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常压射频容性放电氩等离子体中活性气体对放电特性的影响

作　者: 武启
导　师: 李寿哲
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 射频大气压辉光放电电学测量光谱诊断电子密度
分类号: O461.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

大气压射频辉光放电冷等离子体由于摆脱了真空腔的限制,在等离子体辅助刻蚀、灰化、薄膜沉积、材料表面清洗、消毒灭菌、战地生化等领域有着非常广阔的应用前景。目前,采用具有裸露金属电极结构等离子体发生器实现大气压下氧气/氩气、氮气/氩气等廉价气体的稳定射频a模式辉光放电是一项具有挑战性的工作。本文采用13.56 MHz的射频电源和双级联平板形电极在大气压下成功实现了氩/氧、氩/氮等混合气体的均匀稳定的α模式辉光放电,并采用电学测量与光谱学诊断等方法对其进行了研究。在研究Ar/O2放电中,纯氩气在不同电极间距下放电击穿机制为电子迁移控制击穿机制和电子扩散控制击穿机制。纯氩气击穿后,形成均匀稳定a模式放电,然后通过调节匹配器来适当加入氧气,氧气和氩气的最大混合比例可达到0.9 vol%。实验发现掺入氧气的含量越大,放电表现的越不稳定,放电从正常的辉光放电过渡到反常辉光放电所需的功率密度就越大。进而,我们分析了纯氩气下整个放电过程中的模式转化及相应的伏安特性曲线,纯氩气击穿后,随着输入功率的不断增加,放电形态由α放电模式转化成a-γ共存模式,最后演变成γ模式。在氧氩混合比为0.%、0.3%和0.6%的条件下,放电电压和电流随着输入功率的增加而增加,以电压、电流和功率的变化曲线为依据,应用等效电路模型估算出电子密度的数量级在1011cm-3,并且随着输入功率增加而增大,随着氧气含量的增大反而减小。用约化能量守恒方程估算出电子温度在1.4 eV左右,随着输入功率的增加,电子温度变化幅度很小。在光谱诊断方面,利用LIFBASE光谱拟合软件和玻耳兹曼斜率法对OH(306-310nm)自由基进行拟合,可以准确估测气体温度。实验发现,气体温度随着输入功率的增加而增大。此外,应用光化线强度的方法得出氧原子浓度在掺入氧气的浓度为0.35%附近达到极大值。由于氩/氧等离子体中富含活性很强的氧原子、臭氧等,在功率为150W时处理玻璃基片上的炭黑粉末,处理时间达3.5min,处理效果良好,为大气压氩/氧放电等离子体应用领域提供了可行性依据。在氩/氮射频辉光放电中,我们得到了稳定的α模式辉光放电,而且掺氮含量高于1%,实验中发现,随着掺入氮气含量的变化,放电颜色发生了明显的变化,由白色变为紫色。选用发射光谱仪,测量了300～900nm范围内的谱线,并且分析了氮分子的第二正带系。采用顺序组带的方法,估算了振动温度随氮气流量的变化,在氮气含量为0.8%时,振动温度约为1811K。从定性的角度分析了氮气分子在337nm、380nm、405nm处的谱线强度随功率的变化趋势,发现随功率的增加而增加。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 等离子体概述  9-10
  1.2 大气压辉光放电产生方式及应用  10-17
    1.2.1 电晕放电与应用  11-12
    1.2.2 介质阻挡放电与应用  12-14
    1.2.3 大气压射频容性耦合放电及其应用  14-17
  1.3 研究背景和内容  17-21
2 实验装置及大气压射频冷等离子体发射光谱诊断原理  21-32
  2.1 射频辉光放电实验装置  21-26
  2.2 射频辉光放电发射光谱诊断原理  26-32
    2.2.1 氧原子的光化线强度测定  27-28
    2.2.2 玻耳兹曼斜率法测量转动温度  28-30
    2.2.3 顺序带组法测量振动温度原理  30-32
3 大气压氩/氧射频辉光放电  32-60
  3.1 大气压氩气射频容性放电的击穿机制  32-35
    3.1.1 实验设置  32
    3.1.2 主要结论及讨论  32-35
  3.2 氩/氧放电的实验现象及讨论  35-36
  3.3 电学特性分析  36-39
  3.4 电子密度和电子温度的估算  39-42
  3.5 光谱分析  42-48
    3.5.1 氩/氧射频等离子体中氧原子的光化线强度测定  42-43
    3.5.2 氩/氧辉光放电的气体温度及炭黑的灰化效果  43-48
  3.6 对氩气/氧气等离子体源的设计方案及放电特性的进一步分析  48-58
    3.6.1 放电结构的设计和改进  48-50
    3.6.2 氧气在氩等离子体中的掺杂对射频辉光放电特性的影响  50-58
  3.7 小结  58-60
4 大气压氩/氮射频辉光放电的初步研究  60-66
  4.1 不同放电模式下混合气体的放电图像  60-61
  4.2 氩/氮放电的电压电流波形图  61-62
  4.3 氩/氮射频辉光放电的发射光谱诊断  62-66
结论  66-68
参考文献  68-73
致谢  73-74

常压射频容性放电氩等离子体中活性气体对放电特性的影响

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