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1、双层辉光等离子体放电光谱诊断边心超，张跃飞，陈强（北京印刷学院等离子体材料与物理研究室北京大兴102600）摘要：等离子体电子激发温度是等离子体重要参数之一，其研究对材料表面改性过程中的实时监控具有非常重要的意义。本实验以氩气为工作气体，利用发射光谱法对双层辉光放电等离子体参数进行了诊断。气体放电中的光谱发射谱线是与等离子体的电子激发温度有关的，本实验选择了650~800nm范围Ar原子谱线，以玻尔兹曼方程为依据，采用多线——斜率法对等离子体电子激发温度进行了估算。实验中研究了工件电压、源极电压、工作气压等工艺参数对电子激发温度的影响。实验结果表明，对
2、于等离子体参数诊断来说，发射光谱法是一种实时、在线、原位、对体系没有扰动的良好的诊断手段。关键词：电子激发温度；等离子体发射光谱法;双层辉光放电；多线——斜率法Ⅰ前言双层辉光离子渗金属技术，又称为双层辉光等离子表面合金化技术，是在离子氮化技术基础上发展起来的等离子表面冶金技术[1，2]。双层辉光渗金属技术不仅具有渗速快、无污染、节约能源等优点，而且在合金元素的种类、渗层厚度、成分等方面可控，变动范围大,属于绿色环保技术[3，4]。该技术已成功应用于手用锯条、机用锯条、钢板、化工阀门等。近年来又在胶体磨、轴承、轧辊等产品上得到应用[5]。对于双层辉光离子
3、渗金属技术来说，渗层厚度和表面成分梯度是离子渗金属的两个重要的性能参数,他们不仅受许多实验(宏观)条件的影响,而且与放电等离子体中微观参数(如:电子激发温度)有关[6]。为了探讨离子渗金属技术渗入机理,控制等离子体工艺过程,对离子渗金属过程中的等离子体参数诊断是十分必要的。电子激发温度是表征等离子体的一个重要参数,随着等离子体与物质相互作用研究的深入及等离子体在材料处理和制备方面应用的日趋广泛,电子激发温度的诊断显得非常重要。利用光谱诊断技术对等离子体电子激发温度进行分析是目前较为理想的诊断方法,其原理是通过光谱仪得到等离子体的发射光谱,根据光谱辐射强
4、度与等离子体的电子激发温度之间的关系来反映等离子体内部的物理状态及其过程。与其他现有的诊断方法相比,光谱诊断技术具有灵敏度高、无干扰性、光谱信息丰富等优点[7]。本实验以氩气为工作气体，利用发射光谱法对双层辉光放电等离子体电子激发温度进行了诊断。气体放电中的光谱发射谱线是与等离子体的电子激发温度有关的，本实验选择了650~800nm范围内的Ar原子谱线，以玻尔兹曼方程为依据，采用多线——斜率法对等离子体电子激发温度进行了估算，并讨论了电子激发温度与工件电压、源极电压和工作气压之间的关系。Ⅱ实验部分2.1实验装置实验放电装置和实验系统装置图如图1所示。左
5、图为双层辉光放电离子渗金属的实验装置。阴极盒内悬挂有工件和源极两个电极,产生不等电位空心阴极放电；右图为光谱测量装置图。其中,1.真空室底盘,2.真空室,3.阳极,4.阴极盒(长90mm×宽60mm×高60mm),5.源极(W-Mo合金),6.工件(碳钢)距源极为15mm7.Andor光谱仪8.EMCCD9.光纤10.计算机10987图1放电装置和实验系统示意图等离子体光谱诊断系统由光谱仪、EMCCD、光纤和计算机组成。光谱仪采用美国Andor公司500is-sm型三光栅(600g/500nm,1200g/300nm,3600g/uv-vis)光谱仪,
6、可测波长范围190～1000nm,分辨率0.1nm,图像分辨率为1600×400像素,单位像素尺寸为16×16μm。2.2实验原理原子在两个能级之间跃迁发射光子的谱线强度为[8]，(1)其中Nn表示激发能级为n的原子密度,Anm表示从能级n跃迁到能级m的自发跃迁概率,h为普朗克常量,γ为光的频率.在局部热平衡条件下,放电等离子体中电子动能分布应近似满足玻尔兹曼分布规律[9],(2)其中gn、gm、En、Em分别表示上下能级的统计权重和激发能量,Te为等离子体温度.联立式(1),(2)可得:(3)式(3)中:下标1,2分别指第一与第二条谱线;λ是波长，对
7、（3）式取对数得到：以为纵坐标，E为横坐标画出波尔兹曼曲线,然后对曲线进行线性拟合,拟合直线的斜率就是，由此可求得电子激发温度Te。Ⅲ结果与讨论图2为在本底气压为5Pa，工作气压为40Pa，工件电压为800v，源极电压为400v条件下，测得的Ar元素在650~800nm范围内的谱线。图2.650~800nm范围内Ar元素谱线图实验中选择了七条Ar原子谱线，将其数据进行处理，得到电子激发温度。这七条谱线波长分别为675.28，687.13，693.77，737.21，738.40，763.51，794.82nm，其具体参数如表1所示表1Ar原子光谱部分谱
8、线的参数[10]λ/nmA/s-1E/evg675.28687.13693.77737.217
