·548 北京科技大学学报 1994年No.6 1试验装置 试验装置采用直流等离子体喷射沉积金刚石膜设备·其等离子体炬通道直径、长度以及 阳极喷嘴直径调整方便，等离子体炬外部可设置外部磁场，工作气体采用氩、氢和甲烷等含 碳气体，气体可从等离子体炬的不同部位加人，压力为6.65×10~6.65×10Pa. 2电弧能量转换与电磁特性分析 2.1气体能量的获得 等离子体的温度很高，即使是低温等离子体，电弧轴心温度也达上万度山.在等离子体炬 中，电子从阴极发射后，在极间电场E的作用下不断得到加速，其加速度为： a=d./dt=eE/m。 (1) 式中为电子速度，t为时间，m为电子质量，e为电子电荷.电子在运动过程中不断 与重粒子（分子、原子和正离子等）发生碰撞，在碰撞周期t内所获得的最大速度为： V=at=eEt/me (2) 其对应动能W为： W.=(1y2)m.V2=(eE)八2m) (3) 电场强度E越大，则W越大，而等离子体中各种气体粒子活性激发、解离与电离是通过 它们与电子的非弹性碰撞来完成的，因此提高电场强度E也就增加了气体的分解和电离率，设 气体的分解率、电离率分别为n、x,则有： 子，=0n·乡exp(-) M32v (4) 13·P=3.16×10-7T52exp(-k7） (5) 式中M为分子量（只考虑双原子分子），v为量子振动频率，I为分子转动惯量，919 分别为原子、分子的微观状态数，n为原有分子数密度，T为温度，P为压力，U、U分别 为分子解离能和原子一级电离能（只考虑一级电离）. 式(4)、(5)不仅给出了”及x与T的关系，也给出了其与压力P或密度n的关系.实验中正 是通过提高极间电压即提高电场强度E和适当降低气压P来增加气体活化分解和电离率 的 2.2电弧能量的转换 气体在电弧中获得能量的同时，又向外界散失能量，其方式为辐射、对流和传导，对化 学气相沉积来说，气体在等离子体炬通道中散失的能量越少，传递给工件的能量越多就越 好. 由于等离子体的温度极高，热辐射不可避免，在放电通道内壁涂以光滑的反射层是减少北 京 科 技 大 学 学 报 1哭岭 年 N o . 6 1 试验装置 试 验 装置 采用 直流 等 离子体喷射 沉 积金 刚石膜 设备 . 其等 离子体炬 通道 直 径 、 长度 以 及 阳极 喷 嘴直 径调 整方 便 , 等 离子 体炬 外部 可设置 外部 磁 场 . 工 作气体采 用 氢 、 氢 和 甲烷等 含 碳气 体 , 气 体可从等 离子 体炬 的不 同部位加 人 , 压力 为 .6 65 x 10 3 一 .6 65 x 10 5 aP . 2 . 1 电弧能量转换与 电磁特性分析 气体能 量的获得 等离 子 体的温度 很 高 , 即使是 低 温等 离子 体 , 电弧轴心温度 也 达 上 万 度 [1] . 在 等离 子 体炬 中 , 电子 从阴极 发射 后 , 在 极 间电场 E 的作用 下不 断得到 加速 , 其加 速度 为 : a = d 。 。 / d t = e E / m 。 ( l ) 式 中 ve 为 电子 速 度 , t 为 时 间 , 队为 电 子 质 量 , 。 为 电 子 电 荷 . 电 子 在 运 动 过 程 中 不 断 与重 粒子 (分 子 、 原子 和 正 离子等 ) 发生 碰撞 , 在碰 撞周 期 ; 内所获 得 的最大 速 度 为: 卜飞= a : = e E : / m 。 ( 2 ) 其 对 应动 能 We 为 : 叽 = ( l ` 2 ) m 。 Vez = ( e E )T , / ( Zo e ) ( 3 ) 电 场 强 度 E 越 大 , 则 哄越 大 , 而 等 离 子 体 中各 种气 体 粒 子 活 性 激 发 、 解 离 与 电离 是 通 过 它们 与 电子 的非 弹性 碰撞 来完 成 的 , 因此提 高 电场 强度 E 也 就增 加 了气体的分 解 和电离 率 . 设 气体的分 解率 、 电离率 分 别 为 叮 、 : , 则有 : 护 _ M 3 陀 、 l 一 叮 16 1 (k 二 乃 , ’ (4 ) 1 一 仪 2 P = 3 . 1 6 x 1 0 瓮二 p `一 责 , 7 : 5 / Z e · p ( 一 告 , (5 ) 式 中 M 为 分 子 量 (只 考 虑 双 原 子 分 子 ) , v 为 量 子 振 动 频 率 , I 为 分 子 转 动 惯 量 , gl 、 头 分 别 为 原子 、 分子 的微观 状态 数 , 叮 为原有分子 数密 度 , T 为温 度 , 尸 为压 力 , u 、 U l分别 为分 子解 离 能和 原子 一级 电离 能 (只考 虑一 级 电离 ) . 式 ( 4) 、 ( 5) 不 仅给 出了 粉 及 , 与 T 的关系 , 也给 出了其 与 压力 尸 或密度 n 的关系 . 实验 中正 是 通 过 提 高 极 间 电压 即提 高 电场 强 度 E 和 适 当 降低 气 压 尸 来 增 加 气 体 活 化分 解 和电 离率 的 . .2 2 电弧 能量 的转 换 气 体在 电弧 中获得 能量 的 同 时 , 又 向外 界散 失能量 , 其方 式 为辐射 、 对流 和传导 . 对化 学 气相 沉 积来说 , 气体在等离子 体炬 通道 中 散失 的 能量 越 少 , 传递 给工 件的 能量 越多就越 好 . 由于 等 离子 体 的温度 极高 , 热辐 射不 可避免 , 在放 电通 道 内壁涂 以 光滑 的反射 层是减少