脉冲激光沉积过程中TiO_(2)等离子体状态诊断及薄膜特性的研究

脉冲激光沉积技术由于具有较高的沉积速率和良好的兼容性,已广泛应用于各种纳米薄膜材料的制备.探究激光等离子体状态与沉积薄膜特性之间的关系,有助于进一步调控与优化脉冲激光技术对薄膜材料的沉积.本文将等离子体状态诊断与沉积薄膜性能相结合,讨论了不同脉冲激光能量下等离子体状态对沉积薄膜性能的影响.结果表明,低烧蚀能量下产生的等离子体更有助于获得质地更好,且与靶材晶相一致的优良薄膜材料.该结果也为探索和调控沉积过程提供参考.

背景气体中激光Al等离子体演化的干涉诊断研究

利用自主搭建的马赫-曾德尔激光干涉诊断系统研究了空气压强在1 atm和0.1 atm以及氩气在1 atm下纳秒脉冲激光烧蚀产生Al等离子体的冲击波膨胀和电子密度演化.从测量的干涉图中提取了等离子体冲击波的膨胀轮廓,诊断了等离子体的电子密度.研究结果表明,在空气背景气压为0.1 atm时,等离子体冲击波轮廓和速度都较大;而压强在1 atm时,氩气环境中等离子体冲击波的膨胀速率和轮廓均较小.空气环境在0.1 atm下,冲击波的横向膨胀速度在50 ns时达到了约3.4 km·s^(-1),但随着延迟时间的增加快速衰减,5μs后,3种情况下的冲击波均接近声速.此外,空气环境0.1 atm下等离子体空间区域较大,整体电子密度较低;而氩气环境在1 atm下,等离子体空间区域较小,整体的电子密度较高,在300 ns时核心区域电子密度达到了10^(18) cm^(-3).结果进一步显示了背景气压对等离子体膨胀约束具有主导作用,而压强相同时,氩气环境对等离子体的约束要强于空气环境.

直流电弧等离子体炬数值模拟与诊断

直流电弧等离子体炬内部物理过程复杂且具动态性,较难对其进行准确描述与深入研究,且其工作温度较高,其状态参数难以使用常规方式测量。针对直流电弧等离子体炬,建立流动、传热和电磁相互耦合的数值模型,基于Fluent软件对直流电弧等离子体炬进行三维数值模拟和特性分析,设计并搭建了一套热焓探针实验系统,完成对直流电弧等离子体炬射流参数的测量分析。结果表明:建立的数值模型模拟结果与实验测量结果吻合较好,误差在10%以内;炬内温度与速度最大值与工作气流量呈正相关,均出现在靠近阴极区域,且沿轴线逐渐降低;等离子体炬内高温区与高电流密度区重合。

等离子体医学研究进展

大气压非平衡等离子体(atmospheric pressure nonequilibrium plasma,APNP)能够在产生多种活性成分的同时保持较低甚至常温的气体温度,这使得它在生物医学方面有着巨大的应用前景,因此等离子体医学成为一个备受关注的新兴研究领域。自1996年第一篇等离子体医学研究论文发表以来,等离子体医学领域取得了蓬勃的发展,但也面临着一些核心科学问题亟需解决。文中对等离子体医学的研究进展进行了综述,探讨了该领域面临的核心科学问题和等离子体的生物安全性。此外,还简要介绍了等离子体医学在微生物消杀、伤口愈合、癌症治疗、经皮给药和皮肤病治疗等重要应用方面取得的成果。对于制定等离子体医学的标准和规范、建立第三方检测平台以及共享数据库和标准装置等问题,也进行了初步的讨论。最后,对等离子体医学的未来进行了展望。

使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好,但不可避免仍然存在一部分颗粒物,将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜,进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明:在相同条件下,ECWR等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体,无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电,展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达91%,能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧ECWR放电样片出现红移,原因是其放电得到的薄膜均匀而致密,使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系,为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

大功率射频负离子源等离子体发光监测系统的研制

基于射频波驱动的负离子源已成为未来中性束注入系统的首选方案。为监测大功率射频负离子源的各个激励器的等离子体放电状态,设计并搭建了基于光电二极管的等离子体发光监测系统。等离子体发光强度与特定碰撞发生次数、碰撞粒子密度、碰撞粒子能量等密切相关。因此,等离子体发光强度能够定性反映出等离子体参数;基于合理的碰撞辐射模型,同时通过分析等离子体特征谱线强度,能够定量地得到等离子体参数。据此,该系统通过实时采集不同位置的等离子体发光强度信息,并以电压信号形式展现并保存下来,用于上位机实时监测和后数据处理。实验结果表明:本系统能够准确、在线地测量射频激励器内的等离子体的激发、维持和熄灭过程,且等离子体发光强度与射频爬坡放电功率具有较好的线性度,并测试了等离子体电流产生的过滤磁场对等离子体发光信号的影响。

