Ar等離子體射流發射光譜診斷研究

李 磊，陳曉東，袁承勛*，周忠祥*

(1.哈爾濱工業大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海機電工程研究所，上海 201109)

1 引言

低氣壓非平衡等離子體在半導體工業、材料防腐蝕、聚合物薄膜、等離子體冶金、等離子體三廢處理等領域具有廣泛的應用，但是它只能用于真空條件下。為了克服低氣壓等離子體這個缺點，研究者在大氣壓條件下通過放電產生了非平衡等離子體。然而，大氣壓下放電，由于氣體擊穿電壓較高，放電間隙一般在幾毫米到幾厘米之間，這就對待處理樣品的尺寸有極大限制，而且將樣品放置于放電間隙中可能還會影響放電的穩定性。為此，研究者研制出了大氣壓非平衡等離子體射流(N-APPJ)[1-4]。大氣壓非平衡等離子體射流能夠在開放的空間中形成，化學特性高、氣體溫度低，這些極大地拓寬了低溫等離子體的應用。尤其是在生物醫學領域，大氣壓等離子體射流促進了等離子體醫學的發展，同時也推動了研究者對等離子體射流的研究熱潮。

目前，研究者對等離子體射流的研究主要從三個方面進行，分別是產生機理、基本參數和化學特性。對于射流產生機理的研究需要從時空微觀層次上進行，常用的診斷技術有快速拍照[5-8]和時空分辨光譜[9-10]；通過輻射光譜手段[11-14]可以有效地得到等離子體的基本參數信息；對于射流中不發光物質的定性和定量測量，通常需要采用外加干涉的診斷技術，如激光吸收光譜、激光誘導熒光等[15-17]。近年來，對大氣壓等離子體射流裝置的研究成果非常多。

本文將通過自制可調節氣壓的等離子體射流裝置，利用發射光譜診斷方法對不同氣壓條件下的Ar射流等離子體的電子激發溫度和電子密度的變化進行研究，同時，通過測量放電波形研究了放電功率對等離子體射流參數的影響。

2 實驗裝置及測量方法

本文實驗研究采用的等離子體射流是由金屬針-環型介質阻擋放電裝置產生。如圖1所示，其主要放電空間是內徑d=5 mm、外徑D=7 mm的分叉石英玻璃管，玻璃管總長是500 mm；陽極是直徑為1 mm的金屬針；在石英玻璃管的外壁距氣體出口10 mm處，緊密纏繞著長30 mm、厚0.3 mm的銅箔，并作為環狀接地電極；Ar氣從石英玻璃管側面通入，其流量通過流量計進行可變調節；氣壓環境由真空泵控制，并且加上氣壓計實時監測氣壓保證其穩定；放電源由CTP-2000K的等離子體發生器提供，電源的中心頻率可以在3～100 kHz之間選取。

本實驗使用海洋光學的USB2000型高靈敏度微型光譜儀進行等離子體射流發射光譜的測量，設置光譜儀積分時間為300 ms，光學分辨率為0.75 nm。實驗過程中，光譜儀的光纖探頭固定在橫向距離陽極10 mm、縱向距離石英玻璃管中軸線8 mm的位置。放電功率由電壓波形和電流波形積分得到，通過在放電回路中并聯兩個電容器，兩個電容器之間串聯，并且電容比值為C1∶C2=1000∶1，則可以利用數字示波器測出放電電壓波形，放電電流波形通過在放電回路中串聯阻值為50 Ω的電阻R獲得。

圖1 Ar等離子體射流裝置及診斷系統Fig.1 Ar plasma jet device and diagnostic system

本實驗的等離子體射流可以近似認為處于局部熱力學平衡(Local thermal equilibrium，LTE)，故采用玻爾茲曼斜率法診斷等離子體射流的電子激發溫度。

當激發態粒子從k能級躍遷到i能級時，單位立體角輻射能可以表示為：

(1)

其中，gk表示激發態k能級上的統計權重，Ek表示激發態k能級的能量，T為電子激發溫度，λki為能級k→i的躍遷波長，Aki為躍遷概率，h為普朗克常數，kB為波耳茲曼常數，c為真空光速，Z和N分別為配分函數和粒子密度。

