Ar等离子体射流发射光谱诊断研究

李 磊，陈晓东，袁承勋*，周忠祥*

(1.哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001；2.上海机电工程研究所，上海 201109)

1 引言

低气压非平衡等离子体在半导体工业、材料防腐蚀、聚合物薄膜、等离子体冶金、等离子体三废处理等领域具有广泛的应用，但是它只能用于真空条件下。为了克服低气压等离子体这个缺点，研究者在大气压条件下通过放电产生了非平衡等离子体。然而，大气压下放电，由于气体击穿电压较高，放电间隙一般在几毫米到几厘米之间，这就对待处理样品的尺寸有极大限制，而且将样品放置于放电间隙中可能还会影响放电的稳定性。为此，研究者研制出了大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)[1-4]。大气压非平衡等离子体射流能够在开放的空间中形成，化学特性高、气体温度低，这些极大地拓宽了低温等离子体的应用。尤其是在生物医学领域，大气压等离子体射流促进了等离子体医学的发展，同时也推动了研究者对等离子体射流的研究热潮。

目前，研究者对等离子体射流的研究主要从三个方面进行，分别是产生机理、基本参数和化学特性。对于射流产生机理的研究需要从时空微观层次上进行，常用的诊断技术有快速拍照[5-8]和时空分辨光谱[9-10]；通过辐射光谱手段[11-14]可以有效地得到等离子体的基本参数信息；对于射流中不发光物质的定性和定量测量，通常需要采用外加干涉的诊断技术，如激光吸收光谱、激光诱导荧光等[15-17]。近年来，对大气压等离子体射流装置的研究成果非常多。

本文将通过自制可调节气压的等离子体射流装置，利用发射光谱诊断方法对不同气压条件下的Ar射流等离子体的电子激发温度和电子密度的变化进行研究，同时，通过测量放电波形研究了放电功率对等离子体射流参数的影响。

2 实验装置及测量方法

本文实验研究采用的等离子体射流是由金属针-环型介质阻挡放电装置产生。如图1所示，其主要放电空间是内径d=5 mm、外径D=7 mm的分叉石英玻璃管，玻璃管总长是500 mm；阳极是直径为1 mm的金属针；在石英玻璃管的外壁距气体出口10 mm处，紧密缠绕着长30 mm、厚0.3 mm的铜箔，并作为环状接地电极；Ar气从石英玻璃管侧面通入，其流量通过流量计进行可变调节；气压环境由真空泵控制，并且加上气压计实时监测气压保证其稳定；放电源由CTP-2000K的等离子体发生器提供，电源的中心频率可以在3～100 kHz之间选取。

本实验使用海洋光学的USB2000型高灵敏度微型光谱仪进行等离子体射流发射光谱的测量，设置光谱仪积分时间为300 ms，光学分辨率为0.75 nm。实验过程中，光谱仪的光纤探头固定在横向距离阳极10 mm、纵向距离石英玻璃管中轴线8 mm的位置。放电功率由电压波形和电流波形积分得到，通过在放电回路中并联两个电容器，两个电容器之间串联，并且电容比值为C1∶C2=1000∶1，则可以利用数字示波器测出放电电压波形，放电电流波形通过在放电回路中串联阻值为50 Ω的电阻R获得。

图1 Ar等离子体射流装置及诊断系统Fig.1 Ar plasma jet device and diagnostic system

本实验的等离子体射流可以近似认为处于局部热力学平衡(Local thermal equilibrium，LTE)，故采用玻尔兹曼斜率法诊断等离子体射流的电子激发温度。

当激发态粒子从k能级跃迁到i能级时，单位立体角辐射能可以表示为：

(1)

其中，gk表示激发态k能级上的统计权重，Ek表示激发态k能级的能量，T为电子激发温度，λki为能级k→i的跃迁波长，Aki为跃迁概率，h为普朗克常数，kB为波耳兹曼常数，c为真空光速，Z和N分别为配分函数和粒子密度。

对公式(1)两边都取对数，可以得到：

(2)

