實現(xiàn)低氣壓射頻輝光放電的電極設(shè)計及實驗研究

蘇永飛，李占賢，張鈞堯

（1.華北理工大學(xué) 河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210；2.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084）

0 引言

等離子體就是部分或完全電離的氣體，它作為物質(zhì)的第四態(tài)被大家所熟知［1－2］。從微觀講，等離子體中含有大量的電子、正負(fù)離子和活性基團(tuán)，電子和負(fù)離子帶的電位數(shù)和正離子所帶電荷剛好相等；從宏觀上講等離子體呈電中性。低溫等離子體的電離率較低，離子溫度和室溫接近，宏觀上表現(xiàn)為整體溫度和室溫相當(dāng)。由于溫度接近室溫，用低溫等離子體處理一些材料不會造成材料本體傷害，因此，低溫等離子體具有很高的應(yīng)用價值［3－4］。科學(xué)家預(yù)測21世紀(jì)低溫等離子體會有突破性的進(jìn)展［5］。

射頻輝光等離子體屬于低溫等離子體［6－7］。射頻等離子體具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：既可以用導(dǎo)電的電極激發(fā)，也可以用不導(dǎo)電的電極激發(fā)；既可以用內(nèi)電極維持，也可以用外電極維持。射頻放電等離子體具有較高的電離率，在等離子體應(yīng)用和等離子體研究中占有重要地位［8］。為了實現(xiàn)低氣壓環(huán)境下的射頻輝光等離子體放電，我們在電極結(jié)構(gòu)方面做了一些改進(jìn)，成功地在低壓環(huán)境下實現(xiàn)了射頻輝光放電。

1 電極的設(shè)計

1.1 放電模型

為實現(xiàn)超低氣壓下的射頻輝光放電，我們對放電電極做了一些改進(jìn)。常見的射頻輝光放電的電極是容性平行板電極，但是這種電極形式在超低氣壓下不能放電。為解決超低壓放電這個難題，我們做了一套復(fù)合型電極，將尖端放電的電極和射頻容性電極結(jié)合，放電模型如圖1所示。將9個醫(yī)用針頭均勻分布在鋁質(zhì)的電極板上，并用氣管并聯(lián)在一起，實現(xiàn)每個針頭均勻通氣。

圖1 復(fù)合型放電等離子體裝置模型

1.2 針型電極板的電場模擬

本文通過ANSYS構(gòu)建有限元模型，分析結(jié)構(gòu)的不同電場分布問題。將前面設(shè)計的模型導(dǎo)入到ANSYS Maxwell中，如圖2所示。

圖2 針－板電極模型

等離子體的產(chǎn)生需要高壓作為外界條件，高壓對發(fā)生器的電場分布情況和等離子的產(chǎn)生具有影響。為了更深一步地了解針型電極板的電場分布，本文采用ANSYS Maxwell對電極板放電裝置的針尖部分進(jìn)行了仿真。平行板材料設(shè)定為鋁材，平行板鑲嵌的針管材料選擇為不銹鋼。由于交流電電場仿真很難看到針尖處的電場分布效果圖，故采用交流電的有效值對電極板針尖部分的電場分布進(jìn)行模擬。

我們對針－板電極的針尖部分的縱切面和橫切面進(jìn)行了電場仿真，加載有效電壓值為500V，平行板板間距為100mm。針尖部分的電場仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出：針管附近的等勢線變化梯度大，電場很強(qiáng)；針尖周圍的電場等勢線呈現(xiàn)圓形，由內(nèi)而外逐漸變?nèi)酢D3（b）為針尖的縱截面電場等勢線分布狀況，從針尖部分等勢線的變化趨勢可以推出電場線密集，可知針尖位置的電場很強(qiáng)，易使周圍的氣體電離放電。

圖3 針尖部分電場仿真結(jié)果

2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。主腔室上有多功能法蘭、觀察窗等部件。主腔室為高55cm、內(nèi)徑Φ60cm的不銹鋼圓筒狀結(jié)構(gòu)，腔體上端和側(cè)面留有5個觀察窗，由觀察窗可以觀察實驗現(xiàn)象和拍照，并做一些光學(xué)診斷。真空泵組由分子泵和機(jī)械泵組成，機(jī)械泵型號為TRP-60，極限真空為0.1Pa；分子泵型號為JTFB-1600，極限真空為10－5Pa。主腔體的真空度測量系統(tǒng)包括一臺電離規(guī)和一臺電容薄膜規(guī)，其測量最低氣壓為10－5Pa，精準(zhǔn)到±10%。

圖4 低氣壓射頻輝光放電的實驗系統(tǒng)

電源采用中科院的13.56MHz的功率源，可調(diào)范圍為0V～500V。實驗中的電壓和電流采用示波器測量并送入示波器（Tektronix DPO4034）記錄，電壓探頭采用Tektronix P6015A，電流測量采用霍爾型電流探頭（Tektronix TCP202）。光譜采用愛萬提斯的8通道光纖光譜儀測量并記錄。放電圖像采用佳能數(shù)碼相機(jī)EOS7D拍攝。

3 實驗結(jié)果

3.1 起輝形貌變化

實驗放電，本文采用數(shù)碼相機(jī)拍攝起輝過程。相機(jī)曝光時間為1.5s，記錄下了低氣壓2.29×10－3Pa、氣流量為10sccm，電壓從350V調(diào)到450V的起輝過程，如圖5所示，從形貌上可以觀察到起輝是一個從局部到整體的過程。

多針電極起輝放電后，調(diào)整工作氣體的氣流量到10sccm，腔體壓強(qiáng)顯示1.68×10－3Pa，輸入電壓調(diào)到350V，此時輝光放電穩(wěn)定。我們在300nm～950nm波長范圍內(nèi)測量了工作氣體Ar的輝光放電發(fā)射光譜，并觀察到隨著電壓的不斷增大，放電強(qiáng)度增強(qiáng)，氬氣光譜的相對強(qiáng)度增強(qiáng)。圖6給出了350V氬氣穩(wěn)定放電的發(fā)射光譜。根據(jù)斯塔克展寬法可計算出氬氣放電的電子密度［9］。

圖5 起輝過程的形貌變化

圖6 氬氣輝光放電光譜圖

3.2 起輝電壓和電流變化

本實驗最小能起輝的氣流量是10sccm，以10為起點(diǎn)，每次增大2sccm氬氣，記錄不同氣流量下起輝電壓和電流。不同的氣流量分別記錄10組數(shù)據(jù)，繪制成點(diǎn)線如圖7所示。

圖7 起輝電壓和電流隨氣流量的變化規(guī)律

4 結(jié)論

當(dāng)真空腔體的壓強(qiáng)低到10－5Pa量級時，腔體內(nèi)的微量氣體不足以維持擊穿放電，需要通入氣流量至少為10sccm的氬氣。本文設(shè)計的針板復(fù)合型電極板可以實現(xiàn)超低壓環(huán)境下通微量氬氣放電，起輝電壓低且放電均勻。起輝電壓和電流同時隨工作氣流量的增大而減小；輝光放電形貌隨電壓和氣流量的增大逐漸變大并充滿整個放電區(qū)域；電壓為350V、氣流量為10 sccm、腔體壓強(qiáng)為1.68×10－3Pa時，射頻輝光放電的電子數(shù)密度可達(dá)3.916×10－12cm－3。