對公式(1)兩邊都取對數，可以得到：

(2)

公式(2)中若取ln(hcN/4πZ)=b為常數項，ln(Ikiλki/gkAki)=y為縱坐標，上能級能量Ek=x為橫坐標，則-(1/kBTe)=a為斜率。因此，只要選擇合適的多條線狀譜線作(x,y)的點，然后對這一系列點進行線性擬合求出斜率a，即可以得到射流等離子體的電子激發溫度Te。其中Aki、Ek、gk可以查詢NIST原子發射光譜數據庫得到。

本文采用連續譜的絕對強度診斷方法對Ar等離子體射流電子密度進行診斷。

通過Avantes-HAL-CAL型鹵鎢燈標準光源校準得到等離子體射流的絕對輻射率Lλ(λ)，考慮到射流等離子體是光學薄的，光譜的自吸收能夠忽略，再假設等離子體射流在放電管中是沿截面徑向均勻分布的，則可以得到：

(3)

根據電子密度的表達式[10]：

(4)

其中，

(5)

Te是電子溫度，對于本文中的Ar等離子體射流可以近似認為Te等于電子激發溫度。QAr(Te)表示電子與氬原子發生動量轉移時的平均碰撞截面，表達式為：

(6)

QAr(Te)是按照電子能量分布的碰撞截面對原子和電子碰撞的動量轉移求平均得到，在電子激發溫度為0～4 eV區間內，可以使用Milloy和Phelps的數據擬合結果[18-19]，其形式為：

(7)

Ar原子數密度na可以根據下式求出：

P=nakTa，

(8)

Ta是氣體溫度，可用紅外測溫儀測出，P由抽氣泵中的氣壓表讀出。

3 結果與討論

3.1 氣壓對參數的影響

實驗時，電源頻率固定為20 kHz，氣壓改變范圍選取為6～16 kPa之間，每間隔2 kPa取一個點，測出Ar射流等離子體發射光譜。圖2給出了不同氣壓下的Ar等離子體射流的發射光譜。從圖中可以看出，在600～850 nm的波長范圍內，Ar射流等離子體光譜中的譜線主要由Ar原子譜線構成，當氣壓升高時，未觀測到明顯的頻移，但是譜線強度發生了顯著的變化。

對不同氣壓下等離子體射流發射光譜中的線狀譜線進行篩選，留下激發能相差較大的5條譜線，通過查詢獲得它們的參數，如表1所示。將這些參數和不同氣壓條件下的譜線波長相應強度代入公式中，并進行線性擬合得出不同氣壓下的電子激發溫度，分別為0.829 9，0.812 4，0.801 8，0.792 9，0.743 5，0.677 0 eV，擬合的均方根誤差分別為0.31，0.36，0.26，0.27，0.64，0.47。

圖2 Ar等離子體射流的發射光譜Fig.2 Emission spectra of Ar plasma jet

表1 氬原子譜線參數Tab.1 Parameters of argon atomic spectral lines

圖3是計算得到的Ar等離子體射流電子激發溫度隨氣壓的變化曲線。可以看到，隨著氣壓從6 kPa升高到16 kPa，電子激發溫度從0.83 eV下降到0.68 eV，整體呈現電子激發溫度隨氣壓增大而下降的趨勢。這是因為，等離子體射流中Ar基態原子占比最大，隨著氣壓的升高，電子與基態原子的碰撞頻率增加，電子自由程減小，電子從電場中獲得的期望能量減小，從而電子碰撞導致的激發態原子占比減小。但是，在12～16 kPa氣壓之間電子激發溫度的下降趨勢明顯大于6～12 kPa之間，這可能是因為隨著氣壓升高，電子期望能量減小同時會導致Ar原子碰撞電離效應減少，進而導致電子密度相應下降，進一步加劇了電子激發溫度的下降，而在12～16 kPa氣壓之間，這種影響更加明顯。

圖3 Ar等離子體射流電子激發溫度隨氣壓的變化曲線Fig.3 Curve of electron excitation temperature of Ar plasma jet with argon pressure

利用連續譜的絕對強度法分別選取648.06 nm和673.69 nm波長的光譜強度計算出不同氣壓下Ar等離子體射流的電子密度，圖4是電子密度隨氣壓的變化曲線。

圖4 Ar等離子體射流電子密度隨氣壓的變化曲線Fig.4 Curve of electron density of Ar plasma jet with argon pressure