真空断路器弧后等离子体探针诊断系统

真空断路器弧后阶段残余等离子体电子密度是表征弧后微观特性的重要参量。本文分析了探针诊断方法的工作原理,提出了一种基于电子饱和区的真空电弧弧后残余等离子体电子密度探针诊断方法。设计了探针结构、探针控制单元和数据处理系统,研制了基于单探针的真空断路器弧后残余等离子体诊断系统。利用可拆卸式真空灭弧室搭建了诊断实验平台,系统研究了开断电流、触头结构、测量位置等因素对弧后电子密度空间分布的影响。研究表明:真空断路器弧后等离子体探针诊断系统测量的弧后初始电子密度范围在10^(10)-10^(11)cm^(-3),衰减时间为30-40μs,变化规律与弧后鞘层理论一致,并与国内外其他诊断方法的测量结果进行对比,验证了探针诊断方法的可行性和有效性,为真空电弧弧后电子密度的诊断提供了一种有效、简便的方法。

双环状电极大气压等离子体射流的时间分辨诊断

大气压等离子体射流在众多领域中发挥着至关重要的作用,其中,拥有双环状电极结构的射流装置表现十分突出,此类装置具有结构简单、放电稳定的优势,并且产生的射流长度较长、温度较低.本工作利用ICCD相机采集技术,对高频高压交流电源驱动的双环状电极等离子体射流进行了纳秒级时间分辨诊断.研究发现,在一个完整的放电周期内,存在两个明显的放电阶段,分别位于外加电压的正、负半周期的峰值附近,并且在正半周期的放电阶段中,亮度、射流长度、放电发展速度均明显强于负半周期,值得注意的是,仅在负半周期的放电阶段中,才能观察到等离子体离开管口自主向前传播的现象.本工作对于了解等离子体动力学过程,揭示等离子体的行为规律及优化等离子体设备等诸多方面有积极地推动作用.

非轴对称焊接电弧等离子体光谱诊断的研究现状

综述了非轴对称电弧光谱诊断的研究现状,概述了电弧等离子体的光谱诊断方法和三维温度场重建算法。分析了代数重建算法、最大似然期望最大化算法、总变分最小化凸集投影算法及其衍生算法的适用性和优缺点,展望了下一步重建算法的重点研究方向,为后续非轴对称焊接电弧等离子体光谱诊断提供理论基础和技术支撑。

固定功率下大气压交流氩气等离子体射流的光谱特性

大气压kHz频率交流等离子体射流具有广泛的应用前景,而目前研究电源参数影响时只能探究单一驱动参数变化时的射流放电规律,这无疑也会耦合进功率对射流放电的影响,不能体现驱动参数本身对放电的影响.本研究利用自研的可调脉冲调制占空比的交流电源驱动大气压氩气等离子体射流,结合发射光谱与吸收光谱诊断,研究了固定放电功率下不同电压、频率和脉冲调制占空比参数对等离子体射流的气体温度Tg、电子激发温度Texc、电子密度ne,OH粒子数密度等性能的影响.结果表明,固定功率下,电子密度不会随着驱动参数的改变而变化,而气体温度、电子激发温度、OH粒子数密度变化受脉冲调制占空比影响最大;其次是电压影响,频率影响最小.降低频率提高电压时气体温度和电子激发温度会升高,·OH粒子数密度会增大;而降低脉冲调制占空比提高电压时气体温度和电子激发温度会降低,·OH粒子数密度会减少.此外,降低脉冲调制占空比能够使得大气压等离子体射流在更低的气体温度下产生更多的·OH活性粒子.

等离子体技术制备高阻隔薄膜作用方式和应用现状(一)

近年来,在食品和药品包装、可穿戴有机电子封装、有机发光二极管(OLED)和量子点封装、真空绝缘板密封、生物医学和可再生能源防护等方面,以柔性塑料为基体的阻湿、阻氧、高透明的薄膜得到了广泛的应用,促进了阻隔膜制备技术的发展。等离子体技术在阻隔膜制备中显示出独特的优势,包括:可以大规模生产制备阻隔膜、薄膜性能优异、产品成本低廉等。这些等离子体技术包括等离子体增强物理气相沉积(PEPVD)、等离子体增强/辅助化学气相沉积(PECVD/PACVD)和等离子体增强/辅助原子层沉积(PEALD/PAALD)技术等。本文综述了基于等离子体技术制备阻隔膜的方法和理论,主要介绍等离子体源、等离子体作用方式、等离子体诊断和等离子体增强沉积阻隔膜的生长机制,以阐明等离子体参数和阻隔膜制备及性能之间的内在联系,为阻隔薄膜乃至类似柔性功能材料的制备和应用提出指导性建议。

氮化过程中等离子体空间分布诊断

研制了一套成像光谱仪,该光谱仪波长范围400~900nm,光谱分辨率5nm。利用该光谱仪对铀表面氮化过程中腔体内的等离子体进行诊断测试,得到了等离子体的空间分布情况。氮化腔体内等离子体空间分布不均匀;同一种元素同一价态下空间分布基本相同,但强度变化明显;同一种元素不同价态下,等离子空间分布状态存在着明显的不同;等离子体空间分布状态与工件摆放姿态存在一定的关系。该技术还可用于其它表面处理工艺过程中腔体内的等离子体空间分布诊断。

