郎穆爾探針低溫低壓等離子體診斷

2014-01-04 王曉冬 東北大學真空與流體工程研究所

  基于OrbitalMotionLimit(OML)離子收集理論,建立了等離子體參數與朗繆爾探針電流、電壓之間的函數關系。將MATLAB作為編程工具,編制計算程序,采用多重濾波方法消除朗繆爾探針對等離子體產生的干擾。分析不同濾波方法對探針電流、電子電流、電子電流的一階和二階微分等朗繆爾探針診斷數據濾波的影響,與自行設計的數字實驗結果進行對比,選擇最優濾波方法,以提高朗繆爾探針的診斷精度。

  等離子體包含電子、離子及中性粒子,電子帶電總量與離子帶電總量基本相等,對外表現為宏觀的準電中性,等離子體內部,粒子之間存在相互作用,具有導電的特性,對電場及磁場有較強的響應特性。等離子體內部粒子非常活躍,適合于進行能量轉換并參與化學反應。

  低溫等離子體技術是刻蝕、物理氣相沉積、化學氣相沉積制備薄膜工藝中的基本環境。由于放電方式、氣體種類、壓強、功率不同,等離子體的粒子種類、密度及能量(溫度)、電位不同,隨時間、空間變化的等離子體的微觀參數,如電子、離子的能量、密度等是研究等離子體特性的基礎,影響到薄膜的附著力、薄膜均勻性等。

  Langmuir探針具有結構簡單、可寬范圍測定等離子體參數等優點,是等離子體測定的重要方法,得到研究者的普遍重視。Langmuir探針作為接觸式診斷方法在診斷等離子體時會對等離子體產生干擾,需要對檢測數據進行降噪處理,當探針電位Vp處于懸浮電位與等離子體空間電位之間時,探針收集到的電流Ip是電子電流Ie與離子電流Ii的總和,要將電子電流與離子電流從探針電流中分離開來,需采用離子收集理論,以獲得準確的測量結果。本文基于OrbitalMotionLimit(OML)離子收集理論確定探針電壓、電流與等離子體狀態參數的函數關系,應用自編Matlab程序對探針檢測數據進行多重濾波處理,得到的結果與實驗進行比較,期望提高探針的檢測精度。

  結論

  (1)以OML離子收集理論為核心,建立了等離子體參數:電子能量分布函數、電子平均能量、電子平均速度、電子溫度、電子密度與朗繆爾探針電流、電壓之間的函數關系,可作為Langmuir探針對等離子體診斷的理論基礎。

  (2)基于METLAB,編制了多重濾波程序。不同濾波方法對大量數據的處理結果表明:采用多種濾波方法相互搭配使用能夠獲得較好的濾波效果。

  (3)針對4096個數據長度的Langmuir探針原始電流數據,采用6階數據窗口長度為391的Savitzky-Golay濾波進行整體濾波,采用窗口長度為1701的滑動窗式中值濾波、窗口長度為131的防脈沖干擾平均值濾波進行后續數據處理,可以得到平滑的IV濾波曲線,與理想I-V曲線數據之間均方差為0.0169,相關系數為0.9994。