從圖4可以看出，本實驗中Ar等離子體射流的電子密度處于1022m-3量級。隨著氣壓從6 kPa升高到16 kPa，電子密度也逐漸降低，而且利用648.06 nm和673.69 nm波長計算出的電子密度變化趨勢基本一致，分別是從4.45×1022m-3減小到0.44×1022m-3和從3.82×1022m-3減小到0.51×1022m-3。這表明本實驗利用連續譜絕對強度法診斷電子密度的結果比較可靠。從圖中還能看出，在氣壓6～12 kPa之間電子密度下降較為明顯，而12～16 kPa之間電子密度基本維持在較低的0.5×1022m-3，這進一步表明電子激發溫度的下降加劇很可能和電子密度較低有關。

3.2 功率對參數的影響

實驗中將放電氣壓穩定在6 kPa，逐漸增大放電電壓，同時利用數字示波器記錄5個點的電壓波形點和電流波形，通過對電壓、電流波形進行乘積積分得到5個放電功率點，分別是0.177 5，0.328 2，0.382 5，0.620 0，1.792 6 W。根據每個功率下的光譜計算出相應的電子激發溫度分別為0.82，1.83，2.63，2.84，5.14 eV，擬合的均方根誤差分別為0.35，0.03，0.33，0.57，0.63。圖5是電子激發溫度隨放電功率的變化曲線，可以看出，電子激發溫度隨放電功率的增大而顯著上升。這是因為，放電功率越高，電子平均自由程不變的情況下，電子獲得的期望能量升高，碰撞激發效應增強，導致激發態Ar原子占比增多，從而電子激發溫度升高。并且放電功率在0.177 5～0.382 5 W之間時，電子激發溫度升高相對更快。

圖6是分別選用648.06 nm和673.69 nm 波長光譜強度計算出的電子密度隨功率的變化曲線，兩條曲線的趨勢基本一致，電子密度分別是從0.27×1022m-3增大到4.61×1022m-3和從0.65×1022m-3增大到4.73×1022m-3。放電功率在0.177 5～0.328 2 W之間時，電子密度較低，都在1021m-3量級，并且隨放電功率增大的幅度并不明顯。結合圖5以及氣壓影響研究中的分析，結果表明氣壓和放電功率對電子激發溫度不僅有直接影響，還有電子密度變化導致的間接影響，電子密度較低時，氣壓和放電功率對電子激發溫度的影響會相對更大一些。

圖5 Ar等離子體射流電子激發溫度隨放電功率的變化曲線Fig.5 Curve of electron excitation temperature of Ar plasma jet with discharge power

圖6 Ar等離子體射流電子密度隨放電功率的變化曲線Fig.6 Curve of electron density of Ar plasma jet with discharge power

4 結論

本文測量了自制可調節氣壓Ar等離子體射流的發射光譜，利用玻爾茲曼斜率法和連續譜的絕對強度法，分別計算了不同氣壓和不同功率條件下的電子激發溫度和電子密度，得到如下結論：

(1)隨著氣壓從6 kPa升高到16 kPa，Ar等離子體射流的電子激發溫度變化不太大，從0.83 eV下降到0.68 eV，在氣壓12～16 kPa之間下降更顯著，而電子密度卻變化較大，從4.45×1022m-3減小到0.44×1022m-3(波長648.06 nm)，在氣壓6～12 kPa之間減小更明顯。

(2)放電功率從0.177 5 W增大到1.792 6 W，Ar等離子體射流電子激發溫度變化顯著，從0.82 eV升高到5.14 eV，放電功率在0.177 5～0.382 5 W之間時，電子激發溫度升高相對更快。電子密度仍然總體變化明顯，從0.27×1022m-3增大到4.61×1022m-3(波長648.06 nm)，但在0.177 5～0.328 2 W之間時，電子密度較低都在1021m-3量級。

(3)從結論(1)和(2)可以看出，氣壓和放電功率對電子激發溫度不只有直接影響，還有電子密度變化導致的間接影響，電子密度較低時，氣壓和放電功率對電子激發溫度的影響會相對更大一些。