梁娟　徐偉　吳智量　郭宏運(yùn)　寧儉　呂金錦

摘 要：在微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）裝置中，氫氣作為鍍膜工藝中重要的參與氣體，對(duì)鍍膜工藝有直接的影響。在微波放電等離子體發(fā)生裝置中激發(fā)氫等離子體，使用高分辨率的多道光譜分析儀實(shí)時(shí)采集Hα譜線，對(duì)譜線的線型分布進(jìn)行微分，得出譜線的能量分布，進(jìn)一步分析氫原子在等離子體中經(jīng)歷的分子過程。結(jié)果顯示，氫原子的能量分布有3個(gè)明顯的能量峰，分別在0.3 eV處、2.5 eV處和3 eV處。其中，0.3 eV處的峰比較強(qiáng)，表明在微波放電等離子體條件下，氫原子發(fā)生的分子過程主要是離解激發(fā)。

關(guān)鍵詞：氫等離子體；離解激發(fā)；線型分析；分子過程

中圖分類號(hào)：O561.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.071

等離子體作為一種由大量微觀粒子組成的熱力學(xué)體系，熱運(yùn)動(dòng)和電磁作用過程共存，描述其性質(zhì)的參量具有一定的復(fù)雜性。氫氣作為微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）制備各種功能薄膜材料的重要參與氣體，研究氫氣的等離子體過程和各種參量顯得尤為重要。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用實(shí)驗(yàn)室配備的DH2004多功能微波等離子體發(fā)生裝置，通過真空泵將反應(yīng)腔抽真空至30 Pa，通入氣體流量為150 mL/min的氫氣，微波源發(fā)出2.45 GHz的微波沿BJ22矩形導(dǎo)管以TE10模式傳輸，到達(dá)微波諧振腔后激勵(lì)氣體放電，形成軸對(duì)稱等離子體球。利用光纖將產(chǎn)生的穩(wěn)定等離子體球的發(fā)射光譜采集到多道光譜儀。實(shí)驗(yàn)采用的多道光譜儀為美國(guó)Andor-ixon公司的多道光譜儀，光柵數(shù)為1 200 l/mm，CCD尺寸為1024×256像素，波長(zhǎng)范圍為190～1 000 nm，分辨率為0.05 nm。

2 光譜線型分析

氫分子與電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離解或電離，不同動(dòng)能的電子與氫分子碰撞會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，同樣，不同的離解或電離過程中所產(chǎn)生的氫原子具有的動(dòng)能也不同。另外，在氫原子與電子的碰撞激發(fā)過程中，動(dòng)能幾乎不變，因此，只要得到氫原子的能量分布，就能推出氫原子的分子過程。

由于處于n=3的激發(fā)態(tài)原子自發(fā)躍遷到n=2能級(jí)所發(fā)射的Hα譜線，其壽命是微秒量級(jí)，所以，氫原子本身的輻射空間是均勻的。

現(xiàn)設(shè)探測(cè)空間中某體積元dτ內(nèi)的中性氫原子密度為n0，則速度在v+dv范圍內(nèi)的粒子數(shù)為：

n（v）=n0f（v）dv. （1）

式（1）中：f（v）為速度分布函數(shù)。

因此，在速度方向上，該體積元發(fā)射偏離中心波長(zhǎng)△λ=vλ0/c的Hα譜線的概率為：

. （2）

式（2）中：ne為該體積元內(nèi)的電子密度；B為譜線分支比。

那么，多道光譜儀采集到的氫等離子體發(fā)射的譜線強(qiáng)度分布為：

. （3）

式（3）中：dτ為探測(cè)空間體積分。

因?yàn)槭剑?）中：

. （4）

而式（4）中：

. （5）

所以，將式（4）和式（5）代入式（3）中，得：

. （6）

由此可以認(rèn)為，每電離一個(gè)氫原子所輻射的Hα光子數(shù)近似恒量，因此，式（6）可以改寫為：

. （7）

式（7）中： .

由此即可變換得出能量分布與譜線的關(guān)系，即：

. （8）

從式（8）中可以看出，多普勒展寬對(duì)線型分布的影響不大。因此，Hα譜線的分布實(shí)際上就是觀察方向上中性氫原子速度分布的線積分的結(jié)果，中性氫原子的能量分布可以直接利用譜線求梯度得到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采集到的Hα譜線線型分布主要是由儀器函數(shù)、觀察方向、光源的空間分布、等離子體的分布和原子、分子過程共同決定的。該實(shí)驗(yàn)中使用的多道光譜儀的儀器函數(shù)是由GY-100型的He-Ne激光器測(cè)得，可以用去卷積的方法從Hα線型儀器函數(shù)中扣除。

如圖1所示，從能量分布圖中可以看出，在0.3 eV處有一個(gè)非常明確而且比較強(qiáng)的峰，在大概2.5 eV和3 eV處，各有一個(gè)相對(duì)比較弱的峰。

R.K.Janev列出了氫分子與電子可能發(fā)生的十幾種分子過程，并且從理論上計(jì)算了這些過程中電子的平均能量損失，以及產(chǎn)生的氫原子或離子的平均動(dòng)能、氫分子與電子直接碰撞離解并能產(chǎn)生中性氫原子的過程有：

對(duì)應(yīng)的電子損失動(dòng)能分別為10.5 eV、15.3 eV、34.6 eV和21.5 eV，而中性氫原子獲得的平均動(dòng)能分別為3 eV、0.3 eV、4.85 eV和2.5 eV。以上過程都是氫分子與電子發(fā)生碰撞激發(fā)到分子態(tài)H2（x），接著直接離解。

因此，在微波放電等離子體條件下，等離子體中發(fā)生的分子過程主要是式（9）、式（10）和式（12），即主要是離解激發(fā)。氫分子通過與高能電子的碰撞先被激發(fā)到激發(fā)分子態(tài)，進(jìn)而直接離解成激發(fā)態(tài)原子和基態(tài)原子。

4 總結(jié)

在多普勒效應(yīng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的前提下，由Hα譜線線型分布可以直接得出氫原子的能量分布，由能量分布特征峰就可以知道氫原子在等離子體中的分子過程。而在微波放電等離子體條件下，氫原子發(fā)生的分子過程主要是離解激發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐偉，萬寶年.氫原子能量分布和分子過程[J].原子與分子物理學(xué)報(bào)，1999，16（2）：141-146.

[2]鄭曉毅.MPCVD裝置中等離子體發(fā)射光譜研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2012.

〔編輯：白潔〕