平板型与同轴型等离子体发生器射频大气压辉光放电特性分析

为了深入理解不同的等离子体发生器几何结构对其放电特性的影响规律,采用一维流体模型对平板型和同轴型两种不同结构等离子体发生器的放电特性进行了数值模拟研究,并对放电图像采用可见光图像处理技术进行了分析。数值模拟结果表明,平板型等离子体发生器所产生的等离子体主要参数(如电子温度和活性粒子浓度等)关于两电极中间平面对称,而同轴型等离子体发生器所产生的等离子体主要参数则呈现出非对称的分布规律,这与放电图像灰度值的空间分布规律定性一致。通过对等离子体中化学反应动力学过程的分析可知,不同结构发生器所对应的等离子体主要参数的空间分布规律依赖于不同电极结构所导致的放电区电场强度的空间分布。

电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性影响的数值模拟

由裸露金属电极结构发生器产生的大气压射频辉光放电（radio frequency atmospheric pressure glow discharge,RF APGD）等离子体射流具有活性粒子浓度高、射流温度较低且可控性强等特点。为研究电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性的影响规律,采用数值模拟的方法,以高纯氦为工作气体,通过流体模型分别对RF APGD放电区和射流区进行了一维非稳态和二维准稳态数值模拟。论文揭示了放电电流密度对RF APGD等离子体特性的影响规律。计算结果表明：在放电区,随着放电电流密度的增加,活性粒子数密度和气体温度均显著升高,当电流密度较高时,放电由α模式转化为γ模式;而在射流区,一方面,随着放电电流密度的增加发生器出口处的气体温度和等离子体密度提高,另一方面,由于气体温度的升高会提高射流区部分去电离反应的速率,导致射流区电子和离子衰减得更快,从而使得射流区不同空间位置处的活性粒子数密度并非随电流密度增加而单调增加。

射频辉光放电CH_4等离子体一维流体动力学模拟

完整建立一个关于射频辉光放电CH4等离子体的流体动力学模型.模型包括基于迁移-扩散近似的粒子平衡方程、电子能量平衡方程,共包含了20种粒子(环境气体粒子,激发态粒子,离子和电子)和49类化学反应(电子-中性环境粒子、离子-中性环境粒子、激发态粒子-激发态粒子(中性环境粒子)).结果表明,在强电场区域有较高的电子反应率系数;等离子体中除源气体CH4外,H2,C2H6,C3H8,C2H4和C2H2也有较高的密度含量;激发态粒子中,CH3含量最高,密度约为1019m-3;在较低放电压力时(如18 Pa),CH5+在离子成分中密度含量最高,当放电压力较高时(如67Pa),C2H5+在离子成分中占主导地位;除C2H5+外,其它各离子和激发态粒子在极板上的粒子流量随功率的增大逐渐升高.

射频辉光放电等离子体化学气相沉积类金刚石膜的性能研究

用自行设计的RF PCVD(射频辉光放电等离子体化学气相沉积 )设备沉积类金刚石膜 ,并对膜的力学、光学、化学性能进行了分析。表明用该设备制备的类金刚石膜具有显微硬度高、磨擦系数小、膜基结合力高、对红外有良好的增透性 ,并且耐磨耐蚀、化学稳定性好。

低风速下射频等离子体的辉光放电特性

为研究射频等离子体辉光放电特性与风速、气压之间的关系,以等离子体风速传感器为研究背景,建立了射频等离子体辉光放电实验系统,研究了激励器在不同放电间距（0.05 mm和0.08 mm）、不同来流速度（0-45 m/s）、不同电源输出功率（10 W和20 W）和不同气压（50-100 k Pa）下的放电特性。结果表明：电极间距越小,射频等离子体辉光放电稳定性越高;在固定的电源输出功率和工作频率下,发现了激励器负载电压与来流速度关系的3个阶段：电极过热阶段、线性阶段和放电不稳定阶段;在不同的电源输出功率下,对应不同的风速范围,激励器负载电压与风速具有良好的线性关系;在亚音速气流对应的静压（总压为大气压）范围内,射频等离子体辉光放电对气压变化不敏感。

