Diagnostics of analytical glow discharges using optical emission spectroscopy

[Н. Недић]

83 стр.

Физика - Физика јонизованог гаса и плазме / Physics - Physics of ionized gases and plasma

У овој докторској дисертацији је експериментално установљена нова спектроскопска метода заснована на стандардним техникама оптичке емисионе спектроскопије и Stark–ове поларизационе спектроскопије, која је примењена за дијагностику стандардног Grimm–овог извора тињавог пражњења који се често користи у аналитичкој спектроскопији, а који има могућност оптичког посматрања само са краја извора пражњења тј. нормално на површину катоде. Спектроскопским посматрањем са краја извора се прикупља зрачење из свих области пражњења, како из прикатодне области тако и из области негативног светљења. Централни део истраживања ове докторске дисертације посвећен је развоју методе за процену параметара прикатодне области (максималне јачине електричног поља Emax и дужине прикатодне области dc) стандардног Grimm–овог абнормалног тињавог пражњења, која се формира као тамни слој испред површине катоде, и која је, посматрајући са краја извора пражњења, ,,сакривена“ иза области интензивног негативног светљења. Истраживања су извршена са модификованим Grimm–овим извором пражњења који омогућава оптичко посматрање са две позиције: (1) са краја извора пражњења (енгл. end–on), нормално на површину катоде a у правцу осе пражњења и (2) са стране извора пражњења (енгл. side–on), паралелно са површином катоде а нормално на осу пражњења, чиме се може извршити појединачно истраживање свих просторно раздвојених области пражњења. Истраживање је засновано на анализи профила спектралних линија атома хелијума, неона и аргона који су снимљени из оба оптичка правца тј. и са стране и са краја извора пражњења. Профили снимљени са стране показали су да у прикатодној области, где постоји утицај Stark–овог ефекта због присуства електричног макропоља, долази до померања, а понекад и до истовременог померања и цепања спектралних линија, као и појаве забрањених компоненти у случају спектралних линија атома хелијума. Код еnd–on профила спектралних линија детектовне су спектралне ширине неколико пута веће у односу на инструментални Gauss–ов профил и карактеристични помераји у смеру Stark–ових помераја који се јављају код side–on профила у прикатодној области. Сви примећени феномени који се односе на облике спектралних линија снимљених са краја извора пражњења су повезани са Stark–овим ефектом макропоља у прикатодној области и ширењем услед микропоља плазме у области негативног светљења. Снимањем профила спектралних линија у широком опсегу услова пражњења који укључују различите катодне материјале, примењене напоне, струје и притиске гаса, установљена је стабилна линеарна корелација између мерених side–on Stark–ових помераја λs на позицији где је одређена максимална јачина електричног поља у прикатодној области, и карактеристичних end–on помераја λе. Познавајући коефицијент поменуте линеарне корелације за испитивану спектралну линију, и вредност измереног end–on помераја λе може се проценити максимална јачина електричног поља Emax у прикатодној области при одређеним условима пражњења, а самим тим и дужина прикатодне области dc код стандардног Grimm–овог извора пражњења са доступним оптичким посматрањем само са краја извора.

In this doctoral dissertation, a new spectroscopic method based on the standard techniques of optical emission spectroscopy and Stark polarization spectroscopy was experimentally established and applied for the diagnostics of the standard Grimm glow discharge source, which is commonly used in analytical spectroscopy and has the possibility of optical observations only from the end of the discharge source, i.e. perpendicularly to the cathode surface. Spectroscopic observation from the end of the source collects radiation from all areas of the discharge, both from the cathode sheath and from the negative glow. The central part of the research of this doctoral dissertation is devoted to the development of a method for estimating the parameters of the cathode sheath (maximum electric field strength Emax and thickness of the cathode sheath dc) established in front of the cathode surface and "hidden" behind the negative glow when viewed from the end of the discharge source. The research was carried out with a modified Grimm abnormal discharge source, which allows optical observation from two positions: (1) from the end of the discharge source (end–on), perpendicular to the cathode surface and in the direction of the discharge axis, and (2) from the side of the discharge source (side–on), parallel to the cathode surface and perpendicular to the discharge axis, which allows spatially resolved study of different discharge regions. The research is based on the analysis of spectral line profiles of helium, neon and argon atoms recorded from both optical directions, i.e. from the side as well as from the end of the discharge source. The profiles observed from the side showed that in the cathode sheath, where the Stark effect due to the presence of an electric macro–field induces a line shift and sometimes a simultaneous shifting and splitting of the spectral lines, as well as the appearance of forbidden components of helium spectral lines. In end–on line profiles, the detected spectral widths are several times larger than the instrumental Gaussian profile, and the characteristic shifts are in the direction of the Stark shifts that occur in the side–on profiles recorded in the cathode sheath. All observed phenomena in spectral line shapes recorded from the end of the discharge source are related to the Stark effect of the macro–field in the cathode sheath and to the broadening due to the plasma micro–field in the negative glow. By recording spectral line profiles in a wide range of discharge conditions, including different cathode materials, applied voltages, currents and gas pressures, a stable linear correlation has been found between the measured side–on Stark shifts λs at the position where the maximum electric field strength in cathode sheath was attained, and characteristic end–on shifts λe. Knowing the coefficient of this linear correlation for the investigated spectral line and the value of the measured end–on shift λe, the maximum strength of the electric field Emax in the cathode sheath under certain discharge conditions can be estimated, and thus the length of the cathode sheath dc in the standard Grimm abnormal discharge source in which optical observations can be made from the end of the source only.

Оптичка емисиона спектроскопија, Grimm–ово абнормално тињаво пражњење, Прикатодна област, Област негативног светљења, Stark–ов ефекат, Профили спектралних линија хелијума, неона и аргона, Електрично поље

Optical emission spectroscopy, Grimm abnormal glow discharge, Cathode sheath region, Negative glow region, Stark effect, Spectral lines of helium, neon and argon, Electric field

535.337:533.9(043.3)

Tekst