長位型低頻冷等離子體實(shí)驗(yàn)與模擬研究.pdf

1、等離子體的性質(zhì)不僅與等離子體的激發(fā)方式有關(guān)，而且受到電極位型、結(jié)構(gòu)與材料等的影響。另一方面，針對不同應(yīng)用工藝的一些非常規(guī)位型等離子體源，由于位型的特殊性，給等離子體特性研究帶來一定難度，而對等離子體特性的研究是理解放電機(jī)理和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)所必需的。 論文在寬氣壓范圍內(nèi)對長位型和微離子體源展開研究。從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面，重點(diǎn)研究了低氣壓長位型冷等離子體源放電物理機(jī)制；研發(fā)了大氣壓條件下點(diǎn)位型和長位型二種射流冷等離子體源；初步研究

2、了這些非常規(guī)位型的等離子體源在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。 低頻低氣壓長位型冷等離子體的放電位型比較特殊，診斷起來有一定的難度，目前對放電機(jī)理的研究還不夠。論文采用圓柱非對稱雙探針對低頻低氣壓長位型冷等離子體進(jìn)行診斷研究。診斷結(jié)果表明：氬氣為工作氣體，氣壓為50Pa，電源頻率為10KHz的典型放電條件下，長位型等離子體存在著大量的高能電子導(dǎo)致其電子速度分布函數(shù)(EEDF)偏離Maxwellian分布。探針的空間分辨測量還表明長位型等離子體

3、在功率電極附近有相對較高的電子溫度和密度，而地電極附近的電子溫度和密度與體等離子體相似。 改變放電電壓對功率電極附近的電子溫度和密度影響很大，但對遠(yuǎn)離功率電極的等離子體影響不明顯；頻率小范圍的改變不影響放電機(jī)理，從而對實(shí)驗(yàn)所測量的各個位置等離子體的電子溫度影響不大；當(dāng)功率電極加上玻璃介質(zhì)之后，電子溫度明顯提高了：氬氣放電中加入氫氣，只有當(dāng)氫氣含量達(dá)到一定比例時(shí)，電子溫度會隨氫含量的增加而迅速提高，電子密度下降的很快。發(fā)射光譜(O

4、ES)的診斷結(jié)果與探針結(jié)果相吻合。 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)一步解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二維流體模型結(jié)合Monte Carlo方法得到的結(jié)果顯示：長位型等離子體在功率電極附近有較強(qiáng)的電場，導(dǎo)致氣體的電離主要集中在功率電極附近，從而正負(fù)半周期的電場強(qiáng)度變化不對稱；隨著功率電極尺寸的增加，氣體在兩電極附近的電離率逐漸趨向?qū)ΨQ。 利用低頻長位型冷等離子體在低氣壓下沉積出來的類二氧化硅薄膜，有機(jī)含量較少，而且表面平整不含大顆粒，改變原材料氣體(

5、HMDSO)的含量對薄膜的質(zhì)量影響不大。 設(shè)計(jì)并制造了大氣壓條件下主體結(jié)構(gòu)可彎曲的微射流冷等離子體產(chǎn)生裝置。該裝置采用針狀對孔狀電極結(jié)構(gòu)，放電頻率為1KHz，主體部分采用柔軟的材料。該裝置的功耗較低，典型的積分功率只有0.7W左右，在不需要高氣壓工作氣體產(chǎn)生高速氣流的情況下，可以產(chǎn)生長達(dá)5cm的氮射流等離子體。接近室溫的射流等離子體可以處理熱敏感性材料，柔軟的主體部分可以深入狹窄彎曲的半封閉空間中工作。利用OES測量射流等離子體

6、中的各種活性粒子，測量結(jié)果顯示射流等離子體中富含各種激發(fā)或電離態(tài)的活性成份，但是這些活性粒子在開放大氣中衰減很快。 在微射流冷等離子體產(chǎn)生裝置的基礎(chǔ)上，研制了大氣壓長位型射流冷等離子體產(chǎn)生裝置。該裝置橫向長度達(dá)32mm，產(chǎn)生的射流等離子體氣體溫度接近室溫，并且橫向溫度分布均勻，可以直接接觸人體皮膚。此外，該裝置采用懸空電極結(jié)構(gòu)，可以在不影響射流冷等離子體橫向均勻性的情況下，方便地調(diào)節(jié)放電功率。長位型射流冷等離子體含有大量的活性粒