長位型低頻冷等離子體實驗與模擬研究.pdf

1、等離子體的性質(zhì)不僅與等離子體的激發(fā)方式有關(guān)，而且受到電極位型、結(jié)構(gòu)與材料等的影響。另一方面，針對不同應(yīng)用工藝的一些非常規(guī)位型等離子體源，由于位型的特殊性，給等離子體特性研究帶來一定難度，而對等離子體特性的研究是理解放電機理和進一步優(yōu)化設(shè)計所必需的。 論文在寬氣壓范圍內(nèi)對長位型和微離子體源展開研究。從實驗和數(shù)值模擬兩方面，重點研究了低氣壓長位型冷等離子體源放電物理機制；研發(fā)了大氣壓條件下點位型和長位型二種射流冷等離子體源；初步研究

2、了這些非常規(guī)位型的等離子體源在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。 低頻低氣壓長位型冷等離子體的放電位型比較特殊，診斷起來有一定的難度，目前對放電機理的研究還不夠。論文采用圓柱非對稱雙探針對低頻低氣壓長位型冷等離子體進行診斷研究。診斷結(jié)果表明：氬氣為工作氣體，氣壓為50Pa，電源頻率為10KHz的典型放電條件下，長位型等離子體存在著大量的高能電子導致其電子速度分布函數(shù)(EEDF)偏離Maxwellian分布。探針的空間分辨測量還表明長位型等離子體

3、在功率電極附近有相對較高的電子溫度和密度，而地電極附近的電子溫度和密度與體等離子體相似。 改變放電電壓對功率電極附近的電子溫度和密度影響很大，但對遠離功率電極的等離子體影響不明顯；頻率小范圍的改變不影響放電機理，從而對實驗所測量的各個位置等離子體的電子溫度影響不大；當功率電極加上玻璃介質(zhì)之后，電子溫度明顯提高了：氬氣放電中加入氫氣，只有當氫氣含量達到一定比例時，電子溫度會隨氫含量的增加而迅速提高，電子密度下降的很快。發(fā)射光譜(O

4、ES)的診斷結(jié)果與探針結(jié)果相吻合。 計算機模擬結(jié)果進一步解釋了實驗結(jié)果，二維流體模型結(jié)合Monte Carlo方法得到的結(jié)果顯示：長位型等離子體在功率電極附近有較強的電場，導致氣體的電離主要集中在功率電極附近，從而正負半周期的電場強度變化不對稱；隨著功率電極尺寸的增加，氣體在兩電極附近的電離率逐漸趨向?qū)ΨQ。 利用低頻長位型冷等離子體在低氣壓下沉積出來的類二氧化硅薄膜，有機含量較少，而且表面平整不含大顆粒，改變原材料氣體(

5、HMDSO)的含量對薄膜的質(zhì)量影響不大。 設(shè)計并制造了大氣壓條件下主體結(jié)構(gòu)可彎曲的微射流冷等離子體產(chǎn)生裝置。該裝置采用針狀對孔狀電極結(jié)構(gòu)，放電頻率為1KHz，主體部分采用柔軟的材料。該裝置的功耗較低，典型的積分功率只有0.7W左右，在不需要高氣壓工作氣體產(chǎn)生高速氣流的情況下，可以產(chǎn)生長達5cm的氮射流等離子體。接近室溫的射流等離子體可以處理熱敏感性材料，柔軟的主體部分可以深入狹窄彎曲的半封閉空間中工作。利用OES測量射流等離子體

6、中的各種活性粒子，測量結(jié)果顯示射流等離子體中富含各種激發(fā)或電離態(tài)的活性成份，但是這些活性粒子在開放大氣中衰減很快。 在微射流冷等離子體產(chǎn)生裝置的基礎(chǔ)上，研制了大氣壓長位型射流冷等離子體產(chǎn)生裝置。該裝置橫向長度達32mm，產(chǎn)生的射流等離子體氣體溫度接近室溫，并且橫向溫度分布均勻，可以直接接觸人體皮膚。此外，該裝置采用懸空電極結(jié)構(gòu)，可以在不影響射流冷等離子體橫向均勻性的情況下，方便地調(diào)節(jié)放電功率。長位型射流冷等離子體含有大量的活性粒