同轴空心阴极氦等离子体的电子激发温度研究

刘耀泽， 袁承勋， 高瑞林， 贾洁姝， 周忠祥

(哈尔滨工业大学 物理系， 黑龙江 哈尔滨 150001)



同轴空心阴极氦等离子体的电子激发温度研究

刘耀泽， 袁承勋*， 高瑞林， 贾洁姝， 周忠祥

(哈尔滨工业大学 物理系， 黑龙江 哈尔滨 150001)

利用同轴空心阴极放电装置，产生氦低温等离子体。通过对等离子体的发射光谱进行测量和计算，研究放电功率以及氦气压强对等离子体的电子激发温度的影响。结果表明：氦低温等离子体的发射光谱主要由连续谱和原子谱线构成，放电功率和压强对谱线的强度具有明显影响。压强的变化不仅影响电子从电场中获得的能量，还会影响电子与原子的碰撞频率，从而导致电子激发温度随着氦气压强的增大，出现先上升后下降的变化趋势。

氦气放电； 等离子体； 发射光谱； 电子激发温度

1 引 言

低温等离子体中电子温度较高，但是重粒子温度很低，整个体系能呈现低温状态，在工业中的材料表面改性和杀菌、臭氧产生、环境保护以及农业育种等方面[1-7]有着巨大的应用前景。在科学与军事领域，它作为一种相对容易获得的等离子体环境，为尘埃等离子体研究、电磁波与等离子体相互作用[8]以及其他重要研究课题提供了基础条件。对等离子体相关课题进行研究，首先需要的是对其基本特性和物理参数进行深入的了解。目前的等离子体诊断方法主要有静电探针法、光谱法和Thomson散射法等[9]。探针式的测量手段需要侵入等离子体中[10]，对环境产生干扰，使用上也会受到等离子体密度、压强等因素的限制。相比之下，发射光谱法作为一种非侵入的测量手段[11]，不会对等离子体产生影响，因而可以适用于更多不同条件下的研究。

近年来，氩气放电等离子体的特性得到较深入的研究。孙成琪等[12]通过测量光谱，研究了大气热喷涂氩等离子体射流中的电子温度和电子密度；董丽芳等[13]利用交流空心针-板放电装置，通过对电子激发温度的分析讨论了等离子体放电的发展速度；刘卫国等[14]结合Langmuir单探针与发射光谱法，讨论了等离子体温度随电源功率的变化。作为一种能够稳定产生低温等离子体的放电方式，同轴空心阴极放电产生的等离子体吸引了科研人员的兴趣。吴明忠等[15]探究了氩气气氛下工作气压、脉冲电压和频率等参数对笼网型空心阴极放电特性的影响；许建平等[16]使用射频空心阴极放电装置研究了多种放电条件下氩等离子体的光谱；何寿杰[17]利用流体-亚稳态原子传输模型模拟研究了槽型空心阴极放电等离子体参数的时空分布特性。与氩等离子体相比，氦气放电等离子体由于存在氦气电离能高，谱线特征不丰富等困难，并未得到较多的研究。但初步实验表明，我们采用的同轴空心阴极装置能够在较高的气压下(1 000 Pa)放电，并且可以模拟更宽密度和压强范围内稳定的等离子体环境。

本文采用发射光谱法，对不同放电功率、放电压强下的氦低温等离子体的电子激发温度进行了测量和计算，并讨论了其变化的关系。

2 实 验

实验使用同轴空心阴极系统产生等离子体，其真空放电腔截面如图1所示。直径为35 cm的外环电极接等离子体电源、直径40 cm的金属外壁和直径29 cm的内环电极同时接地，电极上均匀分布直径为1 cm的圆孔，使气体放电产生的等离子体扩散到放电腔室的中心区域，产生一个尺寸较大且稳定均匀的等离子体区域。

Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the glow discharge device

实验时首先将放电腔抽成真空(0.1 Pa以下)，然后通入不同压强的氦气，并在不同的放电功率下产生等离子体。使用经过卤钨灯进行波长校准过的海洋光学USB2000-UV-VIS光纤光谱仪采集等离子体的发射光谱。

