HiPIMS自組織放電高分辨光譜影像學

引言

因磁場約束，以及超高功率放電，高功率脈沖磁控濺射技術（HiPIMS）在放電過程中會存在局部放電增強而導致輝光閃爍的不穩定現象。當不穩定輝光存在時，其放電狀態也有很大差異，輝光會形成不同的放電組織和斑圖形式。伴隨著這些增強型斑圖輝光放電，其內部粒子成分放電狀態如激發與電離存在差異，如何直觀研究這些變化，高分辨光譜影像學是一種有效的手段，可直觀觀察不穩定區域的放電形式與變化。

點睛

1）高分辨光譜影像學可用來分析放電的局部狀態，如穩定性；

2）高分辨光譜影像學可用來分析不同粒子的成分，激發、離化狀態等；

內容

實驗采用Al靶材作為高功率脈沖磁控濺射源，并進行光譜影像學的放電研究。如圖1(a)所示，當沒有任何光譜濾波時，我們可以看到圓形自組織放電斑圖，且有局部增強。然而當我們采用394nm光濾波時，可以看到Al原子的激發輻射譜1(b)，而且強度最大，說明整個放電斑圖中充斥著帶有能量的激發態Al原子。相比之下，激發態為13.08eV的Al原子，強度較弱，說明該種成分較少圖1(c)，但激發態13.3eV的Al原子在四個斑點處表現增強圖1(d)，且與圖1(a)中的四個斑點對應，說明四個斑點處以高能激發為主。與我們常規認為此處可能為放電強度高，離化率高有一定差異，因此通過高分辨光譜影像學有助于我們正確認識和理解等離子體放電狀態。

圖1.不同Al成分下的高分辨光譜影像學(a)總體影像圖,(b-d)Al原子激發態影像圖，(e-g)Al離子激發態影像圖。

那離化狀態如何？如圖1(e)為離化能量為15.06eV的Al離子態，可以看到其放電斑圖與圖1(d)并不重合，說明其離化不來自13.3eV的激發離化，更像是來自3.14eV的Al原子的直接激發離化。同理，對于更高離化態的Al離子，如圖1(f),1(g),其放電更弱，說明高能態Al離子較少，且這些高能態Al離子有可能來自于3.14eV的激發離化和13.3eV的Al原子激發離化。

因此，通過高分辨光譜影像學的研究可以糾正我們所認知的等離子體狀態，讓我們更正確理解放電形式和機理。

延伸

1) 高分辨率光譜影像學可以觀察更多放電成分的狀態與不同位置的分布等。

2) 作為有效的診斷工具，更多的有效信息將會傳遞出來，對等離子體放電機制提供幫助。

3) 但如何從給出的診斷圖，去深入挖掘更多的放電機理，需要具備深厚的理論知識與基礎。