大氣感耦射流等離子體加工中的電子溫度及激發(fā)光譜研究

辛 強(qiáng)，張 鵬，李 娜，王 波

哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001

大氣感耦射流等離子體加工中的電子溫度及激發(fā)光譜研究

辛 強(qiáng)，張 鵬，李 娜，王 波*

哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001

大氣感耦射流等離子體加工作為新型超光滑表面加工技術(shù)，其高密度等離子體激發(fā)能力為充分激發(fā)反應(yīng)氣體，提高材料去除率提供了有力條件。利用發(fā)射光譜儀，對加工過程中大氣感耦射流等離子體激發(fā)的400～1 000 nm范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行了測量。并利用峰值明顯，能級差較大的譜線計算電子溫度。由于測量的譜線強(qiáng)度是等離子體發(fā)射系數(shù)沿弧長方向的積分值，且感耦射流等離子體具有回轉(zhuǎn)對稱性，因此可利用阿貝爾變換求取光譜發(fā)射系數(shù)，進(jìn)而通過玻爾茲曼圖譜法計算電子溫度。計算結(jié)果表明由于趨膚效應(yīng)和旋流進(jìn)氣的雙重作用，處于加工區(qū)域的溫度分布呈現(xiàn)出雙峰形； 隨著距離增大，雙峰效應(yīng)逐漸減弱，溫度分布趨于平滑。研究也表明隨著加工距離的增大，等離子體邊緣逐漸偏離局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，玻爾茲曼圖譜法計算電子溫度的適用性降低，導(dǎo)致等離子體邊緣的溫度擬合優(yōu)度值逐漸降低。進(jìn)一步對通入反應(yīng)氣體CF4后的等離子體光譜進(jìn)行了研究，通入反應(yīng)氣體后的等離子體呈現(xiàn)鮮亮的藍(lán)綠色，是由于激發(fā)反應(yīng)氣體后產(chǎn)生的位于400～650 nm范圍的帶狀光譜所致，分析表明譜圖中的帶狀光譜為雙原子分子C2譜帶Swan Bands，而該雙原子分子是感耦氬等離子體對碳源CF4的充分激發(fā)產(chǎn)生。

大氣感耦射流等離子體； 發(fā)射光譜； 電子溫度； 光譜分析

引 言

大氣等離子體加工技術(shù)是基于化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對硅基材料的高效率無損傷去除； 加工過程中不使用研磨和拋光液，不引入雜質(zhì)和污染物； 與傳統(tǒng)的機(jī)械化學(xué)加工方法相比，加工時無機(jī)械接觸和物理載荷施加到工件表面，因此不會引入新的損傷； 加工產(chǎn)物為揮發(fā)性的氣態(tài)物質(zhì)，便于后續(xù)處理，環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。具有傳統(tǒng)機(jī)械拋光無法比擬的優(yōu)越性，同時避免了復(fù)雜昂貴的真空設(shè)備對加工過程的限制，近年來備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并提出了獨(dú)特的大氣等離子體加工裝置，諸如日本大阪大學(xué)的Plasma Chemical Vaporization Machining(PCVM)[1]，英國克蘭菲爾德大學(xué)的Reactive Atom Plasma Technology(RAPT)[2]，德國萊布尼茲表面改性研究所Plasma Jet Machining(PJM)[3]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所的Atmospheric Pressure Plasma Processing(APPP)[4]等。

作為一種新型的超光滑表面加工技術(shù)，大氣等離子體加工是在等離子體氛圍中進(jìn)行的，其真實(shí)的物理化學(xué)反應(yīng)十分復(fù)雜，因此對其加工過程的詳盡理論解釋還處于一種相對較低的水平上，有待于深入探究。感應(yīng)耦合射流等離子體作為大氣等離子體加工的一種實(shí)現(xiàn)方式，其加工效率高，去除效率可達(dá)30 mm3·min-1，受到研究者的廣泛關(guān)注，但由于感應(yīng)耦合射流等離子體溫度較高，目前難以采用常規(guī)方法進(jìn)行測量。