3 结果与讨论

3.1 氦低温等离子体光谱

图2所示为不同放电条件下的氦等离子体光谱。可以看出，在300～800 nm的波长范围内，低气压氦气放电等离子体光谱中的谱线主要由原子光谱构成(即HeⅠ)，没有观测到明显的一次及二次离子电离的谱线，且跃迁集中于1s2s→1s3p、1s2p→3s、1s2p→1s3d、1s2p→3s4d能级之间。对比图2(a)～(d)能够发现，当放电的功率与氦气压强改变时，未观测到明显的线移，但是发生了明显的谱线强度变化。

3.2 不同放电功率下电子激发温度

采用玻尔兹曼曲线斜率法计算等离子体的电子激发温度，其具体计算方法可从文献[10]中查阅得到。本文在氦气放电低温等离子体的发射光谱中选出了激发能不同的5条谱线进行了电子激发温度的计算，其谱线参数如表1所示。

图2 不同放电条件下的氦等离子体光谱。(a) 75 Pa，1 200 W； (b) 75 Pa，1 800 W； (c) 15 Pa，2 000 W； (d) 45 Pa，2 000 W。

Fig.2 Emission spectra of helium discharge in the range of 300-800 nm. (a) 75 Pa, 1 200 W. (b) 75 Pa, 1 800 W. (c) 15 Pa, 2 000 W. (d) 45 Pa, 2 000 W.

表1 氦谱线参数

图3显示了等离子体电子温度在氦气压强为75 Pa时随放电功率的变化趋势。随着放电功率从1 200 W开始逐渐增加，电子激发温度从5 566.4 K缓慢地在1 400 W时增加到5 596.9 W，然后开始以较快的幅度在2 000 W时增加到5 855.3 K。其原因是由于真空腔中放电功率的增加而压强维持不变，电子获得的平均动能也会增大，进而加剧了其与原子的碰撞，即促进了碰撞激发过程。但是，尽管放电功率呈线性增加，由于在电场中电子的迁移速度远远大于离子的迁移速度，阴极附近会出现正的空间电荷的积累。在相同的时间内，为了保证到达阳极的电子数和到达阴极的离子数相同，靠近阳极处的电子浓度必定小于阴极附近的离子浓度，整个放电空间表现为正的空间电荷效应，并导致电场的畸变，电场强度的变化不是线性的。所以，电子从电场中获得的能量也不会随放电功率增加而完全线性增加，这在一定程度上解释了电子激发温度随放电功率变化的趋势。

Fig.3 Changes of electron excitation temperature with the discharge power at the pressure of 75 Pa

3.3 不同氦气压强下电子激发温度研究

在放电功率较大时，氦低温等离子体的产生过程较为稳定。考虑到应尽可能地获得较宽的产生等离子体的氦气压强范围，我们设定功率为2 000 W，调节氦气气压在15～75 Pa的区间逐渐增大，通过其等离子体的发射光谱计算其电子激发温度。

图4给出了电子激发温度随氦气压强的变化关系图。结果表明，在放电功率为2 000 W时，等离子体的电子激发温度由在15 Pa下的5 203.7 K以较快的速度增加到25 Pa下的5 512.5 K和35 Pa下的5 732.4 K，然后其随压强增大而增加的速度有所减缓，在氦气压强为55 Pa时达到最高值5 941.3 K，接着开始随压强的增大而缓慢降低，在氦气压强为75 Pa时降至5 855.3 K。

Fig.4 Changes of electron excitation temperature with the pressure of helium under the discharge power of 2 000 W

在等离子体中，电子激发温度与处于激发态的原子的数目在全部原子中的占比正相关。考虑原子的激发过程，在这里忽略自发辐射跃迁的影响，而只从碰撞激发角度入手，对氦低温等离子体内部的原子受激情况进行分析。气压对这一过程的影响主要体现在两个方面： 首先是电子与基态原子的碰撞频率，它与气压成正比；其次是每进行一次碰撞电子从电场中获得的能量，它与电子自由程有关，与气压成反比。综合考虑这两个相互制约的因素，在放电功率恒定时，应该存在某一气压值使原子被激发较强。下面将估算这一气压的值。

