高壓微波氫等離子體Balmer線系的實(shí)驗(yàn)

翁國(guó)峰，湛玉龍，陶利平，付秋明，馬志斌

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

微波氫等離子體由于采用無極放電方式，在高質(zhì)量光學(xué)金剛石膜、金剛石同質(zhì)外延等方面有廣泛的應(yīng)用.氫等離子體的原位在線檢測(cè)對(duì)于研究等離子體中各基團(tuán)的物理—化學(xué)過程、改進(jìn)薄膜沉積工藝具有重要意義[1-3].發(fā)射光譜診斷技術(shù)具有無干擾、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是研究等離子體狀態(tài)和性能較為理想的診斷方法，如利用氫原子發(fā)射光譜的相對(duì)強(qiáng)度測(cè)量等離子體中的電子參數(shù)，利用氫原子發(fā)射光譜的展寬測(cè)量等離子體中的電場(chǎng)強(qiáng)度等[4-5].

在實(shí)驗(yàn)室條件下，氫等離子體Balmer線系的主要譜線為Hα、Hβ、Hγ和Hδ，Hγ和Hδ譜線相對(duì)于Hα和Hβ譜線較難激發(fā)，因此關(guān)于氫原子的Hγ和Hδ譜線的研究相對(duì)較少.但氫原子的較高階譜線在等離子體診斷中有非常重要的作用，如利用Stark效應(yīng)測(cè)量等離子體中的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，Hγ和Hδ譜線的展寬效應(yīng)明顯強(qiáng)于Hα和Hβ譜線，利用Hγ和Hδ譜線進(jìn)行測(cè)量有利于提高測(cè)量精度.

本文在微波氫等離子體中，利用壓縮波導(dǎo)反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)和熱輔助激發(fā)的方式產(chǎn)生了可穩(wěn)定運(yùn)行于接近一個(gè)大氣壓下的微波輝光氫等離子體，記錄了氣壓連續(xù)上升過程中微波氫等離子體中的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線，并分析了它們隨氣壓升高的變化趨勢(shì)及相關(guān)機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用壓縮波導(dǎo)微波等離子體放電裝置，壓縮波導(dǎo)反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示.波導(dǎo)的窄邊被壓縮到標(biāo)準(zhǔn)尺寸的一半以增強(qiáng)反應(yīng)腔中的微波電場(chǎng)，同時(shí)基片在等離子體的自加熱下溫度達(dá)到1 370 K，發(fā)射熱電子有利于高氣壓下等離子體的穩(wěn)定維持.

圖1 波導(dǎo)壓縮式高氣壓微波等離子體裝置圖

光譜測(cè)量采用美國(guó)海洋光學(xué)公司的HR4000型高分辨率光譜儀.HR4000型高分辨率光譜儀采用Toshiba3648像素的CCD陣列探測(cè)器，最佳光學(xué)分辨率可達(dá)0.02 nm，實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量范圍分別為380～470 nm、455～540 nm和600～712 nm，這三個(gè)測(cè)量范圍涵蓋了氫原子Balmer線系的前四條譜線.聚焦透鏡固定在石英觀察窗的中心，聚焦透鏡和高分辨率光譜儀用光纖連接.

實(shí)驗(yàn)時(shí)利用機(jī)械泵抽本底真空，然后關(guān)閉隔膜閥與微調(diào)閥，通入高純H2(純度為99.999%)，氫氣流量為10 mL/min，反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓緩慢上升，上升速率為1 kPa/min.微波功率維持在800 W.

從氣壓8 kPa開始記錄氫等離子的譜線，然后每隔1 kPa記錄一次光譜數(shù)據(jù)，直到氣壓緩慢上升到85 kPa.整個(gè)等離子體放電過程中隔膜閥與微調(diào)閥始終關(guān)閉，腔體內(nèi)的氣壓只與通入的氫氣量相關(guān).

