辛 强，张 鹏，李 娜，王 波

哈尔滨工业大学精密工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001

大气感耦射流等离子体加工中的电子温度及激发光谱研究

辛 强，张 鹏，李 娜，王 波*

哈尔滨工业大学精密工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术，其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体，提高材料去除率提供了有力条件。利用发射光谱仪，对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400～1 000 nm范围内的光谱进行了测量。并利用峰值明显，能级差较大的谱线计算电子温度。由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值，且感耦射流等离子体具有回转对称性，因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数，进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用，处于加工区域的温度分布呈现出双峰形； 随着距离增大，双峰效应逐渐减弱，温度分布趋于平滑。研究也表明随着加工距离的增大，等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态，玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低，导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。进一步对通入反应气体CF4后的等离子体光谱进行了研究，通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色，是由于激发反应气体后产生的位于400～650 nm范围的带状光谱所致，分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C2谱带Swan Bands，而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF4的充分激发产生。

大气感耦射流等离子体； 发射光谱； 电子温度； 光谱分析

引 言

大气等离子体加工技术是基于化学反应实现对硅基材料的高效率无损伤去除； 加工过程中不使用研磨和抛光液，不引入杂质和污染物； 与传统的机械化学加工方法相比，加工时无机械接触和物理载荷施加到工件表面，因此不会引入新的损伤； 加工产物为挥发性的气态物质，便于后续处理，环境友好等诸多优势。具有传统机械抛光无法比拟的优越性，同时避免了复杂昂贵的真空设备对加工过程的限制，近年来备受国内外学者的关注，并提出了独特的大气等离子体加工装置，诸如日本大阪大学的Plasma Chemical Vaporization Machining(PCVM)[1]，英国克兰菲尔德大学的Reactive Atom Plasma Technology(RAPT)[2]，德国莱布尼兹表面改性研究所Plasma Jet Machining(PJM)[3]和哈尔滨工业大学精密工程研究所的Atmospheric Pressure Plasma Processing(APPP)[4]等。

作为一种新型的超光滑表面加工技术，大气等离子体加工是在等离子体氛围中进行的，其真实的物理化学反应十分复杂，因此对其加工过程的详尽理论解释还处于一种相对较低的水平上，有待于深入探究。感应耦合射流等离子体作为大气等离子体加工的一种实现方式，其加工效率高，去除效率可达30 mm3·min-1，受到研究者的广泛关注，但由于感应耦合射流等离子体温度较高，目前难以采用常规方法进行测量。

而等离子体作为一种特殊的电磁场流体，其发光特性对分析其流场发展和温度特性提供了有效手段。可借助发射光谱对其特征进行诊断，作为一种非侵入式诊断方法，发射光谱法在诊断等离子体温度时优势明显，可对不同尺寸、非均匀、稳态和瞬态的等离子体电子温度进行精确诊断，且不会对加工过程造成扰动，是目前对大气等离子体加工过程监控的典型诊断方式。借助发射光谱诊断大气等离子体加工过程，有利于深入探究大气等离子体加工机理，及分析去除效率和去除函数的影响因素。

本文将利用发射光谱对大气感耦射流等离子体温度特征展开研究，并对通入反应气体CF4后的激发光谱进行分析研究，为后续加工机理研究和去除函数形成因素分析奠定基础。

1 实验部分

大气感耦射流等离子体加工装置主要由质量流量计、标准尺寸的Fassel炬管，水冷工作台、三轴的数控运动控制台，以及27.12 MHz射频电源和匹配器组成，Fassel炬管具体结构可参见文献[5]。Fassel炬管三层嵌套石英管壁厚均为1 mm，其外管内径为18 mm，中间管内径为14 mm，中心管内径为2 mm。使用AvaSpec-2048FT型原子发射光谱仪(荷兰Avantes公司生产)来对大气等离子体炬进行光谱监控，实验装置示意图如图1所示。标准Fassel炬管外层管和中间管层通入Ar气，用来冷却炬管和产生等离子体，中心管通等离子体气体或反应气体CF4。射频功率通过水冷感应线圈耦合到Fassel炬管中的等离子体气体Ar和反应气体CF4，设备功率调节范围为0～2 kW，具体实验参数参见表1。

