氢等离子体中氢原子密度定量测定及亚稳态氢分子负离子的产生与检测研究

摘要

分别利用阈值电离-分子束质谱技术和发射光谱技术，首次对介质阻挡放电氢等离子体中氢原子密度进行了定量研究：在低气压介质阻挡放电氢/氘等离子体中产生了高浓度长寿命的H<,2><'->/D<,2><'->离子，并对其进行了成功检测。本论文工作主要取得了以下结果： 1．利用阈值电离-分子束质谱技术首次对介质阻挡放电氢等离子体中近极板区的氢原子密度进行了定量研究。首次提出了一种对分子束形成和质谱探测过程中产生的总质量歧视因子进行近似测定的方法，并应用于氢原子密度的定量研究。结果表明：在一定放电条件下(峰-峰值放电电压28 kV，频率24 kHz)，当气压由2.0×133 Pa增加到14.0×133 Pa时，氢分子解离率由0.83％下降到0.14％。实验结果表明近极板区放电引起的气体温升可以忽略，则上述条件下相应的氢原子密度在(1.0～3.0)×10<'15>atoms cm<'-3>范围内。 2。利用发射光谱技术首次对介质阻挡放电氢等离子体放电区氢原子密度进行了定量研究。以氩为内标物，对放电区的氢分子解离率和氢原子密度进行了研究。结果表明：一定放电条件下(峰．峰值放电电压28 kV，频率24 kHz)，当气压由2.0×133 Pa增加到38.0×133 Pa时，氢分子解离率由5.2％下降到0.1％，在14.0×133 Pa时的解离率约为0.3％。在忽略放电区气体温升的条件下，上述解离率对应的氢原子密度在(2.2～6.6)×10<'15>atoms cm<'-3>范围内。 3．利用分子束质谱分别在低气压(～70 Pa)介质阻挡放电氢/氘等离子体中观测到了可靠的、高密度且长寿命的H<,2><'->/D<,2><'->离子。观测的H<,2><'->/H<'->和D<,2><'->/D<'->比值(～0.35-0.4)均比他人观测的结果高五个量级。利用排斥场电位技术测定了H<,2><'->和D<,2><'->离子的动能分布，由低能H<,2><'->和D<,2><,->离子的速度推算出它们各自寿命的上限分别大于40μs和55μs。 4．分别利用阈值电离-分子束质谱和发射光谱技术对上述产生高密度H<,2><'->离子的放电体系中基电子态氢分子的振动、转动分布进行了诊断研究。质谱研究结果表明：近极板区氢分子的最大振动、转动量子数约为v=5，J=0或者v=0，J=19。利用发射光谱所测定的基电子态氢分子振动、转动温度分别约为2700 K和400 K。以上质谱和光谱数据说明该体系中并不存在亚稳态HE

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1氢等离子体与富氢等离子体的研究

1.1.1氢等离子体与富氢等离子体研究的科学意义

1.1.2氢等离子体的产生方式

1.1.3介质阻挡放电(dielectric barrier dischage简称DBD)

1.2等离子体中活性物种的诊断方式

1.2.1光谱法

1.2.2质谱法

1.3氢等离子体中氢原子的诊断研究

1.4亚稳态氢分子负离子的产生和检测研究

1.5本论文的选题和研究思路

参考文献

2实验装置、实验原理及实验方法

2.1实验装置

2.1.1氢等离子体产生装置

2.1.2分子束质谱系统

2.1.3发射光谱系统

2.2阈值电离质谱和离子能量分析基本原理

2.3发射光谱内标法测定氢原子密度的基本原理

2.4发射光谱测定基电子态氢分子振、转温度的基本原理

参考文献

3阈值电离—分子束质谱法对DBD氢等离子体近极板区氢原子的定量研究

3.1阈值电离—分子束质谱定量过程中需要解决的问题

3.1.1空间电荷积累效应的研究

3.1.2质谱离化器电子束能量和分布的标定

3.1.3分子束质谱信号的确定

3.1.4质量歧视因子的确定

3.2氢原子密度随放电参数变化规律的研究

3.2.1近极板区气体温度的测定

3.2.2近极板区氢原子密度随气压的变化规律

3.2.3近极板区氢原子密度随放电电压的变化规律

3.2.4近极板区氢原子密度随放电频率的变化规律

3.3氢原子的产生和消耗过程分析

3.4本章小结

参考文献

4发射光谱法对DBD氢等离子体放电区氢原子的定量研究

4.1氢氩混合体系等离子体的发射光谱

4.2谱线强度随放电参数变化规律的研究

4.2.1氩气加入量对放电体系的影响

4.2.2谱线强度和氢原子激发温度随放电电压、频率的变化规律

4.2.3谱线强度随气压的变化规律

4.3氢分子解离率和氢原子密度的计算及其随放电参数的变化规律

4.3.1定量计算所涉及的反应过程

4.3.2解离通道对氢原子密度的贡献

4.3.3放电区氢原子密度随放电参数的变化规律

4.4激发态氢原子的空间分布

4.5本章小结

参考文献

5高浓度亚稳态H2-/D2-离子的产生及检测研究

5一DBD氢/氘等离子体中长寿命H2-/D2-离子的产生及检测研究

5.1.1长寿命H2-离子研究思路和质谱检测

5.1.2H2-离子同位素验证和D2等离子体中氢元素干扰的消除

5.1.3 H2-离子强度随放电参数变化规律的研究

5.1.4 H2离子能量分布和寿命的研究

5.1.5长寿命H2-离子稳定存在的理论解释

5.2质谱技术对DBD氢等离子体中基电子态氢分子振、转分布的研究

5.3发射光谱技术对DBD氢等离子体中基电子态氢分子振、转分布的研究

5.3.1基电子态振动温度的计算

5.3.2基电子态转动温度的计算

5.4长寿命H2-离子可能形成机理的研究

5.5本章小结

参考文献

6结论与展望

6.1本研究工作所取得的主要成果

6.2展望：有待继续深入研究的问题

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致射