双层辉光等离子体放电光谱诊断

1、双层辉光等离子体放电光谱诊断边心超，张跃飞，陈强（北京印刷学院等离子体材料与物理研究室北京大兴102600 ）摘要：等离子体电子激发温度是等离子体重要参数之一，其研究对材料表面改性过程中的实时监控具有非常重要的意义。本实验以氩气为工作气体，利用发射光谱法对双层辉光放电等离子体参数进行了诊断。气体放电中的光谱发射谱线是与等离子体的电子激发温度有关的，本实验选择了650800nm范围 Ar 原子谱线，以玻尔兹曼方程为依据，采用多线斜率法对等离子体电子激发温度进行了估算。实验中研究了工件电压、源极电压、 工作气压等工艺参数对电子激发温度的影响。实验结果表明， 对于等离子体参数诊断来说，发射光谱法是一

2、种实时、在线、原位、对体系没有扰动的良好的诊断手段。关键词：电子激发温度；等离子体发射光谱法;双层辉光放电；多线斜率法前言双层辉光离子渗金属技术，又称为双层辉光等离子表面合金化技术，是在离子氮化技术基础上发展起来的等离子表面冶金技术1 ， 2 。双层辉光渗金属技术不仅具有渗速快、无污染、节约能源等优点，而且在合金元素的种类、渗层厚度、成分等方面可控，变动范围大, 属于绿色环保技术3 ， 4 。该技术已成功应用于手用锯条、机用锯条、钢板、化工阀门等。近年来又在胶体磨、轴承、轧辊等产品上得到应用5 。对于双层辉光离子渗金属技术来说，渗层厚度和表面成分梯度是离子渗金属的两个重要的性能参数,他们不仅受

3、许多实验(宏观)条件的影响,而且与放电等离子体中微观参数( 如 : 电子激发温度)有关 6。为了探讨离子渗金属技术渗入机理,控制等离子体工艺过程,对离子渗金属过程中的等离子体参数诊断是十分必要的。电子激发温度是表征等离子体的一个重要参数, 随着等离子体与物质相互作用研究的深入及等离子体在材料处理和制备方面应用的日趋广泛,电子激发温度的诊断显得非常重要。利用光谱诊断技术对等离子体电子激发温度进行分析是目前较为理想的诊断方法,其原理是通过光谱仪得到等离子体的发射光谱,根据光谱辐射强度与等离子体的电子激发温度之间的关系来反映等离子体内部的物理状态及其过程。与其他现有的诊断方法相比,光谱诊断技术具有灵

4、敏度高、无干扰性、光谱信息丰富等优点7 。本实验以氩气为工作气体，利用发射光谱法对双层辉光放电等离子体电子激发温度进行了诊断。气体放电中的光谱发射谱线是与等离子体的电子激发温度有关的，本实验选择了650800nm范围内的 Ar原子谱线，以玻尔兹曼方程为依据，采用多线斜率法对等离子体电子激发温度进行了估算，并讨论了电子激发温度与工件电压、源极电压和工作气压之间的关系。实验部分2.1 实验装置实验放电装置和实验系统装置图如图1所示。左图为双层辉光放电离子渗金属的实验装置。阴极盒内悬挂有工件和源极两个电极, 产生不等电位空心阴极放电；右图为光谱测量装置图。其中 ,1. 真空室底盘 ,2. 真空室 ,

5、3. 阳极 ,4. 阴极盒 ( 长 90 mm 宽 60 mm 高 60 mm) ,5. 源极 (W-Mo合金 ) ,6. 工件 ( 碳钢 ) 距源极为 15mm7.Andor 光谱仪 8.EMCCD 9. 光纤 10. 计算机81097图1放电装置和实验系统示意图等离子体光谱诊断系统由光谱仪、EMCCD、光纤和计算机组成。光谱仪采用美国Andor公司 500is-sm 型三光栅190 1 000 nm , 分辨率(600g/500nm,1200g/300nm,3600g/uv-vis) 0.1nm, 图像分辨率为 1600 400 像素 ,光谱仪 , 可测波长范围单位像素尺寸为1616 m。

6、2.2 实验原理原子在两个能级之间跃迁发射光子的谱线强度为8 ，I nm= N n Anmhg(1)其中 Nn 表示激发能级为n的原子密度, Anm表示从能级n跃迁到能级m 的自发跃迁概率,h为普朗克常量, 为光的频率.在局部热平衡条件下,放电等离子体中电子动能分布应近似满足玻尔兹曼分布规律9 ,N n =gn exp -En -Em (2)NmgmkTe其中 g 、g 、E 、E分别表示上下能级的统计权重和激发能量, T 为等离子体温度 .联立式nmnme(1),(2)可得 :I 1 =A1g12 exp- E1 - E2 (3)I 2A2g21kTe式(3)中 :下标 1,2分别指第一与第

