微波氫等離子體發(fā)射光譜分析實(shí)驗(yàn)講義

微波氫等離子體發(fā)射光譜分析實(shí)驗(yàn)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(duì)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(wèn)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?lè)ā⒆杩箿y(cè)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(wú)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(cè)對(duì)于研究等離子體中各基團(tuán)的物理一化學(xué)過(guò)程、改進(jìn)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(wú)干擾、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)強(qiáng)度測(cè)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(cè)量等離子體中的電場(chǎng)強(qiáng)度等。在空間和實(shí)驗(yàn)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(duì)象。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行于接近一個(gè)大氣壓下的微波輝光氫等離子體，研究在可見(jiàn)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(shí)驗(yàn)條件的變化。一實(shí)驗(yàn)?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(guò)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(duì)數(shù)據(jù)作圖的基本方法。二實(shí)驗(yàn)儀器及原材料微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置一臺(tái)、WDS-8A多功能光柵光譜儀一臺(tái)、光纜1根、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、高純氫氣一瓶。三實(shí)驗(yàn)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(cè)量?jī)x器。光柵光譜儀是光譜測(cè)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(zhǔn)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(jī)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(huà)出一系列平行、等距的刻線，然后在整個(gè)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(yàn)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(wàn)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(zhǎng)的衍射角和入射角通過(guò)光柵常數(shù)d聯(lián)系起來(lái)，人為入射光波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)次，取0,±1,±2, 等整數(shù)。式中的“±”號(hào)選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側(cè)時(shí)取正號(hào)，在法線兩側(cè)時(shí)取負(fù)號(hào)。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(zhǎng)的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，當(dāng)入射角給定時(shí)，可以由光柵方程導(dǎo)出：d0 m （2）dXdcos0復(fù)色入射光進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測(cè)器記錄該波長(zhǎng)的光強(qiáng)度。光柵G安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，就將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)依次聚焦到出射狹縫上，光電探測(cè)器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長(zhǎng)）時(shí)的輸出光信號(hào)強(qiáng)度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過(guò)輸出狹縫選擇特定的波長(zhǎng)進(jìn)行記錄，稱為光柵單色儀。在使用單色儀時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行掃描是通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)光柵方程可以給出出射波長(zhǎng)和光柵角度之間的關(guān)系（如圖3所示）：2dcosWsin門(mén) （3）X= m其中，n為光柵的旋轉(zhuǎn)角度，牝?yàn)槿肷浣呛脱苌浣侵偷囊话?，?duì)給定的單色儀來(lái)說(shuō)牝?yàn)橐怀?shù)。

微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置本實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)等離子體進(jìn)行診斷分析。例如，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度，A1和A2為躍遷幾率，g］和g2為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，入］和入2為兩條譜線的的中心波長(zhǎng)，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(jì)算等離子體電子溫度時(shí)，選擇波長(zhǎng)、強(qiáng)度和輪廓現(xiàn)狀相似的譜線可e以提高測(cè)量的精度。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光柵光譜儀1、 采用標(biāo)準(zhǔn)光譜燈進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)利用鈉燈的兩根譜線的波長(zhǎng)值(標(biāo)準(zhǔn)值為589.0nm和589.6nm)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)儀器。2、 實(shí)驗(yàn)步驟開(kāi)機(jī)之前，請(qǐng)認(rèn)真檢查光柵光譜儀的各個(gè)部分連線是否正確，保證準(zhǔn)確無(wú)誤。（2） 在儀器系統(tǒng)復(fù)位完畢后，根據(jù)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)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(kāi)電控箱開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)合適的負(fù)高壓。（二） 微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置確認(rèn)裝置冷卻水保護(hù)開(kāi)啟，波導(dǎo)、氣路連接正常；開(kāi)啟總電源，開(kāi)啟磁控管燈絲電源，讓磁控管燈絲預(yù)熱3-5min；打開(kāi)真空泵電源，打開(kāi)隔膜閥抽真空。當(dāng)真空抽至一定程度時(shí)，關(guān)閉隔膜閥粗閥；開(kāi)啟總氣源，通入氫氣，然后通過(guò)氣體浮子流量計(jì)控制氣體流量；打開(kāi)高壓開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)高壓輸出旋鈕，微波功率達(dá)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(shí)驗(yàn)步驟開(kāi)啟光譜儀并設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，然后在不同氣壓下進(jìn)行氫原子的發(fā)射光譜測(cè)量；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先關(guān)閉氣體流量計(jì)；將高壓輸出調(diào)節(jié)至零點(diǎn)后關(guān)閉高壓開(kāi)關(guān)；打開(kāi)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(jì)算等離子體的電子溫度根據(jù)所測(cè)量的氫原子的發(fā)射光譜計(jì)算等離子體的電