高壓微波氫等離子體Balmer線系的實驗

翁國峰，湛玉龍，陶利平，付秋明，馬志斌

(武漢工程大學材料科學與工程學院，武漢工程大學湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

微波氫等離子體由于采用無極放電方式，在高質量光學金剛石膜、金剛石同質外延等方面有廣泛的應用.氫等離子體的原位在線檢測對于研究等離子體中各基團的物理—化學過程、改進薄膜沉積工藝具有重要意義[1-3].發射光譜診斷技術具有無干擾、靈敏度高等優點，是研究等離子體狀態和性能較為理想的診斷方法，如利用氫原子發射光譜的相對強度測量等離子體中的電子參數，利用氫原子發射光譜的展寬測量等離子體中的電場強度等[4-5].

在實驗室條件下，氫等離子體Balmer線系的主要譜線為Hα、Hβ、Hγ和Hδ，Hγ和Hδ譜線相對于Hα和Hβ譜線較難激發，因此關于氫原子的Hγ和Hδ譜線的研究相對較少.但氫原子的較高階譜線在等離子體診斷中有非常重要的作用，如利用Stark效應測量等離子體中的電場強度時，Hγ和Hδ譜線的展寬效應明顯強于Hα和Hβ譜線，利用Hγ和Hδ譜線進行測量有利于提高測量精度.

本文在微波氫等離子體中，利用壓縮波導反應腔結構和熱輔助激發的方式產生了可穩定運行于接近一個大氣壓下的微波輝光氫等離子體，記錄了氣壓連續上升過程中微波氫等離子體中的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線，并分析了它們隨氣壓升高的變化趨勢及相關機理.

1 實 驗

本實驗采用壓縮波導微波等離子體放電裝置，壓縮波導反應腔結構如圖1所示.波導的窄邊被壓縮到標準尺寸的一半以增強反應腔中的微波電場，同時基片在等離子體的自加熱下溫度達到1 370 K，發射熱電子有利于高氣壓下等離子體的穩定維持.

圖1 波導壓縮式高氣壓微波等離子體裝置圖

光譜測量采用美國海洋光學公司的HR4000型高分辨率光譜儀.HR4000型高分辨率光譜儀采用Toshiba3648像素的CCD陣列探測器，最佳光學分辨率可達0.02 nm，實驗采用的測量范圍分別為380～470 nm、455～540 nm和600～712 nm，這三個測量范圍涵蓋了氫原子Balmer線系的前四條譜線.聚焦透鏡固定在石英觀察窗的中心，聚焦透鏡和高分辨率光譜儀用光纖連接.

實驗時利用機械泵抽本底真空，然后關閉隔膜閥與微調閥，通入高純H2(純度為99.999%)，氫氣流量為10 mL/min，反應腔內的氣壓緩慢上升，上升速率為1 kPa/min.微波功率維持在800 W.

從氣壓8 kPa開始記錄氫等離子的譜線，然后每隔1 kPa記錄一次光譜數據，直到氣壓緩慢上升到85 kPa.整個等離子體放電過程中隔膜閥與微調閥始終關閉，腔體內的氣壓只與通入的氫氣量相關.

2 結果與討論

2.1 氫原子Balmer線系譜線

氫原子的Balmer線系是研究最為廣泛且唯一存在于可見光區的線系，主要有Hα、Hβ、Hγ和Hδ四條譜線，他們分別是主量子數n=3、4、5、6向n=2的躍遷，表1列出了這四條譜線的相關參數[6].由表1可見，隨著躍遷級數的增加，發射光譜中心波長和躍遷幾率減小，統計權重和激發能量增加.

表1 Balmer線系的常數

在相同的氣壓條件下，由于不同的譜線的激發能不同，躍遷級數越高，譜線的激發能越高，相應的譜線強度越弱.對于躍遷級數高的譜線的測量，可以采取延長HR4000型高分辨率光譜儀的積分時間來實現.圖2所示為相同氣壓下測得的氫Balmer線系主要的四條譜線，圖2(a)為積分時間2 s測得的波長為410.17 nm的Hδ譜線和波長為434.05 nm的Hγ譜線；圖2(b)為積分時間100 ms測得的波長為486.13 nm的Hβ譜線和積分時間10 ms測得的波長為656.28 nm的Hα譜線.圖2中還出現了396.08 nm、531.13 nm的譜峰，這可能是雜質原子的譜線或者由于增加積分時間而引起的背底噪音.