7、二条谱线; 是波长，对（ 3）式取对数得到：骣1lnI 1 A2g21 EED?(?= -1 -2 )+?kTe桫I2 A1g12 骣ln? I, 然后对曲线进行线性拟合 ,以?拟合直线?为纵坐标 ， E 为横坐标画出波尔兹曼曲线桫Ag的斜率就是 -1，由此可求得电子激发温度Te。kTe 结果与讨论图 2 为在本底气压为5Pa，工作气压为40Pa，工件电压为800v，源极电压为400v 条件下，测得的Ar 元素在 650800nm范围内的谱线。)detcerrocGB(stnuoC180001600014000120001000080006000400020000-20006406606807

8、00720740760780800Wavelength(nm)图 2. 650800nm 范围内 Ar 元素谱线图实验中选择了七条Ar 原子谱线， 将其数据进行处理，得到电子激发温度。这七条谱线波长分别为 675.28 ， 687.13 ， 693.77 ， 737.21 ， 738.40 ， 763.51 ， 794.82nm，其具体参数如表1所示表 1Ar 原子光谱部分谱线的参数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图 3 为根据图 2 中所选 Ar 原子谱线参数画出的波尔兹曼曲线，并对曲线进行了线形拟合，经计算得在此条件下的电子激发温度为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骣Eln ? I图 3与?的线形拟合图?桫Ag3.1工件电压的影响ve/度温发激子电4.54.0(b)3.5(a)3.02.52.01.51.00.54005006

10、007008009001000工 件电压 /v图 4. 40Pa 和 60Pa 时电子激发温度与工件电压关系曲线（ a） 40Pa (b) 60Pa图 4 表明了当源极电压为 400v ，工作气压分别为 40Pa， 60Pa 时，电子激发温度随工件电压的变化关系。以气压为40Pa 时的变化曲线为例，当工件电压从400v 升高到 600v 时，电子激发温度持续下降，并且当电压从400v 升高到 500v 时，电子激发温度下降幅度最大，为 0.5ev ；当工件电压从600v 到 1000v 的变化范围中，电子激发温度持续增大，当电压从800v 升高到 900v 的过程中，电子激发温度经历了一个突变

11、，发生不等电位空心阴极效应，此时增长幅度最大，为1.57ev ，超过900v 时，电子激发温度的增长变得平缓。以气压为 60Pa 时的变化曲线为例，当工件电压从400v 升高到 500v 时，电子激发温度有所下降，降低幅度为0.23ev ；当电压从500v 到 1000v 的变化范围中，电子激发温度持续增大， 当电压从 800v 升高到900v 的过程中， 电子激发温度同样经历了一个突变，增长幅度最大，为 1.91ev ，超过 900v时，电子激发温度的增长变得平缓。由此图可见，当气压分别为40Pa， 60Pa 时，电子激发温度随工件电压的总体变化规律基本一致。 辉光放电初期， 随工件电压的增

12、大造成电子激发温度降低的原因可能是，由于工件阴极和辅助阴极筒处于等电位，结果使工件的面积明显增大， 因而随工件电压的增高， 工件和阳极之间的电场明显增强，粒子之间动能增大， 使得它们之间碰撞几率增大，由碰撞引发的 Ar 激发态原子数量增加。但由表1可知，波长为738.40nm， 763.51nm， 794.82nm 的Ar 原子的激发上能态能量E 要小于波长为675.28nm，687.13nm，693.77nm，737.21nm 的 Ar原子的激发上能态能量，所以相同的条件下， 前三种 Ar 激发态原子的数量比后四种Ar 激发态原子的数量要多，谱线要强，ln( I / Ag) 的增加程度要大，

13、拟合直线斜率-1/kT e 减小，从而电子激发温度Te 减小；之后随工件电压的增大，工件和辅助阴极筒的温度升高，使得粒子的动能增大，碰撞几率增加，导致电子激发温度的升高。3.2源极电压的影响2.82.72.62.5(a)v2.4e2.3/ 2.2度 2.1温 2.0 1.9发 1.8 激 11.76(b)子 1.5电 1.4 1.3(c)1.2300350400450500550600源极电压 /v图 5 不同工作气压下电子激发温度与源极电压关系曲线（ a） 20Pa (b) 30Pa (c) 40Pa当工件电压为 500v，源极电压由300v 增加到 600v，气压分别为20、30、40Pa

