大氣壓射頻均勻輝光放電的條件

2015-03-22 李 森 上海出版傳媒研究院上海出版印刷高等?茖W校

  大氣壓放電應用在很多領域時,其放電的均勻性顯得十分重要。本文通過實驗得出影響大氣壓射頻放電的均勻性的條件。實驗中研究的影響因素有介質阻擋、放電電壓、放電氣體組成以及放電間隙。實驗采用單反照相機以及ICCD照相機對放電進行拍照,觀察不同參數放電下的放電模式。通過放電現象發現對維持大面積均勻輝光放電影響最大的因素是采用介質阻擋和放電氣體的組成,影響較小的是放電電壓。放電間隙在可維持放電的間隙范圍內對放電模式影響很小。實驗得出,改變這些條件會使均勻輝光放電中出現放電絲,或完全轉變為絲狀放電甚至熄滅。

  氣體放電是產生等離子體的一種最重要途徑,它在薄膜生長和材料表面改性等方面有廣泛的應用。然而大部分氣體放電都是在低氣壓下進行的,要將等離子體工藝應用于大規模的生產中,低氣壓等離子體還存在不少致命缺陷:放電必須在封閉的低壓空間中維持,因而設備成本、維護成本以及時間成本很高。顯然,大氣壓下的低溫等離子體更適合工業生產。為了對材料能夠進行均勻的處理,人們希望獲得均勻的大氣壓等離子體輝光放電,而非絲狀放電。自從日本的Okazak等在1988年報道了在大氣壓條件獲得的惰性氣體的穩定輝光放電,各國在這個課題上開展了更多的研究工作。Michael G Kong等對大氣壓射頻介質阻擋放電的模式轉換和放電機理進行了大量研究工作。國內董麗芳等對大氣壓中頻介質阻擋放電的斑圖進行了研究,張增輝等對大氣壓介質阻擋輝光放電進行了仿真研究。目前,采用射頻介質阻擋被認為是獲得穩定的大氣壓輝光放電的有效方式,而對大氣壓射頻輝光放電的條件真空技術網(http://www.9334467.live/)還沒發現有人全面地進行總結。本文從大量的實驗結果中總結了影響大氣壓射頻均勻輝光放電形成的因素,實驗中改變的參數有介質的存在、放電氣體成分、放電電壓以及放電間隙。

1、實驗設備

  實驗裝置如圖1所示,采用電容耦合射頻放電系統,電極分為銅電極和水電極。下電極銅電極連接射頻電源,面積為100mm×100mm;上電極水電極為注滿自來水的石英盒,內置接地銅圈,面積比銅電極略大。上下電極均使用循環水進行冷卻。文中部分實驗上下電極均使用相同的銅電極。放電介質采用石英介質(尺寸為140mm×140mm×1mm),根據實驗需要覆蓋在電極表面。放電的間距使用夾在上下電極邊緣之間的石英片來調節。電極的左側是混氣室,當使用摻雜的氣體放電時,氣體在這里混合,然后經篩板均勻進入放電空間。射頻電源頻率為13.56MHz,最大功率2kW。放電的電壓和電流分別由電壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Tektronix 6021AC)獲得,示波器(Tektronix DPO4104)用來采集探頭信號;實驗中照片由單反相機(Nikon D90)以及ICCD照相機(Princeton Instruments公司的PI-MAX2)獲得。

實驗裝置示意圖

圖1 實驗裝置示意圖

2、結果與分析

  2.1、氬氣放電

  2.1.1、裸電極

  氬氣放電使用的上下電極均為銅電極,無介質覆蓋在電極表面。通過調節放電功率和改變放電間隙,實驗獲得了裸電極氬氣均勻輝光放電,如圖2(a)所示。但是發現,這種輝光放無法在較大面積和大間距的尺度下維持。首先,在實驗設備條件下,能夠擊穿的最大氣體間隙為1.5mm,并且為輝光放電。若此時增大放電功率,輝光放電會轉變為如圖2(b)所示的收縮的放電通道;若此時不增加放電功率,放電模式也很容易在一段時間后發生同樣的模式轉換,這主要是由于電極溫度上升所造成的。而在可實現輝光放電的間隙范圍內,更大間隙的等離子體表現出更大的阻抗。

裸電極放電照片

圖2 裸電極放電照片

  因此從實驗結果可以得出,裸電極可獲得均勻輝光放電,但是對放電功率和電極溫度比較敏感,容易轉變為收縮的放電模式。

  2.1.2、介質阻擋氬氣放電

  使用射頻介質阻擋放電獲得均勻輝光放電的結果已經有報導,本文利用ICCD照相機對放電模式進行更準確的判斷。兩塊電極均使用銅電極,石英片作為介質覆蓋在銅電極上。放電間隙定位4.4mm,氬氣的氣流速度為2L/min(標準狀態),在逐漸增加放電功率至氣體擊穿后,逐漸增加電源功率同時記錄電流電壓值。

  圖3所示為實驗中雙介質氬氣放電功率最小和最大時的照片,對應的電壓為550和1070V,可以看出等離子體既沒有發生收縮,也沒有出現放電絲,一直表現為均勻的輝光放電。這里需要說明的是,在α模式下整個等離子的發光是均勻的,在γ模式下明顯介質表面要更亮,這是由于介質表面有大量的二次電子。但是我們同樣認為這是一種均勻放電,因為它對于二維的介質表面是均勻一致的;這對于材料的處理不會像絲狀放電一樣產生不一致的影響。不同的放電間隙對實驗的結果影響較小,更大間隙的等離子體表現出更大的阻抗,且均未出現放電絲。

