微波氫等離子體發(fā)射光譜分析實驗講義

微波氫等離子體發(fā)射光譜分析實驗背景等離子體是一種由大量離化的粒子組成并呈現(xiàn)電中性的熱力學(xué)體系。對等離子體性能的研究能夠從純科學(xué)的角度為研究自然空間和大氣現(xiàn)象提供重要的依據(jù)，也為涉及等離子體發(fā)展應(yīng)用中遇到的技術(shù)問題提供解答。等離子體的診斷可以分為接觸式和非接觸式，接觸式診斷方法主要包括Langmuir探針法、阻抗測量法等，一般用于大范圍均勻分布等離子體的診斷；非接觸式診斷方法主要包括微波透射法、光譜法等，一般用于小尺寸等離子體的診斷。微波氫等離子體由于采用無極放電方式，在高質(zhì)量光學(xué)金剛石膜、金剛石同質(zhì)外延等方面有廣泛的應(yīng)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一化學(xué)過程、改進薄膜沉積工藝具有重要意義。發(fā)射光譜診斷技術(shù)具有無干擾、靈敏度高等優(yōu)點，其原理是基于電磁輻射與物質(zhì)的相互作用，是研究等離子體狀態(tài)和性能較為理想的診斷方法，如利用氫原子發(fā)射光譜的相對強度測量等離子體中的電子參數(shù)，利用氫原子發(fā)射光譜的展寬測量等離子體中的電場強度等。在空間和實驗室等離子體物理的研究中，氫等離子體Balmer線系是重要的研究對象。在實驗室條件下，Balmer線系主要研究Ha、Hp和H三條譜線，他們分別是主量子數(shù)n=3、4、5向n=2的躍遷，表1為上述三條譜線的相關(guān)參數(shù)。'Y表1Balmer線系的常數(shù)BalmerseriesWavelength(nm)TransitionCoefficient(餌1)WeighingofupperlevelExcitationenergies(eV)Ha(3—2)656.2844.101812.0875Hp(4一2)486.138.4193212.7485H..(5一2)434.052.5305013.0545本實驗利用壓縮波導(dǎo)反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)和熱輔助激發(fā)的方式產(chǎn)生了可穩(wěn)定運行于接近一個大氣壓下的微波輝光氫等離子體，研究在可見光區(qū)范圍內(nèi)的氫等離子體發(fā)射光譜中氫原子的Balmer線系的譜線以及譜線隨實驗條件的變化。一實驗?zāi)康睦斫馕⒉涞入x子體的激發(fā)原理和原子發(fā)射光譜的形成過程。掌握微波等離子體及光柵光譜儀的工作原理與使用方法。掌握使用Origin軟件對數(shù)據(jù)作圖的基本方法。二實驗儀器及原材料微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置一臺、WDS-8A多功能光柵光譜儀一臺、光纜1根、計算機一臺、高純氫氣一瓶。三實驗原理多功能光柵光譜儀1.1WDS-8A多功能光柵光譜儀圖1光柵光譜儀裝置示意圖1.2光柵光譜儀的工作原理光柵光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中最常用的儀器，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由入射狹縫S「準直球面反射鏡M「光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構(gòu)成。圖2光柵光譜儀內(nèi)部基本機構(gòu)示意圖衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件。它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通?？叹€密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。入射光經(jīng)光柵衍射后，相鄰刻線產(chǎn)生的光程差A(yù)s=d（sina±sin0），a為入射角，。為衍射角，則可導(dǎo)出光柵方程：d（sina±sin0）=m人 （1）光柵方程將某波長的衍射角和入射角通過光柵常數(shù)d聯(lián)系起來，人為入射光波長，m為衍射級次，取0,±1,±2, 等整數(shù)。式中的“±”號選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側(cè)時取正號，在法線兩側(cè)時取負號。如果入射光為正入射a=0，光柵方程變?yōu)閐sin0=m人。衍射角度隨波長的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，當入射角給定時，可以由光柵方程導(dǎo)出：d0 m （2）dXdcos0復(fù)色入射光進入狹縫S1后，經(jīng)M1變成復(fù)色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度。光柵G安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進行記錄，稱為光柵單色儀。在使用單色儀時，對波長進行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關(guān)系（如圖3所示）：2dcosWsin門 （3）X= m其中，n為光柵的旋轉(zhuǎn)角度，牝為入射角和衍射角之和的一半，對給定的單色儀來說牝為一常數(shù)。

微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置本實驗采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置作為激發(fā)光源，具有設(shè)備簡單、成本低、操作簡便等優(yōu)點。裝置示意圖如圖4所示：圖4微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置示意圖等離子體發(fā)射光譜可以對等離子體進行診斷分析。例如，通過實驗測定出同種原子或離子的兩條光譜線，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)(TE)或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)下，，同種原子的兩條不同的譜線的強度滿足以下的關(guān)系式：(1)E-E—1(1)kTe式中I］和I2分別代表兩條譜線的發(fā)射光譜強度，A1和A2為躍遷幾率，g］和g2為統(tǒng)計權(quán)重，入］和入2為兩條譜線的的中心波長，E］和E2為兩條譜線的激發(fā)態(tài)能量，k為Boltzmann常數(shù)(=1.38X10-23J?K-1)，T等離子體的電子溫度。采用該種方法計算等離子體電子溫度時，選擇波長、強度和輪廓現(xiàn)狀相似的譜線可e以提高測量的精度。四實驗內(nèi)容光柵光譜儀1、 采用標準光譜燈進行波長校準利用鈉燈的兩根譜線的波長值(標準值為589.0nm和589.6nm)來進行校準儀器。2、 實驗步驟開機之前，請認真檢查光柵光譜儀的各個部分連線是否正確，保證準確無誤。（2） 在儀器系統(tǒng)復(fù)位完畢后，根據(jù)測試和實驗的要求分別調(diào)節(jié)入射（出射）狹縫寬度到合適的寬度。（3） 打開電控箱開關(guān)，調(diào)節(jié)合適的負高壓。（二） 微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置確認裝置冷卻水保護開啟，波導(dǎo)、氣路連接正常；開啟總電源，開啟磁控管燈絲電源，讓磁控管燈絲預(yù)熱3-5min；打開真空泵電源，打開隔膜閥抽真空。當真空抽至一定程度時，關(guān)閉隔膜閥粗閥；開啟總氣源，通入氫氣，然后通過氣體浮子流量計控制氣體流量；打開高壓開關(guān)，調(diào)節(jié)高壓輸出旋鈕，微波功率達到一定要求后調(diào)節(jié)短路活塞、三銷釘阻抗匹配器，使等離子自激發(fā)并維持穩(wěn)定工作；按照多功能光柵光譜儀的實驗步驟開啟光譜儀并設(shè)置好實驗參數(shù)，然后在不同氣壓下進行氫原子的發(fā)射光譜測量；實驗結(jié)束時，先關(guān)閉氣體流量計；將高壓輸出調(diào)節(jié)至零點后關(guān)閉高壓開關(guān)；打開隔膜閥粗閥抽真空；關(guān)閉真空泵電源，關(guān)閉總電源，關(guān)閉總氣源，關(guān)閉冷卻水，最后將真空放空。（三） 計算等離子體的電子溫度根據(jù)所測量的氫原子的發(fā)射光譜計算等離子體的電