá)到平衡時,就會存在以下關(guān)系式kdir[Η]ne+kdis[Η2]ne=An[Ηn]+kQ[Ηn][Η2]kdir[H]ne+kdis[H2]ne=An[Hn]+kQ[Hn][H2]同樣,對激發(fā)態(tài)Ar而言則有kdirΤ[Τ]ne=Ap[Τp]+kΤQ[Τp][Η2](4)kdirT[T]ne=Ap[Tp]+kTQ[Tp][H2](4)這里,kdir和kTdir分別表示電子與基態(tài)氫原子或基態(tài)Ar原子碰撞直接激發(fā)生成Hn及Tp的速率常數(shù),kdis表示電子與基態(tài)氫分子碰撞通過解離激發(fā)生成Hn的速率常數(shù)。[H],[H2],[T]和ne分別表示基態(tài)氫原子、基態(tài)氫分子、基態(tài)Ar原子和電子的粒子數(shù)密度。An和Ap分別是從Hn和Tp出發(fā)的總的自發(fā)輻射常數(shù)。kQ和kTQ分別表示Hn和Tp被基態(tài)氫分子碰撞消激發(fā)的速率常數(shù)。從(3)和(4)式分別求出[Hn]和[Tp]并分別代入(1)和(2)式,可得Ι(λΗ)=Ann′C(λΗ)ne(kdir[Η]+kdis[Η2])An+kQ[Η2](5)Ι(λΤ)=ApqC(λΤ)nekΤdir[Τ]Ap+kΤQ[Η2](6)I(λH)=Ann′C(λH)ne(kdir[H]+kdis[H2])An+kQ[H2](5)I(λT)=ApqC(λT)nekTdir[T]Ap+kTQ[H2](6)由(5)和(6)式相比可得[Η]=[Τ]Ι(λΗ)C(λΤ)kΤdirApq(An+kQ[Η2]Ι(λΤ)C(λΗ)kdir(1+kdis[Η2]kdir[Η])Ann′(Ap+kΤQ[Η2])(7)激發(fā)速率常數(shù)k與相應(yīng)電子激發(fā)截面σ(E)的關(guān)系可用(8)式表示k=(2/me)1/2∫E1/2σ(E)f(E)dE(8)式中的電子溫度近似利用氫原子激發(fā)溫度代替,而氫原子激發(fā)溫度可以根據(jù)式(9)進(jìn)行計算ΤΗ-exc=E3-E4kBln{Ι(Ηβ)λ(Ηβ)g3A32Ι(Ηα)λ(Ηα)g4A42}Hα,Hβ,Ar(750.4nm)輻射相關(guān)的激發(fā)截面斜率Si及自發(fā)輻射常數(shù)Ai值如表1所示。3結(jié)果與討論3.1氣加入量對氫原子譜線強(qiáng)度的影響在電壓、頻率和壓強(qiáng)固定不變時,研究了氬氣的加入量對體系的影響。圖2給出了氫原子Balmer線系各譜線以及氬(750.4nm)譜線的強(qiáng)度隨氬加入量的變化趨勢?？芍?即使氬氣的加入量達(dá)到8%,氫原子Balmer線系的三條譜線的強(qiáng)度也無明顯的變化,表明此時氬對體系的影響是很小的;同時氬(750.4nm)譜線的強(qiáng)度是線性增加的,表明譜線強(qiáng)度增加的原因主要是由于氬氣分子數(shù)目的增加,間接證明了少量氬氣的加入對放電體系的影響可以忽略。Schulz-von等人研究了射頻放電時氬氣的引入對體系的影響,得出:當(dāng)氬氣的加入量不超過5%時,對放電體系產(chǎn)生的干擾就可以忽略;Whitfield等人也得到了相似的實驗結(jié)果,在氬氣加入量小于10%時不會對氫原子譜線強(qiáng)度產(chǎn)生影響。本文實驗過程中加入4%的氬氣作為內(nèi)標(biāo)。3.2放電頻率對氫原子激發(fā)溫度的影響圖3和圖4分別給出了氣壓0.32kPa時各條譜線強(qiáng)度隨放電頻率和電壓的變化規(guī)律。從圖3可以知道,當(dāng)電壓固定在28kV時,隨著放電頻率的增加,Hα,Hβ,Hγ線以及氬(750.4nm)譜線的強(qiáng)度呈線性增加的趨勢。這可能是由于隨放電頻率的增加,單位時間內(nèi)注入更多能量,產(chǎn)生了更多電子。這可以由計算所得的氫原子激發(fā)溫度隨放電頻率的變化規(guī)律得到旁證。圖3顯示隨頻率的增加,氫原子激發(fā)溫度并不是線性增加的,而是近似不變。同樣,由圖4可知,當(dāng)頻率固定在26kHz時,隨著放電電壓的增加,四條譜線的強(qiáng)度也線性增加。圖4中計算所得的電子激發(fā)溫度隨放電頻率的變化趨勢也是線性的增加?？梢酝茢?此時發(fā)射強(qiáng)度的增加應(yīng)該主要是電子能量增加導(dǎo)致的。隨著電子能量的增加,電子和原子的碰撞激發(fā)截面增大,從而使更多的基態(tài)氫原子和氬原子得到能量而躍遷到激發(fā)態(tài),使得受激發(fā)的原子數(shù)目增加,因而譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)。