低气压射频空心阴极放电氩等离子体发射光谱分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈尔滨工业大学 作者:许建平

  利用射频空心阴极作为放电结构,测试了放电结构在低气压下的发射光谱,并计算了电子温度,分析了不同放电条件对光谱强度及电子温度的影响。研究发现,随着气体流量的增加,氩原子谱线强度和等离子体电子温度呈现出先增加后降低的变化规律,这是由于频繁的碰撞造成的。光谱强度随着射频功率的增加而升高。气体流量低于20mL/min(标准状态)时,随着射频空心阴极放电气压的增加,电子温度呈现先增加后降低的变化趋势;当气体流量高于30mL/min时,电子温度不随着放电气压的变化而变化。低气体流量下的电子温度大于高气体流量下的电子温度。

  空心阴极放电是以空心金属管作为放电阴极,内部通入工作气体实现具有空心阴极效应的放电结构,由于具有放电稳定、等离子体密度高的特点,被广泛地应用于太空飞行器、材料表面改性、电子源及光谱分析等领域。而射频驱动的空心阴极放电具有射频放电与空心阴极放电两者的特点,不仅可以形成低电子温度,而且具有较高的等离子体密度,利用这种等离子体进行材料表面改性及材料加工时,对工件表面损伤较小,是材料表面改性的重要工艺方法。Barankova利用钛管射频空心阴极放电产生钛金属粒子并沉积获得了TiN薄膜。Tian系统研究了射频空心阴极放电等离子体特性,并且利用射频空心阴极放电的小体积和高等离子体密度的特点对AlSi304不锈钢进行了表面改性处理。

  射频空心阴极进行材料表面改性时,要求工作于低气压环境下,并且气压对于放电及工艺参数有显著的影响。Yambe发现气压对于电子密度的影响效果高于电子温度。这些研究主要集中于10Pa以上的气压范围,较低气压的研究报道不多。本文以射频空心阴极放电等离子体为研究对象,重点研究低于10Pa气压的放电工艺参数对于发射光谱的影响规律,通过分析发射光谱强度,并采用非平衡状

  态计算等离子体电子温度的模型,研究了射频功率、气压及气体流量等工艺参数对电子温度及其分布的影响规律。

1、实验部分

  1.1、实验装置

  图1是实验的装置示意图,整个系统由空心阴极1、工件2、气体质量流量计3、聚焦透镜4、射频激励电源5、真空室6、真空抽气系统7及光谱分析系统8等部分组成,其中空心阴极利用镧钨(2%氧化镧)制造,其内径3mm,外径5mm,长度7mm,空心阴极与工件之间的放电间距可以自由调整。射频激励电源的频率为13.56MHz,其阴极与空心阴极连接,阳极接地。实验时,真空室用分子泵抽至4.0×10-2 Pa,利用氩气作为工作气体通入空心阴极内部,通过气体质量流量计控制高纯氩气流量,借助于真空计检测真空室内的气压。空心阴极放电的辉光通过聚焦透镜聚焦后,利用光谱仪(AVANTES公司的光谱仪)的光纤探头接收,通过改变气压、气体流量及射频功率的大小,获得不同强度的发射光谱图。

实验系统结构图

图1 实验系统结构图

结论

  本文利用发射光谱法对低气压射频空心阴极放电特性进行了研究,对等离子体表面处理具有指导意义。主要研究结果表明:随着气体流量的增加,发射光谱强度呈现出先增加后降低的变化趋势。随着射频功率的增加,发射光谱强度逐渐增加。低气体流量下的电子温度大于高气体流量的电子温度。电子温度随着射频功率增加呈现先增加后降低的变化规律。

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