等離子體噴束及其光譜診斷的研究.pdf

1、等離子體噴束可以為新材料的合成提供新的方法,在金屬表面處理及高分子材料表面鍍膜等方面有十分重要的意義。氣體放電作為獲得等離子體的一種主要途徑,在民用和工業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用。等離子體的光譜不介入診斷在這些相關(guān)領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)和應(yīng)用意義。 本文總結(jié)了應(yīng)用雙原子分子發(fā)射光譜和原子發(fā)射光譜進(jìn)行等離子體診斷的原理和實(shí)現(xiàn)方法,針對不同的分辨率的光譜,提出了不同的振轉(zhuǎn)溫度測量方法,并編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序。本文還利用濃度調(diào)制光譜的1f/

2、2f檢測提出了放電特性的檢測方法。濃度調(diào)制光譜技術(shù)是以瞬態(tài)分子的濃度正比于放電電流幅度的絕對值為依據(jù),即為瞬態(tài)分子的濃度調(diào)制頻率是放電頻率f的2倍。而在本實(shí)驗(yàn)采用噴束放電的條件下,使用1f和2f均能檢測到信號。原因是放電并不是連續(xù)進(jìn)行,而是在每個(gè)周期的負(fù)半周發(fā)生一次脈沖形式的放電,通過對脈沖信號作頻譜分析發(fā)現(xiàn)除了基波外還含有豐富諧波成分,因此采用1f和2f都能解調(diào)出光譜信號。本文對這種施加連續(xù)電壓卻發(fā)生脈沖式放電的現(xiàn)象給出了合理的解釋。

3、 本文包括10章和一個(gè)附錄,主要結(jié)果如下： 建立了一套交流放電產(chǎn)生N2等離子體噴束的裝置。該裝置可對氮?dú)狻⒀鯕夂蜌鍤獾冗M(jìn)行高達(dá)15kV連續(xù)放電。采用濃度調(diào)制光譜技術(shù)對放電輝光光譜進(jìn)行探測。以N2為例,束流中N2+/N2高達(dá)6:1,優(yōu)于通常的離子束源。根據(jù)其發(fā)射譜,對交流放電過程和濃度調(diào)制光譜進(jìn)行了研究,并計(jì)算了分子離子激發(fā)態(tài)振動溫度和轉(zhuǎn)動溫度,分別為3310K和282K。通過對氬氣的交流放電產(chǎn)生的光譜測量,得到了離子噴束

4、的電子激發(fā)溫度和電子密度分別為18714K和1.37x1016cm-3。 探測了噴束流不同位置N2為母體的等離子體的發(fā)射光譜,通過測得的光譜數(shù)據(jù)分別計(jì)算了N2和N2+的激發(fā)態(tài)振轉(zhuǎn)溫度,發(fā)現(xiàn)N2激發(fā)態(tài)振動溫度和N2+的振動及轉(zhuǎn)動溫度沿著束流方向呈現(xiàn)首先降低繼而升高的非單調(diào)特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立理論模型,對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,分析了其變化規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理。論文還研究了束流中N2+/N2比例變化過程,發(fā)現(xiàn)沿著束流方向該比值逐漸升高,并結(jié)

5、合實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行討論。 當(dāng)放電峰峰電壓Vpp大于9.6kV時(shí),氮離子分子以脈沖形式產(chǎn)生,且每個(gè)放電電壓周期產(chǎn)生一次。此時(shí)監(jiān)測交流放電電流上有一反向電流尖峰,該電流尖峰是等離子體噴束中氮離子分子慣性運(yùn)動形成的,其強(qiáng)度與濃度調(diào)制光譜的強(qiáng)度成正比。根據(jù)濃度調(diào)制光譜的1f/2f檢測,提出了一個(gè)理論模型,解釋了上述現(xiàn)象,并得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)。 為了探討交流放電發(fā)射光譜強(qiáng)度隨不同電壓和氣體壓強(qiáng)變化的機(jī)理,測量了玻璃管中放電頻率2

6、0kHz時(shí)氮?dú)獾慕橘|(zhì)阻擋放電光譜。實(shí)驗(yàn)記錄了N2的C3∏u-B3∏g357.7nm和N2+的B2∑u+-X2∏g+391.4nm的躍遷譜線光譜強(qiáng)度隨不同電壓和氣體壓強(qiáng)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,保持氣體壓強(qiáng)p=130Pa不變,在電壓較低時(shí),光譜強(qiáng)度隨電壓增長較快,在電壓較高時(shí),光譜強(qiáng)度增長較慢；保持放電電壓U=6.4kV不變,光譜強(qiáng)度隨氣壓增長逐漸變小。根據(jù)電子和分子碰撞激發(fā)函數(shù)和電離函數(shù),建立光強(qiáng)隨放電參數(shù)變化的物理理論模型和公式,并對實(shí)

7、驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合,擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,相關(guān)系數(shù)R>0.9。從而進(jìn)一步明確了等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)度隨不同電壓和氣體壓強(qiáng)變化的機(jī)理。 利用濃度調(diào)制光譜技術(shù)測量甲醇交流放電分解產(chǎn)物的發(fā)射光譜,在300nm～700nm之間主要觀測到激發(fā)態(tài)CO分子的B1∑1-A1∏ Angstrom躍遷帶、激發(fā)態(tài)CH分子430nm附近的A2△-X2∏躍遷帶系和390nm附近的B2∑--X2∏躍遷帶系以及CHO(329.82nm)、CH2O(3