2 結(jié)果與討論

2.1 氫原子Balmer線系譜線

氫原子的Balmer線系是研究最為廣泛且唯一存在于可見光區(qū)的線系，主要有Hα、Hβ、Hγ和Hδ四條譜線，他們分別是主量子數(shù)n=3、4、5、6向n=2的躍遷，表1列出了這四條譜線的相關(guān)參數(shù)[6].由表1可見，隨著躍遷級(jí)數(shù)的增加，發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)和躍遷幾率減小，統(tǒng)計(jì)權(quán)重和激發(fā)能量增加.

表1 Balmer線系的常數(shù)

在相同的氣壓條件下，由于不同的譜線的激發(fā)能不同，躍遷級(jí)數(shù)越高，譜線的激發(fā)能越高，相應(yīng)的譜線強(qiáng)度越弱.對(duì)于躍遷級(jí)數(shù)高的譜線的測(cè)量，可以采取延長(zhǎng)HR4000型高分辨率光譜儀的積分時(shí)間來實(shí)現(xiàn).圖2所示為相同氣壓下測(cè)得的氫Balmer線系主要的四條譜線，圖2(a)為積分時(shí)間2 s測(cè)得的波長(zhǎng)為410.17 nm的Hδ譜線和波長(zhǎng)為434.05 nm的Hγ譜線；圖2(b)為積分時(shí)間100 ms測(cè)得的波長(zhǎng)為486.13 nm的Hβ譜線和積分時(shí)間10 ms測(cè)得的波長(zhǎng)為656.28 nm的Hα譜線.圖2中還出現(xiàn)了396.08 nm、531.13 nm的譜峰，這可能是雜質(zhì)原子的譜線或者由于增加積分時(shí)間而引起的背底噪音.

(a)積分時(shí)間2 s測(cè)得波長(zhǎng)為410.17 nm的Hδ譜線和波長(zhǎng)為434.05 nm的Hγ譜線；(b)積分時(shí)間100 ms測(cè)得波長(zhǎng)為486.13 nm的Hβ譜線和積分時(shí)間10 ms測(cè)得波長(zhǎng)為656.28 nm的Hα譜線

2.2 譜線強(qiáng)度

不同譜線的強(qiáng)度表征光譜儀獲取的特定能量光子數(shù)的多少，特定能量的光子數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的譜線的強(qiáng)度越強(qiáng).圖3所示為Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度隨氣壓升高的變化，其中Hα譜線的積分時(shí)間為10 ms，Hβ譜線的積分時(shí)間為100 ms，Hγ和Hδ譜線的積分時(shí)間為2 s.由于增加光譜儀的積分時(shí)間只是增加了進(jìn)入到光譜儀內(nèi)的光子數(shù)，因此可以認(rèn)為增加光譜儀的積分時(shí)間對(duì)不同譜線的變化趨勢(shì)沒有影響.

圖3 Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度隨氣壓的變化

由圖3所示，氫Balmer線系Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度在較低氣壓到接近一個(gè)大氣壓的條件下都具有先上升后下降的趨勢(shì).

Hα和Hβ譜線的強(qiáng)度從8 kPa開始快速上升，在15 kPa附近達(dá)到最大值后快速下降.這說明對(duì)于Hα和Hβ譜線存在一個(gè)最佳的氣壓條件，使得Hα和Hβ的激發(fā)達(dá)到最大值，此氣壓條件在15 kPa附近.

Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度在8～15 kPa具有與Hα和Hβ譜線相同的上升趨勢(shì)，當(dāng)氣壓超過15 kPa后，Hγ和Hδ譜線的下降趨勢(shì)遠(yuǎn)小于Hα和Hβ譜線的下降趨勢(shì).

文獻(xiàn)[9]采用與本實(shí)驗(yàn)相同的裝置，實(shí)驗(yàn)過程中微調(diào)閥為開啟狀態(tài)，氣壓達(dá)到45 kPa時(shí)等離子體熄滅，本實(shí)驗(yàn)中微波氫等離子體的放電可以接近一個(gè)大氣壓，由此可見，降低腔體內(nèi)氣體的流速可以減少能量的損失，有助于等離子體的激發(fā)和維持.

