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高频诱导无极光源的发射光谱学诊断

作　者: 龙奇
导　师: 陈大华
学　校: 复旦大学
专　业: 物理电子学
关键词: 射频无极光源 E放电和H放电 滞后现象 微波诱导分子辐射 Bartels方法 Abel转换和Boltzmann Plot Rydberg态跃迁
分类号: O463
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


论文围绕两个主要问题开展研究:1.射频诱导低气压无极光源的等离子体放电模式特性;2.微波诱导金属卤化物分子的辐射机理。通过对这两种实用高频诱导无极光源等离子体进行发射光谱学诊断,获得对其放电特性更深层次的物理认识。论文使用射频信号发射器和功率放大器提供可调制的射频功率输出,通过电感诱导的方式激发低气压Hg-Ar放电和Hg-Ke放电。通过改变射频功率或射频频率可观察到等离子体存在两种放电模式:静电放电模式（E放电）和感应放电模式（H放电）。E放电和H放电的启动条件是频率的函数,启动电场强度随频率的升高而降低。实验观察到H放电的启动电场要远高于其维持电场,即所谓的放电模式转变的滞后现象。通过启动过程的瞬态分析可知,工作在H放电的射频诱导无极光源启动必须经历E放电阶段。在E放电中,电子浓度逐渐增大,到达临界值时实现E放电向H放电的转变。启动过程中E放电持续时间和H放电达到稳定的时间随电路启动电压的增加而减少。通过对比Kr811.3nm和Hg435.8nm谱线以及Hg 365.0nm和Hg546.1nm谱线的相对强度变化,借助3电子温度电子能量概率分布函数（EEPF）模型可知:E放电向H放电转变时,随着电子浓度的提高,高能电子比例增加,中能电子和低能电子相对比例减少,EEPF逐渐逼近Maxwellian分布。通过对比Hg546.1nm与Hg435.8nm谱线相对强度的变化可知:在E放电中,原子亚稳态浓度随放电电流的增加而增加,而在H放电中趋势则相反。E放电向H放电转变过程中,方位角方向的感应电流明显增强,趋肤效应使得放电重新在H放电下达到平衡。实验表明:电子能量概率分布函数的改变、通过亚稳态的逐级电离、逐级激发和方位角方向的感应电场是射频诱导无极光源等离子体放电模式转变和滞后现象产生的重要原因。论文使用Abel转换和Boltzmann Plot方法确定微波诱导NaI等离子体的温度轮廓分布。在70W微波功率下,NaI等离子体中心温度为3609K,温度轮廓为典型的管壁稳定性分布。微波诱导NaI光谱中钠D线占主导地位,在300nm到600nm范围内可观察到NaI分子的连续光谱,但强度远远低于Na原子线。Na元素与泡壳材料的强烈化学反应决定了NaI分子不能单独的作为微波光源的填充物质。论文使用Barrels方法诊断了不同微波能量输入条件下,InI、InBr以及SnI2泡壳的等离子体温度轮廓。实验表明:随着微波功率的上升,等离子体的温度先整体提升,到达某一功率时,泡壳中心温度降低而周边温度升高,温度轮廓变得更加平滑。在96W微波功率输入下,1号InI泡壳等离子体中心温度为4450K。误差分析表明,使用Bartels方法测量InI等离子体温度轮廓的误差为8.4%。微波诱导InI分子的连续光谱覆盖了整个可见光区域,光源的显色指数超过90,相对色温随微波功率的升高而下降,107W微波功率下1号InI泡壳的相对色温为6805K。维持放电区域的高温高压是实现微波光源高效光辐射的必要条件,在我们的实验条件下InI分子辐射效率随气压的增大而增大。InBr和GaI分子的辐射特性与InI分子类似,而AlI3和InI3分子由于受热离解而形成过量的碘分子,造成自由电子被吸收而使启动变得困难。SnI2分子辐射连续光谱也覆盖了整个可见区域,连续谱强度最大值出现在660nm附近,74W微波功率时等离子体中心温度为4419K,光源相对色温为3274K。论文使用Morse势能曲线模拟InI分子各能级的结构,通过分子能级跃迁的选择规律和Franck-Condon原理对InI分子在微波诱导条件下的发射光谱的形成机理进行了物理解释。分析表明InI分子八个高能Rydberg态向低能级排斥态C态的跃迁是产生实验连续光谱的主要原因,其中InI分子的1Σ0++（Ⅲ）—1Π1跃迁在265nm到411nm间产生连续光谱,而InI分子3Π0-（Ⅲ）—1Π1跃迁形成410nm到667nm之间的连续辐射。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章 序论  10-27
  1.1 研究背景  10-14
    1.1.1 高频诱导无极光源  10-11
    1.1.2 射频无极光源的放电模式特性  11-12
    1.1.3 微波诱导光源的分子辐射研究  12-14
    1.1.4 发射光谱在等离子体诊断中的应用  14
  1.2 本论文的主要工作  14-20
    1.2.1 各章节内容介绍  14-15
    1.2.2 本论文使用的重要实验方法  15-19
    1.2.3 本论文的创新点  19-20