3.3不同1.2pa時,金5.2思想黑圖5給出了放電電壓和頻率分別在28kV和26kHz時,氫Balmer系譜線強(qiáng)度在0.32～5.1kPa氣壓范圍內(nèi)的變化規(guī)律?？芍?隨著氣壓的升高氫原子Balmer線系譜線強(qiáng)度是逐漸降低的。然而下降明顯分為兩個階段:當(dāng)氣壓小于1.2kPa時,譜線強(qiáng)度的下降非常的迅速;可是當(dāng)氣壓大于1.2kPa以后這種下降的趨勢就變得非常的緩慢?？梢詺w結(jié)為,隨著氣壓的增加,電子和氣體分子之間的碰撞加劇,使平均自由程減小,導(dǎo)致了電子溫度的下降。從而使激發(fā)態(tài)原子數(shù)目減少,譜線強(qiáng)度降低。這可以由圖6中氫原子激發(fā)溫度隨氣壓的變化規(guī)律得到證明。從圖中可以看出激發(fā)溫度隨氣壓變化的規(guī)律和譜線強(qiáng)度隨氣壓的變化規(guī)律是非常類似的。Chen等模擬計算了0.27到8kPa的范圍內(nèi)電子溫度的變化規(guī)律,其變化的趨勢和本文的非常相似。3.4氫原子濃度的計算公式(7)中kHdis[H2]/kHdir[H]項的存在使得計算過程非常復(fù)雜,如果可以忽略,將會大大簡化計算過程。利用文獻(xiàn)中的截面數(shù)據(jù),我們計算了kΗdis和kΗdir,研究了氫分子產(chǎn)生的解離激發(fā)過程對總的激發(fā)態(tài)氫原子的影響。圖7給出了kHdis與kHdir的比值隨氣壓的變化。由圖可知,在所研究的氣壓范圍內(nèi)解離激發(fā)常數(shù)最大也僅僅是直接激發(fā)常數(shù)的0.3%。假設(shè)體系中氫原子和氫分子數(shù)密度的比值為1∶10(即假定解離率達(dá)到約5%,在解離度很高的微波放電時近似處于這一量級),kHdis[H2]/kHdir[H]的最大值才到3%,因此忽略kHdis[H2]/kHdir[H]項是可行的,這樣公式(7)就可以簡化為Ar(4p)激發(fā)速率常數(shù)kTdir根據(jù)文獻(xiàn)的截面數(shù)據(jù)計算得到。氫原子(n=3)和Ar(4p)態(tài)的猝滅截面數(shù)據(jù)分別取文獻(xiàn)中的65?2以及文獻(xiàn)和種數(shù)據(jù)的平均值。與多數(shù)文獻(xiàn)一致,以Ar(750.4nm)和Hα譜線作為計算氫原子濃度的依據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)的實驗結(jié)果可知在我們的實驗條件下由于放電產(chǎn)生的溫升是可以忽略的,因此,在計算氫原子濃度時我們假定氣體溫度是常溫,即298K。圖8給出了根據(jù)(10)式得到的氫原子濃度隨氣壓的變化規(guī)律。在0.32kPa氣壓時,氫原子濃度最大為4.9×1015cm-3,隨著氣壓增加氫原子濃度逐漸下降,5.1kPa時的氫原子濃度僅為1.3×1015cm-3。其變化趨勢和電子激發(fā)溫度變化的趨勢相同,因此可以得出結(jié)論,氫原子主要是通過電子和氫氣分子的碰撞解離產(chǎn)生的。氫原子濃度下降的原因可以歸結(jié)為電子溫度和電子密度的下降。氫氣的解離率可以根據(jù)式(11)計算得到fD=[Η]/2[Η2]0=[Η][Τ]X0Τ2(1-X0Τ)(11)[H],[T]分別代表介質(zhì)阻擋放電氣壓和氣體溫度下,基態(tài)H、基態(tài)Ar的粒子數(shù)濃度,[H2]0表示在同樣氣壓和溫度下,氫氣分子的初始濃度。X0T表示氣體輸入放電室時,Ar所占的百分比(X0T=4%)。圖9給出了氫氣解離率隨氣壓的變化規(guī)律。由圖可知,在0.33到1.6kPa范圍內(nèi),氫氣的解離率迅速地由5.2%下降到0.4%,然而,壓力再進(jìn)一步增加時氫氣的解離率幾乎保持不變。Wouters等人利用激光誘導(dǎo)熒光研究了脈沖微波放電體系中氫原子濃度隨氣壓的變化,在0.4到6.7kPa范圍變化時,體系中氫原子百分含量由8%下降到2%,其變化趨勢和本文非常相似。4氫原子激發(fā)溫度kpa(1)首次對介質(zhì)阻擋放電氫等離子體中氫原子濃度的發(fā)射光譜定量診斷進(jìn)行了研究。(2)利用發(fā)射光譜技術(shù),以氬氣作為內(nèi)標(biāo)對氫原子濃度進(jìn)行了計算,并且研究了氫原子濃度以及氫分子的解離率隨氣壓的變化規(guī)律。當(dāng)氣壓從0.32kPa增加到5.1kPa時,氫原子濃度從4.9×1015cm-3下降到1.3×1015cm-3,同時解離率由5.2%下降到0.089%。但是明顯存在兩種趨勢,低壓范圍內(nèi)氣壓對氫原子濃度的影響更加明顯。(3)計算了純氫氣等離子體