公式(2)中若取ln(hcN/4πZ)=b为常数项，ln(Ikiλki/gkAki)=y为纵坐标，上能级能量Ek=x为横坐标，则-(1/kBTe)=a为斜率。因此，只要选择合适的多条线状谱线作(x,y)的点，然后对这一系列点进行线性拟合求出斜率a，即可以得到射流等离子体的电子激发温度Te。其中Aki、Ek、gk可以查询NIST原子发射光谱数据库得到。

本文采用连续谱的绝对强度诊断方法对Ar等离子体射流电子密度进行诊断。

通过Avantes-HAL-CAL型卤钨灯标准光源校准得到等离子体射流的绝对辐射率Lλ(λ)，考虑到射流等离子体是光学薄的，光谱的自吸收能够忽略，再假设等离子体射流在放电管中是沿截面径向均匀分布的，则可以得到：

(3)

根据电子密度的表达式[10]：

(4)

其中，

(5)

Te是电子温度，对于本文中的Ar等离子体射流可以近似认为Te等于电子激发温度。QAr(Te)表示电子与氩原子发生动量转移时的平均碰撞截面，表达式为：

(6)

QAr(Te)是按照电子能量分布的碰撞截面对原子和电子碰撞的动量转移求平均得到，在电子激发温度为0～4 eV区间内，可以使用Milloy和Phelps的数据拟合结果[18-19]，其形式为：

(7)

Ar原子数密度na可以根据下式求出：

P=nakTa，

(8)

Ta是气体温度，可用红外测温仪测出，P由抽气泵中的气压表读出。

3 结果与讨论

3.1 气压对参数的影响

实验时，电源频率固定为20 kHz，气压改变范围选取为6～16 kPa之间，每间隔2 kPa取一个点，测出Ar射流等离子体发射光谱。图2给出了不同气压下的Ar等离子体射流的发射光谱。从图中可以看出，在600～850 nm的波长范围内，Ar射流等离子体光谱中的谱线主要由Ar原子谱线构成，当气压升高时，未观测到明显的频移，但是谱线强度发生了显著的变化。

对不同气压下等离子体射流发射光谱中的线状谱线进行筛选，留下激发能相差较大的5条谱线，通过查询获得它们的参数，如表1所示。将这些参数和不同气压条件下的谱线波长相应强度代入公式中，并进行线性拟合得出不同气压下的电子激发温度，分别为0.829 9，0.812 4，0.801 8，0.792 9，0.743 5，0.677 0 eV，拟合的均方根误差分别为0.31，0.36，0.26，0.27，0.64，0.47。

图2 Ar等离子体射流的发射光谱Fig.2 Emission spectra of Ar plasma jet

表1 氩原子谱线参数Tab.1 Parameters of argon atomic spectral lines

图3是计算得到的Ar等离子体射流电子激发温度随气压的变化曲线。可以看到，随着气压从6 kPa升高到16 kPa，电子激发温度从0.83 eV下降到0.68 eV，整体呈现电子激发温度随气压增大而下降的趋势。这是因为，等离子体射流中Ar基态原子占比最大，随着气压的升高，电子与基态原子的碰撞频率增加，电子自由程减小，电子从电场中获得的期望能量减小，从而电子碰撞导致的激发态原子占比减小。但是，在12～16 kPa气压之间电子激发温度的下降趋势明显大于6～12 kPa之间，这可能是因为随着气压升高，电子期望能量减小同时会导致Ar原子碰撞电离效应减少，进而导致电子密度相应下降，进一步加剧了电子激发温度的下降，而在12～16 kPa气压之间，这种影响更加明显。

图3 Ar等离子体射流电子激发温度随气压的变化曲线Fig.3 Curve of electron excitation temperature of Ar plasma jet with argon pressure

利用连续谱的绝对强度法分别选取648.06 nm和673.69 nm波长的光谱强度计算出不同气压下Ar等离子体射流的电子密度，图4是电子密度随气压的变化曲线。

图4 Ar等离子体射流电子密度随气压的变化曲线Fig.4 Curve of electron density of Ar plasma jet with argon pressure