 大氣壓射頻均勻輝光放電的條件

圖3 氬氣4.4mm介質阻擋放電ICCD照片,曝光時間100μs

  單介質氬氣放電的情況與雙介質卻截然不同,放電照片如圖3(c)和(d)所示,對應的電壓為550和650V。上電極為裸露的銅電極,下電極為覆蓋有石英片的銅電極。從放電的照片可以看出,外加電壓較低時,放電是比較均勻的,沒有放電絲出現。而電壓達到650V后,等離子體中出現了明顯的放電細絲。隨著放電功率的增大,放電細絲的數量越來越多,放電絲直徑變大。這是輝光放電和絲狀放電共存的一種放電模式。

  從氬氣放電結果可以得出,介質阻擋和電壓是影響放電模式的重要因素,雙介質阻擋可以保證放電維持大功率、大面積以及較大間隙的氬氣均勻輝光放電。在單介質阻擋放電中,較低的電壓可以維持均勻輝光放電。

  2.2、氬氣摻雜氮氣放電

  2.2.1、雙介質放電

  除了電壓和介質阻擋外,本文也研究了放電氣體對放電模式的影響,由于空氣是最方便且最廉價的氣體來源,因此實驗在氬氣中摻入空氣中含量最高的氮氣進行研究。為了更清楚觀察放電現象,這里上電極使用水電極,下電極為銅電極。實驗采用4.4mm雙介質放電,放電輸入功率固定為400W。實驗開始時,采用氬氣放電。待放電穩定后,逐漸增加氮氣流量,同時減少氬氣的流量,而混合氣體的總流量保持2L/min不變。圖4為氮氣的流量為0,50,200和1000mL/min的放電照片。從圖中可以明顯看出,400W 輸入功率下的氬氣放電為均勻輝光放電,當氮氣流量上升到50mL/min后,放電面積明顯發生了收縮,但是放電仍然為輝光放電,沒有出現放電絲。而氮氣的流量繼續增加到500mL/min時,放電完全轉變為了絲狀放電。繼續增加氮氣流量至1000mL/min時,放電仍然為絲狀放電,但是放電絲的數量大幅度減少,放電絲的顏色也由暗紅色變為深紫色。如果繼續增加氮氣的比例,則放電不能維持。

大氣壓射頻均勻輝光放電的條件

圖4 3.3mm雙介質氬氣摻雜氮氣放電照片

  2.2.2、單介質放電

  純氬氣放電的實驗得出了單介質放電容易出現放電絲的結論。在氬氣摻雜氮氣單介質放電的實驗中,對于氮氣的比例對放電模式的影響也進行了研究,上電極仍為水電極,結果如圖5所示。放電功率保持為400W 不變,總氣流為2L/min。

  由圖5可以看出,純氬氣的放電很均勻,沒有放電絲。氮氣流量加至50mL/min時明顯地出現了一些放電細絲,但整體上還是均勻的放電。氮氣達到500mL/min時,放電出現了在銅電極表面收縮,在介質表面擴展的放電通道。這種放電通道與雙介質氬氣摻雜氮氣放電的放電絲,除了尺寸上的區別外,這種放電通道的位置比較穩定,會固定存在于電極的某個位置。而雙介質放電中的放電絲穩定性比較差。從氮氣流量為500mL/min時的放電照片可以明顯看出有兩種等離子體的存在,一種是在銅電極表面收縮,在介質表面擴展的放電通道;另一種就是均勻彌散的等離子體。當氮氣的流量提高至1000mL/min時,等離子體的形式完全轉變為一邊收縮,另一邊擴展的放電通道。

大氣壓射頻均勻輝光放電的條件

圖5 3.3mm單介質氬氣摻雜氮氣放電照片

  通過對混合氣體中氮氣的比例對放電模式的影響的研究可以得出,在雙介質氬氣摻雜氮氣放電中,氮氣比例的提高會使放電面積收縮,放電模式進而發生改變;氮氣比例較高時放電無法維持。這也是為什么普遍大家都采用惰性氣體來獲得等離子體,如氬氣和氦氣。從單介質氬氣摻雜氮氣實驗也可以得出類似的結論。但從其放電通道可以看出,在裸電極表面放電通道更易收縮,這與之前氬氣放電的結果也是吻合的。

3、結論

  通過實驗結果得出,要獲得大面積、大間隙的大氣壓射頻均勻輝光放電,重要的條件有放電氣體、放電電壓以及介質阻擋。裸電極的氬氣放電可以獲得小間隙的均勻輝光放電,但是放電對功率和電極溫度很敏感,很容易轉變為收縮的放電模式。采用介質阻擋后,可以獲得大間隙的均勻輝光放電。雙介質阻擋可以保證放電維持大功率、大面積以及較大間隙的氬氣均勻輝光放電。在單介質阻擋放電中,較低的電壓可以維持均勻輝光放電,這說明介質可以防止放電絲的形成。最后,通過在氬氣中摻入氮氣,得出使用惰性氣體放電也是獲得均勻輝光放電的重要條件,但摻入少量的氮氣也可以獲得均勻輝光放電。同時,輝光放電和絲狀放電的機理還有待進一步研究。