高气压条件下射频及直流激励的等离子体源特性研究

论文摘要

在大气压及亚大气压条件下放电的等离子体中,粒子间频繁的碰撞直接影响等离子体的功率吸收机制,也易于诱发各种不稳定性。另一方面,高气压条件下放电的等离子体具有较高的气体温度和活性粒子浓度,在材料的快速沉积、高温处理等工艺中呈现出独特的优势和巨大潜力。高气压条件下等离子体源特性及技术研究一直是低温等离子体研究的重要方向。本论文开展了大气压30kW-ICP等离子体炬、大气压ICP微射流、亚大气压直流辉光放电三种高气压条件下等离子体源特性的研究。另外,进行了低气压射频放电等离子体沉积Si-B-N非金属合金材料的初步探索研究。首先,采用中频的2MHz放电,建设了一套大气压下运行的30kW-ICP等离子体炬。热等离子体炬直径达60 mm;观察到输入功率的改变所导致的等离子体E-H模式转换。根据ICP等离子放电的电磁场模型,讨论了放电频率与趋肤深度的关联,不同趋肤深度下放电区域内磁场、电场强度和电流密度分布;分析了E-H模式转换产生的物理机制。利用150MHz甚高频激发毫米尺度大气压ICP等离子体射流,发现外部二次点火触发引起的不可逆放电跳变。在第一次外部触发点火时,等离子体在线圈区域的石英管内产生,向下延伸并从管口喷出,等离子体射流喷出长度随输入电压有明显变化;进行第二次外部触发点火后,等离子体瞬间充满石英管,喷出管口的射流长度随输入电压变化不大,且等离子体变得明亮,射流温度也从近室温上升到500 K以上。这种等离子体放电的跳变被认为是E-H模式转变,是由二次触发时等离子体电子密度瞬间提升所导致。在亚大气压均匀辉光等离子体放电中,采用脉冲运行来增强稳定性。研究了放电过程中脉冲占空比特性,发现在1.7 kHz频率下,脉冲上升阶段电压与电流波形明显不同。电压经过10-20微秒上升至稳定状态。伴随着电压上升,电流先是快速地增长,然后在电压稳定后转变为缓慢地增长。整个电流增长过程需要的时间长达100-200微秒,呈现出明显的滞后。随着占空比降低,电流增长的时间常数τ几乎线性增加,意味着电流增长过程进行得越缓慢。这是因为占空比越低,脉冲上升阶段的开始时刻等离子体电子密度衰减到越低的水平,放电电流需要更长时间才能增长到稳定值。维持平均电流不变的情况下,降低占空比需要增加放电电压,使得放电功率提高。当继续减小占空比,电子密度ne衰减得过低,这使得时间常数τ更大,放电的重新激发变得更困难,放电表现出不稳定乃至熄灭。最后,利用射频等离子体气相沉积技术开展了在铁基材料表面沉积Si-B-N合金的探索研究。显微硬度和纳米压痕测试表明,经过等离子体合金薄膜沉积后,不锈钢表面硬度显著提高。在摩擦磨损测试中发现表面合金的高硬度和自润滑性质使样品的耐磨性得到明显提升。进一步的X射线光电子能谱分析显示,膜层表面主要由Si、B、N、O四种元素构成。表面的高硬度来自于非金属元素间较强的共价键,这与红外光谱测试的结果相一致。通过截面的扫描电镜观察、EDS能谱测试以及辉光放电光谱逐层元素分析,发现在合金薄膜生长过程中形成了“非金属-过渡层-金属”的界面结构。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨宽

导师: 朱晓东

关键词: 高气压,等离子体放电,模式

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O53

总页数: 125

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