射频辉光放电等离子体风速传感器在低速来流下的响应特性

为了推动等离子体风速传感器走向应用,建立了射频辉光等离子体风速传感器自动化实验系统,进行了在静止大气、定常流场和动态流场中的放电实验,研究了大气压射频尖尖放电的电压电流特性,以及来流对等离子体电压、电流的影响,分析了等离子体风速传感器测量的风速和频率范围。实验结果表明:钨电极在大气中放电发生烧蚀氧化现象,影响电极间距,因此放电时间不宜太长;在低速(5~45 m/s)范围内,等离子体传感器有效电压与风速成线性关系,风速较高(>30 m/s)时,发生熄灭然后重新击穿的周期性现象,表现为电压有效值的周期性脉动,其主脉动频率与风速成线性关系;验证了等离子风速传感器能够测量500~1 500 Hz流场动态频率。

射频辉光放电等离子体辅助化学气相沉积法制备类金刚石碳膜工艺与性能表征

使用射频辉光放电等离子体辅助化学气相沉积技术(简称RFGDPECVD)在玻璃载玻片表面沉积类金刚石薄膜。用原子力显微镜(AFM)、摩擦试验仪、划痕试验机测定了其表面形貌、耐磨性及附着性。采用X射线光电子能谱(XPS)、分光光度计对两种气源(C4H10、C2H2)制备的DLC薄膜微观组成和透光率进行了检测和对比。结果表明:DLC薄膜的表面光滑、平整,表面粗糙度随沉积时间的增加单调递增;耐磨性及附着性优良;与C4H10相比使用C2H2作为碳源气体可以得到较高sp3含量和较低sp1含量的DLC膜;C2H2制备DLC薄膜的透光率低于C4H10;同一种碳源气体,反应流量比例越小,则DLC薄膜的透光性越好。

大气压射频辉光放电电子数密度解析解及等离子体阻抗特性研究

为研究大气压射频辉光放电等离子体阻抗特性,基于射频放电的一维均匀假设模型,推导出了适用于α模式、高气压和小间隙条件下的电子数密度ne的解析解,从而可由实验测得的电压和电流幅值计算出ne;构建了描述整个放电区域的"电阻-电容混联"等效电路模型,模型参数可由ne计算得到。通过与他人数值模拟得到的ne对比,验证了该解析解的正确性。实验结果表明:放电电压和电子数密度随电流密度的增加而线性增加;鞘层厚度、准中性区的等效电容和鞘层的等效电容受电流密度变化影响不大;准中性区的等效电阻和放电间隙总等效阻抗随电流密度的增加而减小。实验结果还指出了前人工作中存在的一些问题:在小间隙时错误地忽略鞘层厚度,认为准中性区的长度就是电极间隙距离;不合理地将准中性区场强近似为0。未来工作希望进一步推导低气压或大间隙时电子数密度的解析解。

辉光放电光谱激发源的射频功率驱动及自动控制系统

射频辉光放电原子发射光谱仪(RF GD-OES)的显著优势在于既能分析导体样品,又能直接分析非导体固体样品,在微纳米非金属涂镀层材料的逐层分析领域有着广泛应用。为此,介绍了射频辉光放电光谱激发源采用的射频功率电源及功率匹配器的工作原理,并结合双向可控硅交流调压技术研制了射频电源的计算机自动控制系统,给出了射频输出信号的计算机控制结果。采用本射频功率驱动及自动控制系统,结合自行研制的Grimm型辉光放电激发源,对有机防腐涂层样品进行了溅射激发,溅射效果良好。给出了溅射坑表面形貌图以及显微照片,经实验测得,逐层溅射速率为52.9 nm/s。采用本系统对1Cr18Ni9Ti不锈钢标准样品进行了分析精密度测试,Cr、Cu、Ti、Al元素测试结果相对标准偏差(RSD)均<2.6%。