  参考文献  20-27
第二章 射频无极光源的放电模式研究  27-48
  2.1 引言  27
  2.2 射频无极光源的稳态放电模式研究  27-38
    2.2.1 实验构架和实验方法介绍  27-29
    2.2.2 放电模式转变和滞后现象  29-31
    2.2.3 放电模式转变的频率特性  31-34
    2.2.4 匹配条件对放电模式的影响  34-36
    2.2.5 发射光谱在不同放电模式下的变化  36-38
  2.3 射频无极光源的启动瞬态过程研究  38-43
    2.3.1 实验构架和实验方法介绍  38-39
    2.3.2 实验结果和讨论  39-43
  2.4 本章小节  43-45
  参考文献  45-48
第三章 射频无极光源放电模式的光谱学诊断  48-70
  3.1 引言  48
  3.2 理论基础  48-52
    3.2.1 ICP放电模式转变的理论解释  48-50
    3.2.2 发射光谱在ICP放电模式研究中的应用  50-52
  3.3 实验构架和实验方法  52-53
  3.4 结果与讨论  53-65
    3.4.1 发射光谱随放电条件的变化  53-56
    3.4.2 电子能量分布和电子温度随放电条件的变化  56-59
    3.4.3 亚稳态浓度随放电条件的变化  59-61
    3.4.4 方位角环形电场对放电的影响  61-63
    3.4.5 放电模式转变和滞后现象的物理解释  63-65
  3.5 本章小节  65-67
  参考文献  67-70
第四章 微波诱导等离子体光源的光谱诊断  70-99
  4.1 引言  70
  4.2 光源用微波器件与微波功率测量  70-76
    4.2.1 光源用微波器件  70-73
    4.2.2 微波功率测量和误差分析  73-76
  4.3 微波等离子体光源光谱诊断的实验设计  76-79
    4.3.1 实验构架和实验设备  76-77
    4.3.2 光谱仪仪器放宽的消除:光谱的消卷积  77-79
    4.3.3 红外热成像仪确定泡壳温度分布  79
  4.4 Abel转化和Boltzmann Plot确定微波诱导NaI等离子体的温度轮廓  79-84
    4.4.1 用Abel转化确定光性薄谱线的发射系数  79-81
    4.4.2 Boltzmann Plot确定微波诱导NaI等离子体的温度轮廓  81-84
    4.4.3 Boltzmann Plot方法的误差分析  84
  4.5 用Bartels方法测量微波诱导InI等离子体的温度轮廓  84-90
    4.5.1 Bartels方法确定等离子体温度轮廓  84-87
    4.5.2 Bartels方法确定InI等离子体温度轮廓  87-88
    4.5.3 Bartels方法确定InI等离子体温度轮廓的误差分析  88-90
  4.6 光谱诊断应用举例:确定金属卤化物灯的汞蒸汽压  90-94
    4.6.1 汞蒸汽压确定方法比较  90-92
    4.6.2 金属卤化物灯汞蒸汽压的确定  92-94
  4.7 本章小节  94-96
  参考文献  96-99
第五章 微波等离子体光源的分子辐射特性研究  99-137
  5.1 引言  99
  5.2 填充物质和填充量的选择  99-103
    5.2.1 填充物的选择和实验样品介绍  99-100
    5.2.2 填充量的确定和临界饱和条件判断  100-102
    5.2.3 应用举例:InI饱和填充量的确定  102-103
  5.3 Ⅰ族元素卤化物的微波诱导辐射特性研究  103-104
  5.4 Ⅲ族元素卤化物的微波诱导辐射特性研究  104-116
    5.4.1 微波诱导InI等离子体辐射特性研究  105-113
    5.4.2 其他Ⅲ族元素卤化物微波诱导辐射特性研究  113-116
  5.5 Ⅳ族元素卤化物的微波诱导辐射特性研究  116-117
  5.6 微波诱导金属卤化物放电的启动特性研究  117-123
    5.6.1 微波启动功率的阈值条件  117-119
    5.6.2 InI泡壳的启动过程  119-123
  5.7 微波诱导分子辐射的物理解释  123-131
    5.7.1 分子辐射的基本特性  123-124
    5.7.2 InI分子可见光谱的物理解释  124-131
  5.8 本章小节  131-134
  参考文献  134-137
第六章 结论  137-139
附录1 分子Morse势计算  139-141
发表论文  141-142
致谢  142-143

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 真空电子学（电子物理学） > 带电粒子光学
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