而等離子體作為一種特殊的電磁場流體，其發(fā)光特性對分析其流場發(fā)展和溫度特性提供了有效手段?？山柚l(fā)射光譜對其特征進(jìn)行診斷，作為一種非侵入式診斷方法，發(fā)射光譜法在診斷等離子體溫度時優(yōu)勢明顯，可對不同尺寸、非均勻、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的等離子體電子溫度進(jìn)行精確診斷，且不會對加工過程造成擾動，是目前對大氣等離子體加工過程監(jiān)控的典型診斷方式。借助發(fā)射光譜診斷大氣等離子體加工過程，有利于深入探究大氣等離子體加工機(jī)理，及分析去除效率和去除函數(shù)的影響因素。

本文將利用發(fā)射光譜對大氣感耦射流等離子體溫度特征展開研究，并對通入反應(yīng)氣體CF4后的激發(fā)光譜進(jìn)行分析研究，為后續(xù)加工機(jī)理研究和去除函數(shù)形成因素分析奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

大氣感耦射流等離子體加工裝置主要由質(zhì)量流量計、標(biāo)準(zhǔn)尺寸的Fassel炬管，水冷工作臺、三軸的數(shù)控運(yùn)動控制臺，以及27.12 MHz射頻電源和匹配器組成，F(xiàn)assel炬管具體結(jié)構(gòu)可參見文獻(xiàn)[5]。Fassel炬管三層嵌套石英管壁厚均為1 mm，其外管內(nèi)徑為18 mm，中間管內(nèi)徑為14 mm，中心管內(nèi)徑為2 mm。使用AvaSpec-2048FT型原子發(fā)射光譜儀(荷蘭Avantes公司生產(chǎn))來對大氣等離子體炬進(jìn)行光譜監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)Fassel炬管外層管和中間管層通入Ar氣，用來冷卻炬管和產(chǎn)生等離子體，中心管通等離子體氣體或反應(yīng)氣體CF4。射頻功率通過水冷感應(yīng)線圈耦合到Fassel炬管中的等離子體氣體Ar和反應(yīng)氣體CF4，設(shè)備功率調(diào)節(jié)范圍為0～2 kW，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)參見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置布局示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

Table 1 Experimental parameters

OutergapAr/(L·min-1)InnergapAr/(L·min-1)InnertubeAr/CF4/(mL·min-1)Power/W2010～1001000

光譜測量時，其光纖測頭與被測等離子體的相對位置如圖2所示，由于加工常用距離為9～15 mm，因此主要采集了該范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。軸向數(shù)據(jù)采集自距離炬管口下方9 mm處開始，以3 mm的步距沿炬管軸線向下垂直測量； 采集徑向數(shù)據(jù)時，光譜儀光纖測頭以2 mm的步距從A點(diǎn)向B點(diǎn)水平移動，如圖2(b)所示，以測量等離子體的沿炬管徑向的光譜分布，當(dāng)移動到距炬管軸線約14 mm時，能夠捕捉到的光譜已經(jīng)非常微弱，停止測量，進(jìn)而獲得等離子體光譜的空間分布。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣感耦等離子體具有回轉(zhuǎn)對稱的特征，因此測量計算其軸線一側(cè)光譜即可。利用光譜儀采集到的光譜輻射強(qiáng)度是等離子體發(fā)射系數(shù)沿弧長方向的積分值[6]，需要借助Abel逆變換求出其徑向發(fā)射系數(shù)

(1)

式(1)中ε(r)為徑向r處的發(fā)射系數(shù)，I(y)為光譜儀測得的光譜強(qiáng)度，R為所測感耦射流等離子體半徑。由于感應(yīng)耦合等離子體可近似認(rèn)為處于局部熱力學(xué)平衡(local thermodynamic equilibrium，LTE)狀態(tài)，因此其激發(fā)態(tài)粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布[7]，粒子從高能級u躍遷到低能級l導(dǎo)致的原子譜線發(fā)射系數(shù)為