射频驱动频率对托卡马克装置辉光放电清洗特性的影响

HL-2M装置初始放电阶段,分别采用2.1 MHz,13.56 MHz和40.68 MHz三种频率的射频电源开展了射频-直流辉光放电清洗实验,研究射频驱动频率对放电清洗特性的影响。预加载功率1500 W时,2.1 MHz放电的击穿气压为2.0×10^(−1) Pa,13.56 MHz放电为5.6×10^(−1) Pa;而40.68 MHz叠加直流偏压后在9.2×10^(−1) Pa实现击穿。对三种频率辉光放电清洗实验过程中的残余气体成分进行监测,结果表明杂质产额由高到低为:2.1 MHz>40.68 MHz>13.56 MHz。由于低频放电具有较多的加热电子数,所以2.1 MHz放电的杂质产额最高。而虽然40.68 MHz放电的功率耦合效率最低,但由于具有高的等离子体密度,其杂质产额高于13.56 MHz。可见2.1 MHz的射频-直流辉光放电在HL-2M装置初始放电阶段具有最优的清洗特性。然而由于不同频率的功率耦合效率不同,同样会对清洗效率产生影响,因此下一步首先应解决阻抗匹配问题以提高耦合功率。

射频辉光等离子体中的参量分布研究

根据双流方程提出了描述平板电极、低压射频辉光等离子体中带电粒子输运过程的自洽数值模型.并进行了数值求解,求得了各等离子体参量的时空分布以及一些参量的时间平均值的空间分布.由这些分布可得出射频气体放电的物理图像.

常压氩/氮射频容性放电冷等离子体的发射光谱诊断

实验中在大气压下在射频(13.56MHz)容性耦合的平板形金属电极的构型中实现了氩/氮射频α模式的辉光放电。首先,采用发射光谱的方法测量了氮分子(C3Πu)谱线随氮气含量的变化;其次,使用玻耳兹曼斜率法估算了OH谱带(A2Σ+→X 2Π)的转动温度,并得到等离子体温度随输入功率的变化规律。最后,选取氮的第二正带(C3Πu→B3Πg)的三组顺序带组对分子的振动温度进行了研究。实验结果表明:随着氮气流量的增加,氮分子谱线强度值先增加后减小,并在氮气流量为80mL.min-1附近达到极大值;气体温度随着输入功率的增加而增加,当输入功率从30W增加到210W时,对应的气体温度从342K增加到523K;随着掺入氮气的流量从30mL.min-1增加到140mL.min-1时,振动温度保持在1 800K值附近基本上不受影响。

射频自体辉光放电辅助电子束沉积的放电特性与离子分布研究

为了克服电子束蒸镀技术的不足,提高蒸镀薄膜与基体的膜基结合力,通过增加射频线圈的方法,在电子束蒸镀沉积过程中实现了射频自体辉光放电。研究了放电参数对射频辉光放电反射功率的影响规律,结果表明采用3匝直径82mm的射频线圈条件下,最佳放电距离为100cm。电子束流在160mA以上时,起辉较容易,但是电子束流大于200mA后,蒸镀的膜层容易脱落。通过静电探针分析发现,放电产生的等离子体中离子密度高于1.0×1010atom/cm3,射频功率的增大提高了真空室中各个位置处的离子密度,尤其是线圈中心位置,导致了真空室中离子密度径向位置的不均匀性。当射频功率为170W时,各位置的离子密度急剧增加。

大气压射频辉光放电阻抗特性的实验研究

为研究大气压射频辉光放电过程中不同工作气体(氦气和氩气)对发生器等效阻抗的影响,基于等离子体的介电特性,建立了描述等离子体区域的"电阻-电容混联"等效电路模型;通过实验测量放电电压及电流,并基于等效电路模型来计算等离子体在放电过程中的电子数密度,从而得到等离子体发生器的等效阻抗。实验测量了大气压射频辉光放电的放电电压及电流,并基于等效电路模型得到了等离子体发生器的等效阻抗及放电区的电子数密度。实验结果表明:对氦气和氩气放电,在α放电模式下其电阻及电抗的绝对值均随着放电电流的增加而减小,而电子数密度则随放电电流的增大而线性增加;且在相同的放电电流条件下,氩等离子体的电阻和电容都比氦等离子体高。研究结论可作为等离子体在不同工作气体条件下放电阻抗匹配研究的参考。

