论文部分内容阅读
金属蒸汽真空弧源(metalvaporvacuumarcionsource,MEVVA)是上世纪80年代发展起来的一种新型金属离子源。由于其具有产生离子种类多,引出离子束流强,能产生多电荷态离子,引出离子纯度高,可采用大面积引出系统以获得大面积束斑等优异性能,已经在离子注入、优质薄膜制备等材料表面改性领域得到了广泛的应用。作为一种非介入式诊断手段,发射光谱法所需的仪器系统相对简单,环境要求低,灵活且不干扰等离子体内部状态;对不同尺寸、均匀或非均匀等离子体都可进行精确诊断;可以获得诸如等离子体的成分及其分布、电子密度、电子温度、离子密度、离子温度和磁场分布等重要数据。本文采用原子发射光谱的诊断方法,对MEVVA离子源生成金属等离子体的元素及电荷态、温度、粒子密度等诸多参数进行诊断,并对等离子体参数随离子源工作条件的变化情况进行了分析。具体工作和研究结果如下: 在对原子发射光谱诊断的原理及其最新进展的深入调研的基础上,在现有的Saha-Boltzmann方法的基础上探索了一种更为详细的对等离子体参数进行诊断的方法。 在实验室现有的条件下,搭建起对MEVVA离子源生成金属等离子体的发射光谱进行采集的实验平台。采用光栅光谱仪对MEVVA离子源生成的Cr、Al、Cu、Ni和Ti等离子体的发射光谱进行采集。在LTE状态的假设下对光谱数据进行分析,结果显示:MEVVA离子源生成金属等离子体的发射谱线主要是原子、一价离子和二价离子等中性或低价态粒子的发射谱线,同时还存在一些空气元素、铁元素以及杂质的谱线;电子温度保持在1.535～2.145eV的范围内变化,与真空电弧生成等离子体的典型电子温度:3*104K(1～6eV)基本一致;电子密度、原子密度、一价离子密度在1024～1025m-3的范围内变化,与原子电离平衡常数保持相同的数量级,说明实验中光谱仪接收到的发射光谱信号是由距离阴极表面很近处的没有充分扩散的稠密等离子体辐射的;二价离子密度在1021～1023m-3的范围内变化,与一价离子电离平衡常数保持相同的数量级;原子电离度维持在10-1的数量级上,一价离子电离度在10-4到10-3的数量级内变化。结合电子温度、离子温度和电子密度对等离子体LTE状态的假设进行验证,结果显示:由于电子、离子温度相差太大,Cr、Al和Cu等离子体不满足LTE状态;但Ni和Ti等离子体处于LTE状态,采用原子发射光谱法对其参数的诊断是有效的。 对等离子体参数随MEVVA离子源工作条件的变化情况的分析显示:随着MEVVA离子源工作弧压的升高,Ni等离子体和Ti等离子体始终处于局域平衡状态(LTE),其电子温度、离子温度、电子密度、一价离子密度和二价离子密度均升高。电子温度是等离子体一个非常重要的参数,等离子体的粒子密度和电离度均受其影响,粒子密度和温度呈指数关系,原子电离度随温度升高而降低,一价离子电离度随温度升高而升高。