等离子体技术制备高阻隔薄膜作用方式和应用现状(二)

近年来,在食品和药品包装、可穿戴有机电子封装、有机发光二极管(OLED)和量子点封装、真空绝缘板密封、生物医学和可再生能源防护等方面,以柔性塑料为基体的阻湿、阻氧、高透明的薄膜得到了广泛的应用,促进了阻隔膜制备技术的发展。等离子体技术在阻隔膜制备中显示出独特的优势,包括:可以大规模生产制备阻隔膜、薄膜性能优异、产品成本低廉等。这些等离子体技术包括等离子体增强物理气相沉积(PEPVD)、等离子体增强/辅助化学气相沉积(PECVD/PACVD)和等离子体增强/辅助原子层沉积(PEALD/PAALD)技术等。综述了基于等离子体技术制备阻隔膜的方法和理论,主要介绍等离子体源、等离子体作用方式、等离子体诊断和等离子体增强沉积阻隔膜的生长机制,以阐明等离子体参数和阻隔膜制备及性能之间的内在联系,为阻隔薄膜乃至类似柔性功能材料的制备和应用提出指导性建议。

等离子体电子温度的发射光谱法诊断

电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数。由于等离子体放电过程非常复杂,要实时准确测定其电子温度值非常困难。发射光谱法作为一种等离子体诊断技术,因其所使用的仪器相对简单,并采用非接触测量,灵敏度高,响应速度快,可广泛地应用于各种等离子体性质的研究和参数的诊断。文章介绍了测定等离子体电子温度的双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法、Saha-Boltzmann法、谱线绝对强度法等多种发射光谱法,同时综述了这些方法在等离子体电子温度诊断中的应用,旨在为实际过程中选择合适的等离子体诊断方法提供参考。

大气压射流等离子体中O及OH自由基的发射光谱在线诊断

OH自由基及氧原子在大气化学、表面处理及化学污染物分解等方面有着重要的作用。利用发射光谱技术在线测量了大气压射流等离子体中OH自由基紫外波段与O自由基777,844 nm波段的发射光谱。研究了OH自由基与氧原子光谱强度随放电功率及放电体系中所加入的氧浓度的变化。将实验测得的OH自由基光谱图与用Lifbase数据库模拟光谱图进行比较,估算了OH自由基的转动温度。结果表明:OH自由基的转动温度随放电功率的增加而增加,随工作气体流速的增加而减小。

射频辉光放电等离子体的电探针诊断

本文简要叙述了探针诊断技术的作用，比较了单、双探针测量技术的异同，分析了当前所碰到的主要问题和各种可能的解决办法，着重报导了我们提出和制作的加热调谐单探针装置，不仅抑制了射频干扰，还克服了中毒效应对探针测量的影响。首次成功地测量了射频辉光放电硅烷等离子体的电子能量分布函数、电子平均能量和密度。并对测量结果进行了简要的分析。

大气压直流氩等离子体光谱诊断研究

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用波尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,根据ArⅠ谱线的斯塔克展宽得到射流的电子密度,并对氩等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,结果表明在文章的实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到局域热力学平衡。

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

利用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWP-CVD)技术,以氢气为反应气体产生等离子体。通过采集氢的可见到紫外发射光谱,对等离子体进行了原位诊断,由氢Balm er系分析得到了不同实验参数对激发态氢原子相对密度的影响,通过对Fu lcher带的分析,得到实验参数对氢振动温度的影响。结果表明:低压氢等离子体状态可借用日冕模型来诊断;激发态氢原子密度随入射功率增加而增加,随压强增加而减少,氢分子振动温度随压强增加先增大后减小;电子温度和电子密度是低压氢等离子体状态变化的关键因素。

高频离子源等离子体的光谱诊断

采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF 200keV中子发生器中,是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度,并采用部分局部热力学平衡状态的理论,计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数,并进行了简要分析。

直流电弧等离子体炬的数值模拟

等离子体炬内部的物理场是影响等离子体性能及等离子体炬设计等方向的重要信息。受等离子体炬内部小空间、高能量密度及高电荷密度等因素的影响,无法通过常规手段进行测量。为了得到等离子体炬内部的温度、速度场分布情况,本文使用COMSOL建立了一台30 kW直流等离子体炬的二维轴对称模型。为了验证模型的可靠性,搭建了包括等离子电源、等离子体炬在内的实验平台,并使用热焓探针对该等离子体炬出口处的温度场进行诊断。将等离子体炬的模拟结果与实验测得的数据进行对比,发现模拟结果能够较好的吻合实际情况。改变模型阴极的电流输入,对等离子体炬内部的流场及温度场变化情况进行了系统模拟研究,得出了等离子体炬内部的发展模式,以及热量传递的薄弱点,可以为今后等离子体炬的优化方向提供参考。