从图4可以看出，本实验中Ar等离子体射流的电子密度处于1022m-3量级。随着气压从6 kPa升高到16 kPa，电子密度也逐渐降低，而且利用648.06 nm和673.69 nm波长计算出的电子密度变化趋势基本一致，分别是从4.45×1022m-3减小到0.44×1022m-3和从3.82×1022m-3减小到0.51×1022m-3。这表明本实验利用连续谱绝对强度法诊断电子密度的结果比较可靠。从图中还能看出，在气压6～12 kPa之间电子密度下降较为明显，而12～16 kPa之间电子密度基本维持在较低的0.5×1022m-3，这进一步表明电子激发温度的下降加剧很可能和电子密度较低有关。

3.2 功率对参数的影响

实验中将放电气压稳定在6 kPa，逐渐增大放电电压，同时利用数字示波器记录5个点的电压波形点和电流波形，通过对电压、电流波形进行乘积积分得到5个放电功率点，分别是0.177 5，0.328 2，0.382 5，0.620 0，1.792 6 W。根据每个功率下的光谱计算出相应的电子激发温度分别为0.82，1.83，2.63，2.84，5.14 eV，拟合的均方根误差分别为0.35，0.03，0.33，0.57，0.63。图5是电子激发温度随放电功率的变化曲线，可以看出，电子激发温度随放电功率的增大而显著上升。这是因为，放电功率越高，电子平均自由程不变的情况下，电子获得的期望能量升高，碰撞激发效应增强，导致激发态Ar原子占比增多，从而电子激发温度升高。并且放电功率在0.177 5～0.382 5 W之间时，电子激发温度升高相对更快。

图6是分别选用648.06 nm和673.69 nm 波长光谱强度计算出的电子密度随功率的变化曲线，两条曲线的趋势基本一致，电子密度分别是从0.27×1022m-3增大到4.61×1022m-3和从0.65×1022m-3增大到4.73×1022m-3。放电功率在0.177 5～0.328 2 W之间时，电子密度较低，都在1021m-3量级，并且随放电功率增大的幅度并不明显。结合图5以及气压影响研究中的分析，结果表明气压和放电功率对电子激发温度不仅有直接影响，还有电子密度变化导致的间接影响，电子密度较低时，气压和放电功率对电子激发温度的影响会相对更大一些。

图5 Ar等离子体射流电子激发温度随放电功率的变化曲线Fig.5 Curve of electron excitation temperature of Ar plasma jet with discharge power

图6 Ar等离子体射流电子密度随放电功率的变化曲线Fig.6 Curve of electron density of Ar plasma jet with discharge power

4 结论

本文测量了自制可调节气压Ar等离子体射流的发射光谱，利用玻尔兹曼斜率法和连续谱的绝对强度法，分别计算了不同气压和不同功率条件下的电子激发温度和电子密度，得到如下结论：

(1)随着气压从6 kPa升高到16 kPa，Ar等离子体射流的电子激发温度变化不太大，从0.83 eV下降到0.68 eV，在气压12～16 kPa之间下降更显著，而电子密度却变化较大，从4.45×1022m-3减小到0.44×1022m-3(波长648.06 nm)，在气压6～12 kPa之间减小更明显。

(2)放电功率从0.177 5 W增大到1.792 6 W，Ar等离子体射流电子激发温度变化显著，从0.82 eV升高到5.14 eV，放电功率在0.177 5～0.382 5 W之间时，电子激发温度升高相对更快。电子密度仍然总体变化明显，从0.27×1022m-3增大到4.61×1022m-3(波长648.06 nm)，但在0.177 5～0.328 2 W之间时，电子密度较低都在1021m-3量级。

(3)从结论(1)和(2)可以看出，气压和放电功率对电子激发温度不只有直接影响，还有电子密度变化导致的间接影响，电子密度较低时，气压和放电功率对电子激发温度的影响会相对更大一些。