苏永飞，李占贤，张钧尧

（1.华北理工大学 河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210；2.清华大学 工程物理系，北京 100084）

0 引言

等离子体就是部分或完全电离的气体，它作为物质的第四态被大家所熟知［1－2］。从微观讲，等离子体中含有大量的电子、正负离子和活性基团，电子和负离子带的电位数和正离子所带电荷刚好相等；从宏观上讲等离子体呈电中性。低温等离子体的电离率较低，离子温度和室温接近，宏观上表现为整体温度和室温相当。由于温度接近室温，用低温等离子体处理一些材料不会造成材料本体伤害，因此，低温等离子体具有很高的应用价值［3－4］。科学家预测21世纪低温等离子体会有突破性的进展［5］。

射频辉光等离子体属于低温等离子体［6－7］。射频等离子体具有很多优点，比如：既可以用导电的电极激发，也可以用不导电的电极激发；既可以用内电极维持，也可以用外电极维持。射频放电等离子体具有较高的电离率，在等离子体应用和等离子体研究中占有重要地位［8］。为了实现低气压环境下的射频辉光等离子体放电，我们在电极结构方面做了一些改进，成功地在低压环境下实现了射频辉光放电。

1 电极的设计

1.1 放电模型

为实现超低气压下的射频辉光放电，我们对放电电极做了一些改进。常见的射频辉光放电的电极是容性平行板电极，但是这种电极形式在超低气压下不能放电。为解决超低压放电这个难题，我们做了一套复合型电极，将尖端放电的电极和射频容性电极结合，放电模型如图1所示。将9个医用针头均匀分布在铝质的电极板上，并用气管并联在一起，实现每个针头均匀通气。

图1 复合型放电等离子体装置模型

1.2 针型电极板的电场模拟

本文通过ANSYS构建有限元模型，分析结构的不同电场分布问题。将前面设计的模型导入到ANSYS Maxwell中，如图2所示。

图2 针－板电极模型

等离子体的产生需要高压作为外界条件，高压对发生器的电场分布情况和等离子的产生具有影响。为了更深一步地了解针型电极板的电场分布，本文采用ANSYS Maxwell对电极板放电装置的针尖部分进行了仿真。平行板材料设定为铝材，平行板镶嵌的针管材料选择为不锈钢。由于交流电电场仿真很难看到针尖处的电场分布效果图，故采用交流电的有效值对电极板针尖部分的电场分布进行模拟。

我们对针－板电极的针尖部分的纵切面和横切面进行了电场仿真，加载有效电压值为500V，平行板板间距为100mm。针尖部分的电场仿真结果如图3所示。

从图3（a）中可以看出：针管附近的等势线变化梯度大，电场很强；针尖周围的电场等势线呈现圆形，由内而外逐渐变弱。图3（b）为针尖的纵截面电场等势线分布状况，从针尖部分等势线的变化趋势可以推出电场线密集，可知针尖位置的电场很强，易使周围的气体电离放电。

图3 针尖部分电场仿真结果

2 实验系统

实验系统结构如图4所示。主腔室上有多功能法兰、观察窗等部件。主腔室为高55cm、内径Φ60cm的不锈钢圆筒状结构，腔体上端和侧面留有5个观察窗，由观察窗可以观察实验现象和拍照，并做一些光学诊断。真空泵组由分子泵和机械泵组成，机械泵型号为TRP-60，极限真空为0.1Pa；分子泵型号为JTFB-1600，极限真空为10－5Pa。主腔体的真空度测量系统包括一台电离规和一台电容薄膜规，其测量最低气压为10－5Pa，精准到±10%。

图4 低气压射频辉光放电的实验系统

电源采用中科院的13.56MHz的功率源，可调范围为0V～500V。实验中的电压和电流采用示波器测量并送入示波器（Tektronix DPO4034）记录，电压探头采用Tektronix P6015A，电流测量采用霍尔型电流探头（Tektronix TCP202）。光谱采用爱万提斯的8通道光纤光谱仪测量并记录。放电图像采用佳能数码相机EOS7D拍摄。

3 实验结果

3.1 起辉形貌变化

实验放电，本文采用数码相机拍摄起辉过程。相机曝光时间为1.5s，记录下了低气压2.29×10－3Pa、气流量为10sccm，电压从350V调到450V的起辉过程，如图5所示，从形貌上可以观察到起辉是一个从局部到整体的过程。

多针电极起辉放电后，调整工作气体的气流量到10sccm，腔体压强显示1.68×10－3Pa，输入电压调到350V，此时辉光放电稳定。我们在300nm～950nm波长范围内测量了工作气体Ar的辉光放电发射光谱，并观察到随着电压的不断增大，放电强度增强，氩气光谱的相对强度增强。图6给出了350V氩气稳定放电的发射光谱。根据斯塔克展宽法可计算出氩气放电的电子密度［9］。

图5 起辉过程的形貌变化

图6 氩气辉光放电光谱图

3.2 起辉电压和电流变化

本实验最小能起辉的气流量是10sccm，以10为起点，每次增大2sccm氩气，记录不同气流量下起辉电压和电流。不同的气流量分别记录10组数据，绘制成点线如图7所示。

图7 起辉电压和电流随气流量的变化规律

4 结论

当真空腔体的压强低到10－5Pa量级时，腔体内的微量气体不足以维持击穿放电，需要通入气流量至少为10sccm的氩气。本文设计的针板复合型电极板可以实现超低压环境下通微量氩气放电，起辉电压低且放电均匀。起辉电压和电流同时随工作气流量的增大而减小；辉光放电形貌随电压和气流量的增大逐渐变大并充满整个放电区域；电压为350V、气流量为10 sccm、腔体压强为1.68×10－3Pa时，射频辉光放电的电子数密度可达3.916×10－12cm－3。