圆筒内表面高压脉冲辉光放电及离子注入机理研究

论文摘要

传统的内表面改性方法由于不能解决离子的补充问题和鞘层重叠的问题,因此不能在内表面获得注入剂量和深度均匀的注入层。将脉冲高压辉光放电引入内表面改性研究中,理论上可以在圆筒内部直接产生较高密度的连续等离子体提高注入的能量和均匀性。本文采用静电探针方法和发射光谱方法对这一过程的放电规律和离子注入机理进行了实验研究。实验结果显示,采用脉冲高压可以在圆筒内形成稳定连续的辉光放电等离子体。这种放电形式下产生的Ar等离子体中含有较多的激发态原子,而N等离子体中的粒子主要为N2+离子。等离子的密度随高压脉冲幅值的增大而增大:当Ar气压为2.0Pa,频率300Hz,脉宽15μs时,高压脉冲幅值从10kV增加到15kV,激发原子密度增加了约6倍,而离子密度增加了约4倍。当N2气压1.5Pa,频率300Hz,脉宽15μs时,高压脉冲幅值从10kV增加到15kV,离子密度增加了约2倍。筒内产生的等离子体对鞘层的扩展起阻碍作用,调整脉冲宽度可以保证鞘层不在圆筒轴线处发生重叠,研究发现对于内径为72mm圆筒,15kV时脉冲宽度不大于20μs。由于电子积累的影响,轴线电压为负值,注入能量有损失。实验证明该电压在轴线方向基本无变化,可以在内表面形成能量均匀的注入层。轴线电压受高压幅值影响,在气压1.5Pa,频率300Hz,脉宽15μs时,脉冲幅值为6kV时测得185V的轴线电压,在10kV时测得534V的轴线电压,在15kV时测得704V的轴线电压。但是,由于探针对电子的吸收电子作用,测得的电压低于实际实验时轴线电压。实际注入实验证明,采用该方法确实可以在内表面形成注入深度均匀的注入层,同时与平板注入相比,损失20%30%的注入能量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 圆筒内表面改性研究现状
• 1.2.1 内表面改性试验研究现状
• 1.2.2 内表面改性理论研究现状
• 1.3 高压脉冲辉光放电及研究现状
• 1.3.1 高压脉冲辉光放电的产生和维持
• 1.3.2 高压脉冲辉光放电表面改性研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料及试样制备
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 实验过程
• 2.3.2 静电探针测试
• 2.3.3 发射光谱测试
• 2.3.4 俄歇能谱测试
• 2.4 实验方案
• 2.4.1 静电探针测试实验方案
• 2.4.2 光谱测试实验方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 探针测试与筒内放电规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 典型探针试验曲线及分析
• 3.2.1 典型探针曲线及分析
• 3.2.2 不同端部形式对实验结果的影响
• 3.3 各实验参数对放电现象的影响及评价
• 3.3.1 气体种类及压强对放电现象的影响
• 3.3.2 电源参数对放电现象的影响
• 3.4 辉光放电的维持
• 3.5 本章小结
• 第4章 光谱测试与放电机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 发射光谱测试原理
• 4.2.1 粒子温度计算
• 4.2.2 电子密度的测量
• 4.3 光谱测试结果分析
• 4.3.1 Ar 等离子体发射光谱分析
• 4.3.2 N 等离子体发射光谱分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 注入实验及注入深度分析
• 5.1 引言
• 5.2 注入实验方案的确定
• 5.3 注入实验结果及分析
• 5.3.1 俄歇电子能谱原理
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