将理想气体状态方程带入电子与气体分子或原子碰撞的平均自由程的表达式中，得到平均自由程：

(1)

当电子与原子碰撞时，如果恰好使其激发，则有：

eEx=eVi, x=Vi/E，

(2)

(3)

带入各常数的值，取气体温度为400 K，氦原子半径为122 pm，激发能为20.6 eV，电场强度为10 000 V/m，做出的激发系数关于氦气气压P的曲线如图5所示。

从计算得到的激发系数关于氦气压强变化的曲线上看，在放电功率恒定时，随着压强从0 Pa开始增加，氦原子被激发的程度逐渐增强。在压强为60 Pa附近，原子被激发的程度最高，然后随压强急速增加而缓慢降低。这与通过发射光谱法测得的电子激发温度随氦气压强的变化趋势基本一致。考虑到计算采用的模型较为简单，例如实际空间电荷场的存在会使电场强度减小，由式(3)可知，此时氦原子激发系数最大时对应的压强会比目前计算得到的60 Pa进一步减小，这一点也同图(4)中最高值出现在55 Pa的测量结果相符。这表明在氦气放电产生等离子体过程中，可以通过选择合适的压强控制原子激发反应的剧烈程度。

4 结 论

本文利用同轴空心阴极放电装置产生较大尺寸的氦气等离子体，并采用发射光谱法对等离子体进行分析。结果表明，该装置产生的等离子体的谱线主要由氦原子光谱组成，未检测到氦离子光谱，在改变放电条件时，谱线仅发生了强度变化。采用玻尔兹曼曲线斜率法计算了等离子体的电子激发温度。研究发现，保持氦气压强不变，电子激发温度随放电功率的增加而显著上升。这主要与电子在电场中获得的能量多少有关。控制放电功率不变，电子激发温度随氦气压强的增加先上升后减小，在55 Pa时达到最大值，这主要是由碰撞频率以及电子在电场中获得能量的变化共同导致的。

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刘耀泽(1991-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，2014年于哈尔滨工业大学获得学士学位，主要从事等离子体光谱诊断方面的研究。

E-mail: 563552171@qq.com袁承勋(1981-)，男，山东高密人，博士，副教授，2011年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事等离子体物理、电磁波和等离子体相互作用、等离子体光谱诊断等方面的研究。

E-mail: yuancx@hit.edu.cn

Investigation of Electron Excitation Temperature of Helium Plasma in Coaxial Hollow Cathode Discharge

LIU Yao-ze， YUAN Cheng-xun*， GAO Rui-lin, JIA Jie-shu, ZHOU Zhong-xiang

(PhysicsDepartment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:yuancx@hit.edu.cn

Low temperature helium plasma was generated using the coaxial hollow cathode configuration. In order to study the impact of the discharge power as well as the pressure of helium on the electron excitation temperature of plasma, calculation was performed based on the emission spectra data of plasma under different discharge conditions acquired by fiber optic spectrometer. The variation of electron excitation temperature was analyzed in relation to different experimental parameters. The results demonstrate that the emission spectra of low temperature helium plasma are comprised of continuum emission and the atomic spectrum of helium. The intensity of spectral lines change dramatically under different discharge conditions, although no visible shift of lines is observed. The electron excitation temperature increases almost linearly with the discharge power, rising from 5 566.4 K to 5 855.3 K, which is mainly owing to the growing acquisition of energy from the electric field. With the growth of helium pressure, the electron excitation temperature increases gradually from 5 203.7 K at 15 Pa to 5 941.3 K at 55 Pa, before decreasing slowly to 5 855.3 K at 75 Pa. This is because that the pressure will not only affect the averaged energy of the electrons gained in the electric field, but also the collision frequency between electrons and He atoms. By selecting proper discharge parameters of the coaxial hollow cathode system, the electron excitation temperature of helium plasma can be controlled.

helium discharge; plasma; emission spectrum; electron excitation temperature

1000-7032(2016)10-1299-06

2016-04-29；

2016-06-13

国家自然科学基金(61205093)； 中央高校基本科研业务费专项基金(Hit.MKSTISP.2016 11)资助项目

O432.1+1

A

10.3788/fgxb20163710.1299