14、 时，电子激发温度随源极电压的变化曲线如图5 所示。由图可见， （ a）、 (b)、 (c) 三条曲线的变化规律相似， 当源极电压从 300v 升高到400v 时，电子激发温度都增高，源极电压超过400v 时，电子激发温度都开始降低，在源极电压为400v 时，电子激发温度均最高; 而且，随着气压的升高， 源极电压变化对电子激发温度的影响越来越小，电子激发温度最大与最小值之差分别为 0.41ev 、 0.23ev 、0.14ev 。可见，与工件电压对电子激发温度的影响相比，源极电压对电子激发温度的影响要小得多。其原因可能是工件阴极和辅助阴极桶处于等电位，工件电压升高使电场强度明显增强， 而源极电

15、压的升高使电场强度增强不明显，所以与源极电压变化相比， 工件电压的微小变化更能使电子获得较高的动能，从而更大程度上影响电子激发温度的变化。此结论与文献 11 中的研究结果相一致。3.3工作气压的影响4.4(a)4.44.24.2(b)1000v4.04.0v3.8v3.8900ve3.63.6/3.4e3.4度3.2/度 3.2温3.0温 2.83.02.8发2.6发2.62.42.4激2.2激 2.2子2.02.0800v1.8子 1.8电1.61.61.4电 1.4700v1.2400v1.21.01.0600v500v0.80.80.60.620304050602030405060工 作

16、气压/Pa工 作气压/Pa图 6 不同工件电压条件下电子激发温度随工作气压的变化曲线在源极电压为400v，工件电压在4001000v 范围内， 电子激发温度随工作气压的变化关系如图6 所示。由图（a）可知，在源极电压为400v ，源极电压小于600v 时，电子激发温度随工作气压的升高而逐渐减小，此结论与文献6 的研究结果一致。原因可能是，电子的平均自由程与气体压力成反比，工作气压升高时，双层辉光放电区中的阴极位降区缩短，正柱区变长， 电子运动的自由程减小，尽管在单位距离内电子与气体碰撞的几率和频率增大，但两次碰撞之间由电场作用的动能减小，电子对气体的体积激发系数便减小，激发率也随之减小，因此电

17、子激发温度变小。由图（ b）可以看出，在源极电压为400v，工件电压在6001000v 时，电子激发温度随工作气压的升高先减小后增大， 并且增幅随工件电压的升高逐渐增大，从 600v 时的 0.06ev升高到 1000v 时的 2.34ev ，其变化趋势与文献 12中的研究结果一致。而且，我们还可以观察到， 当工件电压为 600 和 700v 时，电子激发温度从气压为40Pa 时开始升高， 而当工件电压为 800、900 和 1000v 时，电子激发温度从气压为30Pa 时开始升高。 原因可能是，当源极电压一定时， 发生不等电位空心阴极效应的工作气压随工件电压的增大而减小。工件电压为 800v

18、 时，当工作气压为 30Pa 时，电子激发温度开始出现一个小的突变，发生不等电位空心阴极效应，但不太明显，当工件电压为900v、 1000v，工作气压为30Pa 时，不等电位空心阴极效应变得明显，电子激发温度均出现大的突变。而气压为30Pa，工件电压为 600v、700v 时，电子激发温度依然在降低， 当气压升高到40Pa 时，电子激发温度才开始略有回升，说明工件电压为 600v、 700v 时，发生不等电位空心阴极效应的气压应该大于40Pa。 结论利用发射光谱法对双层辉光放电等离子体参数进行了诊断，分别研究了工件电压、源极电压和工作气压对电子激发温度的影响，主要结论如下：(1) 电子激发温度

19、随工件电压的升高先减小后增大，在增大过程中，由于不等电位空心阴极效应，电子激发温度会有一个突变过程(2)电子激发温度随源极电压的升高先增大后减小，在源极电压为400v时，电子激发温度最高， 但与工件电压对电子激发温度的影响相比，源极电压对电子激发温度的影响要小得多。(3) 在源极电压为 400v，工件电压小于 600v 时，电子激发温度随工作气压的升高而逐渐减小，而当工件电压大于 600v 时，电子激发温度随工作气压的升高先减小后增大参考文献 ：1XU Zhong. Method and Apparatus for Int roducting Normally Solid Materials

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