裸露金属电极大气压射频辉光放电研究进展

射频大气压辉光放电等离子体在等离子体辅助刻蚀、薄膜沉积、消毒灭菌、空气净化、战地生化清洗等领域有着非常广阔的应用前景。目前,采用具有裸露金属电极结构的等离子体发生器实现大气压条件下氮气、氧气以及空气等廉价气体的稳定射频辉光放电是一项具有挑战性的研究工作。本文以采用诱导气体放电法和局部电场强化法产生纯氮、纯氧及空气的大气压射频辉光放电等离子体以及大气环境下气体流动对等离子体放电特性的影响为重点,综述了裸露金属电极结构的大气压射频辉光放电等离子体电特性实验研究的最新进展。

钢铁材料表面成分及其深度分布的射频辉光放电光谱研究

利用射频辉光放电光谱仪逐层分析的特点,对钢铁表面分析的4个特殊实例进行了研究探讨。分析了镀锌板镀层中元素的组成,在质量分数-深度谱图中计算出镀锌板镀层中脆性相(γ相)的厚度;研究了镀锡板表面氧元素的深度分布,通过对比分析正常及缺陷镀锡板的辉光谱图,确定了试样表面暗黄色斑点产生的原因为镀锡层表面不够致密;建立了一种强度积分法直接对未校正元素进行半定量分析,并应用于硅钢涂层中镁元素的计算,相对标准偏差为2.41%;探讨了用能产生高能量离子的氖气作为工作气体,用于氟等难激发元素的分析测定的可行性研究,测定一种钢铁表面涂附的特氟隆涂层的厚度约为1.5μm,克服了基于氩气为工作气体的辉光光源在分析元素方面的局限性。

射频辉光放电发射光谱法测定不锈钢成分的研究

研究了射频辉光放电发射光谱法(rf-GD-OES)测定不锈钢成分C,Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Cu,Co,Al。考察了射频功率、载气气压、预溅射时间等仪器参数对不锈钢元素谱线发射强度及相对强度稳定性的影响和直流自偏压与射频功率和载气气压的关系。以此为基础,优化后的最佳分析条件为:射频功率90 W、载气气压300 Pa、预溅射时间100 s、积分时间20 s。方法用于测定不锈钢标准样品,测定值与认定值相符,精密度良好。

中低合金钢中多元素的射频辉光放电发射光谱发射谱线性质的研究

考察了射频辉光放电发射光谱法中功率（5～18w）和放电气压（5～15Torr）对元素谱线发射强度及相对强度稳定性的影响，并分析了引起影响的原因。结果表明，功率越高，发射强度越大；放电气压对各元素谱线发射强度的影响各异。在气压6～12Torr范围内，除5W外功率变化对大多数元素相对强度稳定性影响较小，相对标准偏差介于0．5％～2％。当功率在12w时，在10Torr气压下测定中低合金钢标准样品中C，Si，Mn，P，S，Cr，Ni，W，Ti，Cu，Co，B，Al，V，Mo，Nb16种元素，测定值与认定值一致；相对标准偏差除P，S，B稍高外，其它元素为1％～5％。

脉冲调制对大气压射频辉光放电稳定性的影响

大气压射频辉光放电的不稳定性是限制其应用的主要原因,脉冲调制射频技术有助于提高放电稳定性.通过试验诊断放电电学特性,进一步研究了大气压脉冲调制射频辉光放电中脉冲调制参数对放电稳定性的影响.当固定调制脉冲频率而降低占空比时,特别是当射频放电段工作在起辉阶段时,α放电模式的电压和电流范围都增加;当射频频率提高时也有助于增加射频放电工作在α模式的电流范围.在试验中固定电压幅值,研究射频频率在5、10和15 MHz时α-γ放电模式转变随占空比的变化,验证了在低占空比下可以获得更稳定的α模式放电,另外在氦气中掺入1.5%氮气的情况下获得了脉冲调制射频辉光放电稳定工作在α模式.研究结果表明,通过调制脉冲参数可以控制大气压脉冲调制射频辉光放电的稳定性.