(a)積分時間2 s測得波長為410.17 nm的Hδ譜線和波長為434.05 nm的Hγ譜線；(b)積分時間100 ms測得波長為486.13 nm的Hβ譜線和積分時間10 ms測得波長為656.28 nm的Hα譜線

2.2 譜線強度

不同譜線的強度表征光譜儀獲取的特定能量光子數的多少，特定能量的光子數越多，對應的譜線的強度越強.圖3所示為Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強度隨氣壓升高的變化，其中Hα譜線的積分時間為10 ms，Hβ譜線的積分時間為100 ms，Hγ和Hδ譜線的積分時間為2 s.由于增加光譜儀的積分時間只是增加了進入到光譜儀內的光子數，因此可以認為增加光譜儀的積分時間對不同譜線的變化趨勢沒有影響.

圖3 Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強度隨氣壓的變化

由圖3所示，氫Balmer線系Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強度在較低氣壓到接近一個大氣壓的條件下都具有先上升后下降的趨勢.

Hα和Hβ譜線的強度從8 kPa開始快速上升，在15 kPa附近達到最大值后快速下降.這說明對于Hα和Hβ譜線存在一個最佳的氣壓條件，使得Hα和Hβ的激發達到最大值，此氣壓條件在15 kPa附近.

Hγ和Hδ譜線的強度在8～15 kPa具有與Hα和Hβ譜線相同的上升趨勢，當氣壓超過15 kPa后，Hγ和Hδ譜線的下降趨勢遠小于Hα和Hβ譜線的下降趨勢.

文獻[9]采用與本實驗相同的裝置，實驗過程中微調閥為開啟狀態，氣壓達到45 kPa時等離子體熄滅，本實驗中微波氫等離子體的放電可以接近一個大氣壓，由此可見，降低腔體內氣體的流速可以減少能量的損失，有助于等離子體的激發和維持.

本實驗中，在氣壓上升的初始階段，氫Balmer線系的四條譜線的強度都具有較快的上升趨勢，這個過程是等離子體由稀薄匯聚成等離子體球的過程，等離子體內部的碰撞截面增加.當氣壓超過15 kPa時，Hα和Hβ譜線的強度呈現快速下降的趨勢，而Hγ和Hδ譜線的強度先趨向于飽和然后緩慢降低.氣壓超過15 kPa，等離子體內部低能粒子減少的速度遠大于高能粒子減少的速度，這可能是由于能量分布函數的最可幾能量在向更低的能級偏移過程中對Hα和Hβ譜線強度的影響遠大于Hγ和Hδ譜線.

在金剛石膜沉積過程中，氫原子對非金剛石相的選擇性刻蝕起著決定性的作用，考察等離子體中氫原子的譜線強度隨氣壓的變化有助于最優沉積氣壓的選擇.

2.3 電子激發溫度

在熱力學平衡態(TE)或局部熱力學平衡態(LTE)下，處于原子兩個不同能態的粒子滿足Boltzmann分布，不同能態的譜線強度滿足以下的關系式[7- 8]：

(1)

式中I1和I2分別代表兩條譜線的發射光譜強度，A1和A2為躍遷幾率，g1和g2為統計權重，λ1和λ2為兩條譜線的中心波長，E1和E2為兩條譜線的激發態能量，k為Boltzmann常數(k=1.38×10-23J·K-1)，Texc為等離子體的電子激發溫度.當等離子體為熱力學平衡態(TE)或局部熱力學平衡態(LTE)時，等離子體的電子激發溫度與等離子體電子溫度相同.采用該種方法計算等離子體電子溫度時，選擇波長、強度和輪廓形狀相似的譜線可以提高測量的精度[4].本文所涉及的等離子體為熱力學非平衡態等離子體，根據表1的數據和譜線的強度比即可計算等離子體內部電子激發瞬間的激發溫度Texc.

本實驗采用在相同條件下測得的Hγ和Hδ譜線的強度比值來計算等離子體的電子激發溫度，如圖4所示為等離子體的電子激發溫度隨著氣壓的升高的變化.由圖4，在氣壓較低時，等離子體內部的碰撞較少，電子激發溫度較高，隨著氣壓的升高，等離子體內部的碰撞增加，電子與分子頻繁的碰撞降低了電子的平均能量，使得電子激發溫度快速降低.當氣壓上升至20 kPa后，電子激發溫度趨于穩定，這可能是由于降低氣體流速引起的能量累積和基片臺的熱輔助激發抵消了氣壓升高對電子激發溫度的影響.

圖4 電子激發溫度隨氣壓的變化

3 結 語

本文采用壓縮波導反應腔結構和熱輔助激發的方式產生了可穩定運行于一個大氣壓條件下的微波氫等離子體，觀察到了氫Balmer線系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線及其隨氣壓升高的變化趨勢.實驗結果表明，氫Balmer線系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ譜線的強度都有隨著氣壓上升先升高后下降的趨勢，等離子體的電子溫度則是隨著氣壓的升高先降低后趨向于穩定.

參考文獻：

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