本實(shí)驗(yàn)中，在氣壓上升的初始階段，氫Balmer線系的四條譜線的強(qiáng)度都具有較快的上升趨勢(shì)，這個(gè)過程是等離子體由稀薄匯聚成等離子體球的過程，等離子體內(nèi)部的碰撞截面增加.當(dāng)氣壓超過15 kPa時(shí)，Hα和Hβ譜線的強(qiáng)度呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，而Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度先趨向于飽和然后緩慢降低.氣壓超過15 kPa，等離子體內(nèi)部低能粒子減少的速度遠(yuǎn)大于高能粒子減少的速度，這可能是由于能量分布函數(shù)的最可幾能量在向更低的能級(jí)偏移過程中對(duì)Hα和Hβ譜線強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于Hγ和Hδ譜線.

在金剛石膜沉積過程中，氫原子對(duì)非金剛石相的選擇性刻蝕起著決定性的作用，考察等離子體中氫原子的譜線強(qiáng)度隨氣壓的變化有助于最優(yōu)沉積氣壓的選擇.

2.3 電子激發(fā)溫度

在熱力學(xué)平衡態(tài)(TE)或局部熱力學(xué)平衡態(tài)(LTE)下，處于原子兩個(gè)不同能態(tài)的粒子滿足Boltzmann分布，不同能態(tài)的譜線強(qiáng)度滿足以下的關(guān)系式[7- 8]：

(1)

式中I1和I2分別代表兩條譜線的發(fā)射光譜強(qiáng)度，A1和A2為躍遷幾率，g1和g2為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，λ1和λ2為兩條譜線的中心波長(zhǎng)，E1和E2為兩條譜線的激發(fā)態(tài)能量，k為Boltzmann常數(shù)(k=1.38×10-23J·K-1)，Texc為等離子體的電子激發(fā)溫度.當(dāng)?shù)入x子體為熱力學(xué)平衡態(tài)(TE)或局部熱力學(xué)平衡態(tài)(LTE)時(shí)，等離子體的電子激發(fā)溫度與等離子體電子溫度相同.采用該種方法計(jì)算等離子體電子溫度時(shí)，選擇波長(zhǎng)、強(qiáng)度和輪廓形狀相似的譜線可以提高測(cè)量的精度[4].本文所涉及的等離子體為熱力學(xué)非平衡態(tài)等離子體，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和譜線的強(qiáng)度比即可計(jì)算等離子體內(nèi)部電子激發(fā)瞬間的激發(fā)溫度Texc.

本實(shí)驗(yàn)采用在相同條件下測(cè)得的Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度比值來計(jì)算等離子體的電子激發(fā)溫度，如圖4所示為等離子體的電子激發(fā)溫度隨著氣壓的升高的變化.由圖4，在氣壓較低時(shí)，等離子體內(nèi)部的碰撞較少，電子激發(fā)溫度較高，隨著氣壓的升高，等離子體內(nèi)部的碰撞增加，電子與分子頻繁的碰撞降低了電子的平均能量，使得電子激發(fā)溫度快速降低.當(dāng)氣壓上升至20 kPa后，電子激發(fā)溫度趨于穩(wěn)定，這可能是由于降低氣體流速引起的能量累積和基片臺(tái)的熱輔助激發(fā)抵消了氣壓升高對(duì)電子激發(fā)溫度的影響.

圖4 電子激發(fā)溫度隨氣壓的變化

3 結(jié) 語

本文采用壓縮波導(dǎo)反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)和熱輔助激發(fā)的方式產(chǎn)生了可穩(wěn)定運(yùn)行于一個(gè)大氣壓條件下的微波氫等離子體，觀察到了氫Balmer線系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線及其隨氣壓升高的變化趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氫Balmer線系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強(qiáng)度都有隨著氣壓上升先升高后下降的趨勢(shì)，等離子體的電子溫度則是隨著氣壓的升高先降低后趨向于穩(wěn)定.

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