微波氢等离子体发射光谱分析实验讲义

微波氢等离子体发射光谱分析
实验背景
等离子体是一种由大量离化的粒子组成并呈现电中性的热力学体系。

对等离子体性能的研究能够从纯科学的角度为研究自然空间和大气现象提供重要的依据，也为涉及等离子体发展应用中遇到的技术问题提供解答。

等离子体的诊断可以分为接触式和非接触式，接触式诊断方法主要包括Langmuir探针法、阻抗测量法等，一般用于大范围均匀分布等离子体的诊断；非接触式诊断方法主要包括微波透射法、光谱法等，一般用于小尺寸等离子体的诊断。

微波氢等离子体由于采用无极放电方式，在高质量光学金刚石膜、金刚石同质外延等方面有广泛的应用。

氢等离子体的原位在线检测对于研究等离子体中各基团的物理—化学过程、改进薄膜沉积工艺具有重要意义。

发射光谱诊断技术具有无干扰、灵敏度高等优点，其原理是基于电磁辐射与物质的相互作用，是研究等离子体状态和性能较为理想的诊断方法，如利用氢原子发射光谱的相对强度测量等离子体中的电子参数，利用氢原子发射光谱的展宽测量等离子体中的电场强度等。

在空间和实验室等离子体物理的研究中，氢等离子体Balmer线系是重要的研究对象。

在实验室条件下，Balmer线系主要研究Hα、Hβ和Hγ三条谱线，他们分别是主量子数n=3、4、5向n=2的跃迁，表1为上述三条谱线的相关参数。

表1 Balmer线系的常数
Balmer series Wavelength
(nm)
Transition
Coefficient(μs-1)
Weighing of
upper level
Excitation
energies(eV)
Hα(3→2)656.28 44.10 18 12.0875
Hβ(4→2) 486.13 8.419 32 12.7485
Hγ(5→2) 434.05 2.530 50 13.0545
本实验利用压缩波导反应腔结构和热辅助激发的方式产生了可稳定运行于接近一个大气压下的微波辉光氢等离子体，研究在可见光区范围内的氢等离子体发射光谱中氢原子的Balmer线系的谱线以及谱线随实验条件的变化。

一实验目的
1.理解微波氢等离子体的激发原理和原子发射光谱的形成过程。

2.掌握微波等离子体及光栅光谱仪的工作原理与使用方法。

3.掌握使用Origin软件对数据作图的基本方法。

二实验仪器及原材料
微波等离子体化学气相沉积装置一台、WDS-8A多功能光栅光谱仪一台、光缆1根、计算机一台、高纯氢气一瓶。

三实验原理
1. 多功能光栅光谱仪
1.1 WDS-8A多功能光栅光谱仪
图1 光栅光谱仪装置示意图
1.2 光栅光谱仪的工作原理
光栅光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。

光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图2所示。

它由入射狭缝S 1、准直球面反射镜M 1、光栅G 、聚焦球面反射镜M 2以及输出狭缝S 2构成。

图2 光栅光谱仪内部基本机构示意图
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。

它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。

相邻刻线的间距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。

入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差()βαsin sin ±=d s Δ，α为入射角，β为衍射角，则可导出光栅方程：
()λβαm d =±sin sin （1）
光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来，λ为入射光波长，m 为衍射级次，取
,2,1,0±±等整数。

式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧
时取负号。

如果入射光为正入射α=0，光栅方程变为λβm d =sin 。

衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出：
β
λ
β
c o s
d m d d =
（2）
复色入射光进入狭缝S 1后，经M 1变成复色平行光照射到光栅G 上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M 2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S 2上，再由S 2后面的电光探测器记录该波长的光强度。

光栅G 安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。

这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。

在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。

通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图3所示）：
m
d ηψλsin cos 2=
（3）
其中，η为光栅的旋转角度，ψ为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说ψ为一常数。

2. 微波等离子体化学气相沉积装置
本实验采用微波等离子体化学气相沉积装置作为激发光源，具有设备简单、成本低、操作简便等优点。

装置示意图如图4所示：
图4 微波等离子体化学气相沉积装置示意图
等离子体发射光谱可以对等离子体进行诊断分析。

例如，通过实验测定出同种原子或离子的两条光谱线，在热力学平衡状态(TE)或局部热力学平衡状态(LTE)下，，同种原子的两条不同的谱线的强度满足以下的关系式：
⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=
e 21
1222
112
1kT E -E exp g A g A I I λλ （1）
式中I 1和I 2分别代表两条谱线的发射光谱强度，A 1和A 2为跃迁几率，g 1和g 2为统计权重， λ1和λ2
为两条谱线的的中心波长，E 1和E 2为两条谱线的激发态能量，k 为Boltzmann 常数（=1.38×10-23J ·K -1），T e 等离子体的电子温度。

采用该种方法计算等离子体电子温度时，选择波长、强度和轮廓现状相似的谱线可以提高测量的精度。

四 实验内容
（一）光栅光谱仪
1、采用标准光谱灯进行波长校准
利用钠灯的两根谱线的波长值（标准值为589.0nm 和589.6nm ）来进行校准仪器。

2、实验步骤
（1）开机之前，请认真检查光栅光谱仪的各个部分连线是否正确，保证准确无误。

（2）在仪器系统复位完毕后，根据测试和实验的要求分别调节入射（出射）狭缝宽度到合适的宽度。

（3）打开电控箱开关，调节合适的负高压。

（二）微波等离子体化学气相沉积装置
1. 确认装置冷却水保护开启，波导、气路连接正常；
2. 开启总电源，开启磁控管灯丝电源，让磁控管灯丝预热3-5min；
3. 打开真空泵电源，打开隔膜阀抽真空。

当真空抽至一定程度时，关闭隔膜阀粗阀；
4. 开启总气源，通入氢气，然后通过气体浮子流量计控制气体流量；
5. 打开高压开关，调节高压输出旋钮，微波功率达到一定要求后调节短路活塞、三销钉阻抗匹配器，使等离子自激发并维持稳定工作；
6. 按照多功能光栅光谱仪的实验步骤开启光谱仪并设置好实验参数，然后在不同气压下进行氢原子的发射光谱测量；
7. 实验结束时，先关闭气体流量计；
8. 将高压输出调节至零点后关闭高压开关；
9. 打开隔膜阀粗阀抽真空；
10. 关闭真空泵电源，关闭总电源，关闭总气源，关闭冷却水，最后将真空放空。

（三）计算等离子体的电子温度
1. 根据所测量的氢原子的发射光谱计算等离子体的电子激发温度Te，
2. 改变实验条件（气压、功率、基片台高度、气体流量等），测量微波氢等离子体内部粒子的浓度的变化以及电子激发温度的变化。

五思考题
1、原子发射光谱并非严格单色的线状谱，具有一定宽度和轮廓，引起谱线变宽的原因主要有哪些形式？
2、等离子体光谱诊断的方法有哪些？简述一下这些方法的特点或优势。