圖2 光譜測量過程光纖測頭與等離子體的相對位置

Fig.2 Positions and displacements of optical fiber along (a) axial and (b) radial directions of the torch for experimental measurements

(2)

式(2)中λ為相應(yīng)原子譜線波長，Aul為從高能級u到低能級l的躍遷幾率，gu為譜線的高能級躍遷統(tǒng)計權(quán)重，Eu為上能級激發(fā)態(tài)能量，h為Planck常數(shù)，k為Boltzmann常數(shù)，Z(T)，n及Te分別為配分函數(shù)、粒子密度和電子溫度。對式(2)整理后并取對數(shù)可得出玻爾茲曼圖譜法(Boltzmann plot method，BPM)求解電子溫度的表達(dá)式

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 感耦射流等離子體溫度分布特征研究

在大氣等離子體加工中，加工效率和加工去除函數(shù)受活性粒子濃度和分布的影響。而參與反應(yīng)的活性粒子則是通過等離子體中的高能電子與反應(yīng)氣體碰撞激發(fā)產(chǎn)生的。高能電子的能量特征以電子溫度的形式體現(xiàn)，同時電子溫度大小也體現(xiàn)了等離子體的激發(fā)能力，其大小和分布態(tài)勢必然影響著活性粒子的分布趨勢，因此分析大氣感耦射流等離子體的溫度分布特性，對于明確加工材料去除率和預(yù)測去除函數(shù)特性非常重要。

通過實(shí)驗(yàn)分析可知，大氣感耦等離子體激發(fā)的純氬光譜覆蓋了高激發(fā)態(tài)能量為12.9～15.1 eV大量的Ar原子發(fā)射譜線，具有優(yōu)越的激發(fā)性能，為充分激發(fā)反應(yīng)氣體提高加工效率提供了有力條件，其激發(fā)光譜如圖3所示，圖3中的紅色峰值標(biāo)志為查詢NIST原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫的波長標(biāo)準(zhǔn)值。鑒于感耦等離子體射流焰為回轉(zhuǎn)對稱形狀，采用BPM計算溫度時，只需分析其軸線一側(cè)光譜。由于在等離子體焰邊緣處的光譜十分微弱，譜圖中的較弱激發(fā)譜線已難以分辨，因此采用了峰值明顯，且能級差較大的譜線進(jìn)行計算，所采用的譜線及參數(shù)如表2所示。

圖3 感耦等離子體(ICP)激發(fā)的純Ar發(fā)射光譜

表2 溫度計算所采用的Ar光譜譜線參數(shù)

Table 2 The spectral Parameters of Ar lines for temperature calculation

λ/nmAul/×106s-1guEu/eV415.851.4514.53420.060.967714.5738.398.47513.3750.3844.5113.48763.5124.5513.17801.479.28513.09

圖4為采用玻爾茲曼圖譜計算得出的距離等離子體炬9，12和15 mm處的溫度分布。在趨膚效應(yīng)和旋流進(jìn)氣的雙重作用下，高頻感應(yīng)耦合形成的等離子體呈環(huán)狀分布，該特性致使溫度分布呈軸線溫度低，兩側(cè)溫度高的雙峰形狀，其溫度峰值偏離炬管軸線[8]。從圖4(a)可知，在距離炬管出口9 mm處，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的射頻磁場箍縮效應(yīng)減弱，以及流場擴(kuò)散效應(yīng)的作用下，使得偏離炬管出口9 mm的地方其溫度峰值在點(diǎn)6(10 mm)處，溫度分布明顯向炬管半徑外側(cè)偏移，已不局限于炬管半徑以內(nèi)； 圖4(a)中溫度計算點(diǎn)1～點(diǎn)7溫度擬合優(yōu)度值R-Squared(R-S)都在0.9左右，準(zhǔn)確度較高，但溫度點(diǎn)8的R-S值較小，其原因可能是，該點(diǎn)位于等離子體焰主體外側(cè)，雖然仍能檢測到光譜分布，計算溫度趨勢正確，但該點(diǎn)一定程度上偏離了LTE狀態(tài)，利用BPM計算溫度的適用性降低，計算點(diǎn)不能落到擬合曲線上，導(dǎo)致其溫度擬合度較差如圖5(b)所示。圖5為圖4 (a)的溫度計算點(diǎn)6和點(diǎn)8的擬合直線和R-S值，可以看出圖5(b)中計算結(jié)果明顯偏離擬合直線。