图1 实验装置布局示意图

表1 实验参数设置

Table 1 Experimental parameters

OutergapAr/(L·min-1)InnergapAr/(L·min-1)InnertubeAr/CF4/(mL·min-1)Power/W2010～1001000

光谱测量时，其光纤测头与被测等离子体的相对位置如图2所示，由于加工常用距离为9～15 mm，因此主要采集了该范围内的光谱数据进行分析。轴向数据采集自距离炬管口下方9 mm处开始，以3 mm的步距沿炬管轴线向下垂直测量； 采集径向数据时，光谱仪光纤测头以2 mm的步距从A点向B点水平移动，如图2(b)所示，以测量等离子体的沿炬管径向的光谱分布，当移动到距炬管轴线约14 mm时，能够捕捉到的光谱已经非常微弱，停止测量，进而获得等离子体光谱的空间分布。

实验发现大气感耦等离子体具有回转对称的特征，因此测量计算其轴线一侧光谱即可。利用光谱仪采集到的光谱辐射强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值[6]，需要借助Abel逆变换求出其径向发射系数

(1)

式(1)中ε(r)为径向r处的发射系数，I(y)为光谱仪测得的光谱强度，R为所测感耦射流等离子体半径。由于感应耦合等离子体可近似认为处于局部热力学平衡(local thermodynamic equilibrium，LTE)状态，因此其激发态粒子数分布服从玻尔兹曼分布[7]，粒子从高能级u跃迁到低能级l导致的原子谱线发射系数为

图2 光谱测量过程光纤测头与等离子体的相对位置

Fig.2 Positions and displacements of optical fiber along (a) axial and (b) radial directions of the torch for experimental measurements

(2)

式(2)中λ为相应原子谱线波长，Aul为从高能级u到低能级l的跃迁几率，gu为谱线的高能级跃迁统计权重，Eu为上能级激发态能量，h为Planck常数，k为Boltzmann常数，Z(T)，n及Te分别为配分函数、粒子密度和电子温度。对式(2)整理后并取对数可得出玻尔兹曼图谱法(Boltzmann plot method，BPM)求解电子温度的表达式

(3)

2 结果与讨论

2.1 感耦射流等离子体温度分布特征研究

在大气等离子体加工中，加工效率和加工去除函数受活性粒子浓度和分布的影响。而参与反应的活性粒子则是通过等离子体中的高能电子与反应气体碰撞激发产生的。高能电子的能量特征以电子温度的形式体现，同时电子温度大小也体现了等离子体的激发能力，其大小和分布态势必然影响着活性粒子的分布趋势，因此分析大气感耦射流等离子体的温度分布特性，对于明确加工材料去除率和预测去除函数特性非常重要。

通过实验分析可知，大气感耦等离子体激发的纯氩光谱覆盖了高激发态能量为12.9～15.1 eV大量的Ar原子发射谱线，具有优越的激发性能，为充分激发反应气体提高加工效率提供了有力条件，其激发光谱如图3所示，图3中的红色峰值标志为查询NIST原子发射光谱数据库的波长标准值。鉴于感耦等离子体射流焰为回转对称形状，采用BPM计算温度时，只需分析其轴线一侧光谱。由于在等离子体焰边缘处的光谱十分微弱，谱图中的较弱激发谱线已难以分辨，因此采用了峰值明显，且能级差较大的谱线进行计算，所采用的谱线及参数如表2所示。

