射频电容耦合等离子体光谱特性研究

• 作 者: 马梅
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 容性耦合等离子体 光谱法 微波干涉法 电子密度 电子激发温度

空间中等离子体环境对航天器与地面无线传输信号产生了很大的影响,目前国内外对等离子体电磁科学问题的研究还一直在深入,关于如何在包裹等离子鞘套的条件下实现飞行器对地有效地通信,仍处于研究阶段。射频电容耦合放电可产生大体积、均匀分布的等离子体,可用于研究等离子体与电磁波相互作用机理。因此,本文利用发射光谱法对射频电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma,CCP）进行研究,获得等离子体电子密度等信息,建立辐射谱线光强与电子密度之间的关系。射频电容耦合等离子体是目前产生大体积,均匀等离子体的常用方法。本文分析了产生射频电容耦合等离子体的放电机制。分析了等离子体放电过程中,不同的物理化学反应过程中辐射出不同波长的特征谱线。谱线来源于电子获得外界能量在不同能级之间发生跃迁从而激发或电离,释放出具有不同能量的光子,对应着光谱频率。利用13.56MHz射频电容耦合等离子体放电装置,采用Ar气作为工质气体,研究了气压和功率对射频电容耦合放电产生的等离子体辐射光谱强度、电子激发温度以及由于光能量发生偏移而引起的谱线展宽等参数的影响规律。创新性地分析了光谱的强度差异化以及产生展宽现象的原因,同时分析了低温等离子体展宽与电子密度对应关系,同时建立了多条谱线与电子密度对应关系,并给出误差分析。在功率100-400W、气压5-9Pa范围内,腔体中心位置的等离子体发射光谱强度和展宽随功率增加而升高,随气压升高而下降,气压对展宽的影响较小。采用微波干涉法对不同实验条件下放电前后微波信号相位的变化进行统计,计算出不同工况下等离子体电子密度,电子密度数值的范围为1.2×10¹⁶³.3×10¹⁶m^-3。建立了8条特征谱线强度和电子密度之间的定量函数关系,并对误差进行分析,结果表明,与微波干涉法相比,光强与微波干涉法联合标定方法计算出的电子密度误差小于0.1个数量级。本文还探究了电容耦合放电产生的等离子体的空间径向分布的均匀性以及径向电子密度的分布特性,在边缘电极处的电子密度高于腔体中心区域,密度从8×10¹⁶m^-3减小到1×10¹⁶m^-3。最后利用多条特征谱线相对强度计算了等离子体电子激发温度,电子激发温度范围为0.4².2eV。