圖4 采用玻爾茲曼圖譜法得出的ICP溫度分布

從圖4(b)可知，在距離炬管口12 mm時，由于流場的作用，使得溫度峰值向軸線方向收縮，溫度分布峰值仍偏離炬管軸線，但峰值明顯降低已經(jīng)低于軸線溫度； 溫度點(diǎn)2～點(diǎn)4在射流的作用下數(shù)值降低明顯。溫度計算點(diǎn)7和點(diǎn)8的R-S值出現(xiàn)較大偏差。圖4(c)中溫度曲線已經(jīng)相對平滑，但偏離軸線位置仍然有較小凸起。

對比圖4中(a)，(b)和(c)發(fā)現(xiàn)，在距離炬管口9～15 mm處，等離子體軸線溫度沒有明顯降低； 其偏離軸線的溫度峰值在射流發(fā)展過程中逐漸降低，溫度分布趨勢趨于平滑，呈現(xiàn)出近高斯型分布； 隨著距離的增大，由于等離子體焰主體逐漸收縮，導(dǎo)致擬合優(yōu)度值R-S在焰主體邊緣偏差逐漸增大，并向軸線方向收縮。

圖5 圖4(a)中的擬合直線及相應(yīng)的R-S值

2.2 通入反應(yīng)氣體CF4后的等離子體光譜分析

圖6為通入反應(yīng)氣體CF4前后，位于400～1 000 nm之間的光譜譜線分布。通過對比可知，圖6(b)通入反應(yīng)氣體CF4后，Ar的激發(fā)譜線分布無明顯變化，但其譜線強(qiáng)度明顯降低，這是由于通入反應(yīng)氣體后，輸入的射頻能量中部分用于激發(fā)反應(yīng)氣體所致。通入反應(yīng)氣體CF4之后，ICP火焰呈鮮亮的藍(lán)綠色。根據(jù)可見光通常的區(qū)分界限，波長約為440～485 nm的為藍(lán)光、波長約為530～565 nm的為綠光，與觀察到的新增加光譜帶分布相吻合。分析表明，在400～650 nm之間出現(xiàn)的明顯的分子激發(fā)連續(xù)光譜是激發(fā)反應(yīng)氣體CF4產(chǎn)生的，以438.22，473.71，516.52和563.55 nm為帶頭的激發(fā)態(tài)C2Swan bands連續(xù)帶狀光譜，本研究的診斷結(jié)果中明顯可見的C2光譜峰值及躍遷參數(shù)見表3。C2光譜的產(chǎn)生是由于碳源CF4在大氣感耦等離子體的強(qiáng)烈激發(fā)下分解產(chǎn)生的，其產(chǎn)生過程及輻射光譜機(jī)理[9]

CF+C→C2+F

反應(yīng)方程中M為等離子體中的反應(yīng)氣體粒子，*表示處于激發(fā)態(tài)的粒子?？梢娫诩ぐl(fā)過程中產(chǎn)生了大量的活性氟基氣體，這些活性氟基氣體都能參與加工過程中的化學(xué)反應(yīng)，為加工提供了有利條件。