图3 感耦等离子体(ICP)激发的纯Ar发射光谱

表2 温度计算所采用的Ar光谱谱线参数

Table 2 The spectral Parameters of Ar lines for temperature calculation

λ/nmAul/×106s-1guEu/eV415.851.4514.53420.060.967714.5738.398.47513.3750.3844.5113.48763.5124.5513.17801.479.28513.09

图4为采用玻尔兹曼图谱计算得出的距离等离子体炬9，12和15 mm处的温度分布。在趋肤效应和旋流进气的双重作用下，高频感应耦合形成的等离子体呈环状分布，该特性致使温度分布呈轴线温度低，两侧温度高的双峰形状，其温度峰值偏离炬管轴线[8]。从图4(a)可知，在距离炬管出口9 mm处，感应线圈产生的射频磁场箍缩效应减弱，以及流场扩散效应的作用下，使得偏离炬管出口9 mm的地方其温度峰值在点6(10 mm)处，温度分布明显向炬管半径外侧偏移，已不局限于炬管半径以内； 图4(a)中温度计算点1～点7温度拟合优度值R-Squared(R-S)都在0.9左右，准确度较高，但温度点8的R-S值较小，其原因可能是，该点位于等离子体焰主体外侧，虽然仍能检测到光谱分布，计算温度趋势正确，但该点一定程度上偏离了LTE状态，利用BPM计算温度的适用性降低，计算点不能落到拟合曲线上，导致其温度拟合度较差如图5(b)所示。图5为图4 (a)的温度计算点6和点8的拟合直线和R-S值，可以看出图5(b)中计算结果明显偏离拟合直线。

图4 采用玻尔兹曼图谱法得出的ICP温度分布

从图4(b)可知，在距离炬管口12 mm时，由于流场的作用，使得温度峰值向轴线方向收缩，温度分布峰值仍偏离炬管轴线，但峰值明显降低已经低于轴线温度； 温度点2～点4在射流的作用下数值降低明显。温度计算点7和点8的R-S值出现较大偏差。图4(c)中温度曲线已经相对平滑，但偏离轴线位置仍然有较小凸起。

对比图4中(a)，(b)和(c)发现，在距离炬管口9～15 mm处，等离子体轴线温度没有明显降低； 其偏离轴线的温度峰值在射流发展过程中逐渐降低，温度分布趋势趋于平滑，呈现出近高斯型分布； 随着距离的增大，由于等离子体焰主体逐渐收缩，导致拟合优度值R-S在焰主体边缘偏差逐渐增大，并向轴线方向收缩。

图5 图4(a)中的拟合直线及相应的R-S值

2.2 通入反应气体CF4后的等离子体光谱分析

图6为通入反应气体CF4前后，位于400～1 000 nm之间的光谱谱线分布。通过对比可知，图6(b)通入反应气体CF4后，Ar的激发谱线分布无明显变化，但其谱线强度明显降低，这是由于通入反应气体后，输入的射频能量中部分用于激发反应气体所致。通入反应气体CF4之后，ICP火焰呈鲜亮的蓝绿色。根据可见光通常的区分界限，波长约为440～485 nm的为蓝光、波长约为530～565 nm的为绿光，与观察到的新增加光谱带分布相吻合。分析表明，在400～650 nm之间出现的明显的分子激发连续光谱是激发反应气体CF4产生的，以438.22，473.71，516.52和563.55 nm为带头的激发态C2Swan bands连续带状光谱，本研究的诊断结果中明显可见的C2光谱峰值及跃迁参数见表3。C2光谱的产生是由于碳源CF4在大气感耦等离子体的强烈激发下分解产生的，其产生过程及辐射光谱机理[9]

CF+C→C2+F

反应方程中M为等离子体中的反应气体粒子，*表示处于激发态的粒子。可见在激发过程中产生了大量的活性氟基气体，这些活性氟基气体都能参与加工过程中的化学反应，为加工提供了有利条件。

