分子束质谱在大气等离子体分析中的应用

由于大气等离子体在加工材料(主要是有机材料)方面的优势，不适合高真空环境，因此人们对大气等离子体的应用越来越感兴趣。亚博网站下载这类放电通常是通过光学发射光谱来研究的，但要了解处理材料的表面特征，必须确定撞击物种的身份和能量。

从各种气体混合物的大气排放已经用a隐藏的EQP质量/能量分析仪．放电由射频驱动的大气等离子体源产生，并使用多级差分泵浦分子束进口系统进行采样。含氮量不同的气体混合物的结果₂阿,₂N₂啊,和₂在氦中。

离子物种的能量分布是放电功率和进入分析仪和等离子体源之间的距离的函数。

此外，还通过表观电位法和电子吸附法建立了自由基生成途径。

实验

(我)放电

放电是由射频驱动的大气等离子体源产生的，基于Stoffels等人的[1]设计。这个真实的设计被修改，加入了第二个同心气体入口，以研究气体的混合物。内部气体入口携带氦气进入等离子体体积，外部气体入口提供不同比例的待研究气体(氧气、一氧化二氮、氮气和二氧化碳)。在分子束质谱仪(MBMS)分析仪和等离子体源之间产生了约7w的低功率放电，如图1所示。

图1所示。隐藏分子束质谱仪的射频电极或针与取样孔之间产生的大气等离子体。

(2)诊断

采用三级差分泵浦分子束进口系统对大气放电中形成的物种进行了采样。随后，用Hiden EQP质量/能量分析仪检测物种。图2显示了这种安排的示意图。EQP质量/能量分析仪被安置在一个真空室中，反过来，在它和等离子体之间配备了额外的两个中间膨胀室。这三个阶段中的每一个，或室，由对准的撇油锥和连续泵单独的涡轮分子泵组。由于从大气压到较低压力阶段的自由膨胀，在没有进一步反应的情况下，分子束形成，等离子体物种被检测和取样。

图2。隐藏调制光束质谱仪系统原理图。在第一阶段，三个锥体的孔径为0.2 mm，第二阶段为0.3 mm，在EQP质量/能量分析仪的开口处为1.0 mm。

离子

图3描述了He (75%)/O的典型正离子光谱₂(25%)放电。放电是在低功率(5 W)和距离MBMS取样孔4 mm的地方产生的。

氧的加入产生了很高比例的游离氧⁺离子。其他发现的物种包括NO⁺,哈⁺，以及H_3.O⁺由大气中的水蒸气产生。

图3。正离子质谱。

修改采样孔板接地到放电电极的距离对正离子能量分布的影响如图4所示。在7w输入功率下，放电条件为He(75%)/N₂(25%)。

离子能量的分布类似，能量分布的峰值随着距离的减小而适度增大。最佳距离为4 mm。在更近的距离，放电变得不稳定。对于不同比例的气体混合物也有类似的结果。

图4。N的离子能量分布⁺从他/ N₂等离子体与取样孔的距离。

离子能量分布(O⁺离子)作为放电功率的函数也被计算出来，如图4所示。在距离4 mm处，放电条件为He(75%)/O₂(25%)。

随着功率的增加，等离子体电势(3 W时约为1-2 V)也在增加，在10 W时，等离子体电势尾部的能量分布接近50 eV。

图5。O的离子能量分布⁺从他/ O₂等离子体作为放电功率的函数。

中性色

利用EQP仪器的离子光学和内电离器，可以对带电粒子进行排斥，从而研究中性等离子体粒子。yabo214该光谱是从等离子体中采样的中性和在EQP的内部电离源中电离的背景中性的卷积。

图6描述了He/O的质谱₂当等离子体关闭和打开时放电。这些光谱的差异可以推断出来，以提供有关采样的中性的信息。

图6。中性质谱为等离子体上(红色痕迹)和等离子体下或背景(绿色痕迹)。

外观电位测量是一种成熟的测量等离子体自由基成分的技术。图7显示了等离子体开启和等离子体关闭条件下原子氧的外观电位扫描。

O⁺信号部分是由于O自由基的直接电离;

O + e→O⁺+ 2e (Ei = 14.8 eV)

部分是由于O的解离电离₂分子;

O₂+ e→O⁺+ O + 2e (Ei = 20.3 eV)。

本底氧自由基是由氧的解离电离产生的₂电离丝上的分子与等离子体分离。

图7。O的外观电位扫描，等离子体开关。氧的解离电离阈值₂是20.3 eV。

等效外观电位扫描为N，从一个He/N₂，如图8所示，对应过程;

N + e→N⁺+ 2e (Ei = 16.5 eV)

和N的解离电离₂；

N₂+ e→N⁺+ N + 2e (Ei = 25.2 eV)

对于工业相关气体混合物的其他自由基，如He/N的NOx，也有类似的测量记录₂O和这些结果的量化将是额外工作的主题。

图8。在等离子体开关的情况下对N进行外观电位扫描。从N₂是25.2 ev。

臭氧

大气等离子体源产生的臭氧主要用作消毒剂。Hiden MBMS系统已经投入使用，对Enaly贸易有限公司的一个商业来源产生的臭氧进行初步测量。

O⁺阿,₂⁺阿,_3.⁺离子被发现。O_3.⁺(在10 ppm左右)在12.2 eV下计算，如图9所示。这与Radwan et al.[2]的值一致。

图9。O的表观电位_3.⁺生产在一个商业臭氧发生器。

EQP质量/能量分析仪的内电离源也可以设置为在低电子能量下发挥作用，以审查电子附着过程。电子附着扫描O的生成₂^{- - - - - -}如图10所示，臭氧发生器是开关的。对于这两种情况，在8-10 eV之间都有一个很大的附着峰，这是直接附着于O₂．

图10。O₂^{- - - - - -}当臭氧发生器打开(绿线)和关闭(蓝线)时，由EQP离子源中的电子附着产生。

当臭氧发生器打开时，在1.5 eV左右出现第二个较小的吸附峰，这是由于解离吸附过程;

O_3.+ e→O₂^{- - - - - -}+ O (Ea = 1.5 eV)，

与先前记录的结果一致，Curran[3]。

结论

EQP质能分析仪和隐藏分子束质谱仪系统已经被用来回顾几种与材料加工相关的大气等离子体源。亚博网站下载

对正离子进行了探测，并计算了它们的能量分布。电子吸附质谱法和外观电位法检测到大量自由基。进一步的工作将集中于测量本文中给出的初步数据。

参考文献

1. 引用本文:王志强，王志强，王志强，等。等离子体源研究进展。技术，11 (2002)pp 383-388
2. T N Radwan和D W Turner, J. Chem。Soc。(A)， (1966) pp 85 - 86
3. J.化学学报。理论物理。5 (1961) pp 1849-1851

这些信息已经从Hiden Analytical提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问针孔分析。