圖6 通入反應(yīng)氣體CF4前后的等離子體光譜

表3 C2Swan Bands光譜帶頭

Table 3 The spectral heads of C2Swan Bands

Excitationwavelengthrange/nmTransitionsofC2BandsHeadsemissionwavelength/nm430～450d3Πg?a3Πu(2,0),(3,1)438.22,437.14450～474d3Πg?a3Πu(1,0),(2,1),(3,2),(4,3)437.71,471.53,469.76,468.49474～518d3Πg?a3Πu(0,0),(1,1),(2,2)516.52,512.94,509.77518～565d3Πg?a3Πu(0,1),(1,2),(2,3),(3,4)563.55,558.55,554.07,550.19

3 結(jié) 論

采用玻爾茲曼圖譜法對大氣感耦射流等離子體電子溫度特性進(jìn)行了研究，分析表明感耦等離子體在射頻趨膚效應(yīng)和旋流進(jìn)氣的雙重作用，溫度峰值偏離軸線，呈現(xiàn)出中間溫度低，兩邊溫度高分布趨勢； 在距噴嘴出口9 mm處，由于射頻磁場的箍縮效應(yīng)減弱，以及射流流場的擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，使得溫度峰值向炬管半徑外側(cè)偏移； 隨著與噴嘴距離的增加，溫度分布趨勢逐漸平滑，雙峰效應(yīng)減弱。在等離子體焰主體邊緣的溫度計算擬合優(yōu)度值R-S偏差逐漸增大，其原因可能是在焰主體邊緣，偏離了LTE狀態(tài)，致使計算點(diǎn)不能落在溫度擬合直線上。Ar/CF4混合后產(chǎn)生的等離子體呈現(xiàn)出鮮亮的藍(lán)綠色，分析表明該顏色是雙原子分子C2的Swan Bands激發(fā)態(tài)躍遷產(chǎn)生的位于435～565 nm范圍內(nèi)的帶狀分子光譜導(dǎo)致，其分子光譜帶頭分別為438.22，473.71，516.52和563.55 nm； 而該雙原子分子是碳源CF4在感耦A(yù)r等離子體的充分激發(fā)下產(chǎn)生。

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*Corresponding author

(Received Apr. 8, 2015; accepted Aug. 23, 2015)

Research on the Electron Temperature and Emission Spectroscopy of the Atmospheric Inductively Coupled with Plasma Processing

XIN Qiang, ZHANG Peng, LI Na, WANG Bo*

Center for Precision Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

As a novel technology in ultra-smooth surface machining, atmospheric pressure inductively coupled with plasma jet processing can produce plasma with high density and energy. This capability makes it a perfect medium in fully exciting the reactive gases to improve the material removal rate. This paper is directed towards using the emission spectrometer to monitor and measure the spectra of the plasma jet from 400～1 000 nm. Spectral lines with obvious peaks and large energy differences are selected from the measurement results to calculate the electron temperatures. The measured spectral data are the integrals of emission coefficients along the optical path, and the plasma has a circularly symmetry with respect to the torch axis. Abel inversion transform is employed to compute the emission coefficients of the measured spectrum. These coefficients are then applied to obtain the electron temperatures with Boltzmann plot method. The calculation results denote that the temperature profiles appear to be typically double-peak profiles as a result of the skin effect and swirling inlet flow. With the increasing of off distance, the double-peak effect decreases and the profiles become smooth. The results also indicate that the plasma fringe is somewhat deviate from the local thermodynamic equilibrium, and the applicability of Boltzmann plot method is reduced. Consequently the goodness-of-fit factors, R-Squared values, on the plasma fringe are reduced. The spectra and characteristics of the argon plasma with reactive gas CF4are also analyzed. This mixed plasma shows bright blue-green color. The reason for the color is that some band spectra emerge between the range of 400～650 nm. These band spectra are the swan bands of diatomic C2which is formed by the fully excitation of carbon source CF4.

Atmospheric pressure inductively with coupled plasma jet; Emission spectrum; Electron temperature; Spectrum analysis

2015-04-08，

2015-08-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175123, 51105112)和國家重大科技專項(xiàng)(2013ZX04006011-205)資助

辛 強(qiáng)，1986年生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所博士研究生 e-mail: xinqiang@hit.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: bradywang@hit.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1872-05