图6 通入反应气体CF4前后的等离子体光谱

表3 C2Swan Bands光谱带头

Table 3 The spectral heads of C2Swan Bands

Excitationwavelengthrange/nmTransitionsofC2BandsHeadsemissionwavelength/nm430～450d3Πg↔a3Πu(2,0),(3,1)438.22,437.14450～474d3Πg↔a3Πu(1,0),(2,1),(3,2),(4,3)437.71,471.53,469.76,468.49474～518d3Πg↔a3Πu(0,0),(1,1),(2,2)516.52,512.94,509.77518～565d3Πg↔a3Πu(0,1),(1,2),(2,3),(3,4)563.55,558.55,554.07,550.19

3 结 论

采用玻尔兹曼图谱法对大气感耦射流等离子体电子温度特性进行了研究，分析表明感耦等离子体在射频趋肤效应和旋流进气的双重作用，温度峰值偏离轴线，呈现出中间温度低，两边温度高分布趋势； 在距喷嘴出口9 mm处，由于射频磁场的箍缩效应减弱，以及射流流场的扩散效应增强，使得温度峰值向炬管半径外侧偏移； 随着与喷嘴距离的增加，温度分布趋势逐渐平滑，双峰效应减弱。在等离子体焰主体边缘的温度计算拟合优度值R-S偏差逐渐增大，其原因可能是在焰主体边缘，偏离了LTE状态，致使计算点不能落在温度拟合直线上。Ar/CF4混合后产生的等离子体呈现出鲜亮的蓝绿色，分析表明该颜色是双原子分子C2的Swan Bands激发态跃迁产生的位于435～565 nm范围内的带状分子光谱导致，其分子光谱带头分别为438.22，473.71，516.52和563.55 nm； 而该双原子分子是碳源CF4在感耦Ar等离子体的充分激发下产生。

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*Corresponding author

(Received Apr. 8, 2015; accepted Aug. 23, 2015)

Research on the Electron Temperature and Emission Spectroscopy of the Atmospheric Inductively Coupled with Plasma Processing

XIN Qiang, ZHANG Peng, LI Na, WANG Bo*

Center for Precision Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

As a novel technology in ultra-smooth surface machining, atmospheric pressure inductively coupled with plasma jet processing can produce plasma with high density and energy. This capability makes it a perfect medium in fully exciting the reactive gases to improve the material removal rate. This paper is directed towards using the emission spectrometer to monitor and measure the spectra of the plasma jet from 400～1 000 nm. Spectral lines with obvious peaks and large energy differences are selected from the measurement results to calculate the electron temperatures. The measured spectral data are the integrals of emission coefficients along the optical path, and the plasma has a circularly symmetry with respect to the torch axis. Abel inversion transform is employed to compute the emission coefficients of the measured spectrum. These coefficients are then applied to obtain the electron temperatures with Boltzmann plot method. The calculation results denote that the temperature profiles appear to be typically double-peak profiles as a result of the skin effect and swirling inlet flow. With the increasing of off distance, the double-peak effect decreases and the profiles become smooth. The results also indicate that the plasma fringe is somewhat deviate from the local thermodynamic equilibrium, and the applicability of Boltzmann plot method is reduced. Consequently the goodness-of-fit factors, R-Squared values, on the plasma fringe are reduced. The spectra and characteristics of the argon plasma with reactive gas CF4are also analyzed. This mixed plasma shows bright blue-green color. The reason for the color is that some band spectra emerge between the range of 400～650 nm. These band spectra are the swan bands of diatomic C2which is formed by the fully excitation of carbon source CF4.

Atmospheric pressure inductively with coupled plasma jet; Emission spectrum; Electron temperature; Spectrum analysis

2015-04-08，

2015-08-23

国家自然科学基金项目(51175123, 51105112)和国家重大科技专项(2013ZX04006011-205)资助

辛 强，1986年生，哈尔滨工业大学精密工程研究所博士研究生 e-mail: xinqiang@hit.edu.cn *通讯联系人 e-mail: bradywang@hit.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1872-05