ГЛАВА 5. Методы контроля плазмы, плазмохимических и ионно-плазменных процессов

5. Абсорбционная спектроскопия

В основе метода лежит избирательное поглощение электромагнитного излучения оптического диапазона молекулярными компонентами плазмы. Зондирующее излучение из внешнего источника проходит через зону плазмы и регистрируется монохроматором (рис. 1). При выполнении закона Ламберта - Бугера - Бера связь между концентрацией поглощающих частиц и количеством поглощенного света будет определяться соотношением вида:

, или

(1)

где  - падающий световой поток, - световой поток, выходящий из зоны поглощения длиной ,  или  - сечение, см² или коэффициент фотопоглощения, л/моль^.см, а  или  - число поглощающих молекул в единице объема, 1/см³ или их мольная концентрация, моль/л. При известных интенсивностях падающего и прошедшего света, а также сечения (или коэффициента) поглощения, концентрация поглощающих молекул определится как:

(2)

Для практических расчетов по уравнению (2) необходимо также учитывать несовпадение длин зоны плазмы и зоны поглощения, а также присутствие собственного излучения разряда на длине волны зондирующего сигнала.

Рис. 1. Схема реализации метода абсорбционной спектроскопии: 1 - разрядная трубка, 2 - источник зондирующего излучения, 3 и 5 - источники питания, 4 - монохроматор, 6 - фотоэлектронный умножитель, 7 - усилитель, 8 - регистрирующее устройство

Уравнение (1) показывает, что чувствительность метода, определяемая отношением , зависит от двух основных факторов - сечения фотопоглощения и концентрации поглощающих частиц. Первый фактор накладывает значительные ограничения на возможные виды определяемых частиц. В настоящее время абсорбционная спектроскопия успешно используется для диагностики плазмы молекулярных галогенов - хлора и брома, которые имеют максимальные сечения фотопоглощения среди других молекулярных газов, используемых в технологии плазменной обработки материалов. Поэтому при дальнейшем изложении материала мы остановимся на рассмотрении особенностей данного метода применительно к плазме Cl₂. Второй фактор ограничивает диапазон давлений газа, при котором может обеспечиваться достаточная точность измерений. Существует несколько работ, сообщающих об успешном использовании абсорбционной спектроскопии для исследования массового состава хлорной плазмы в диапазоне давлений от десятков до сотен паскаль. Авторы большинства из них отмечают, что основной проблемой метода является низкая чувствительность (высокая погрешность) в области давлений менее 30 - 50 Па. Тем не менее, при надлежащем аппаратном оформлении (например, при использовании многопроходной схемы для зондирующего излучения) и алгоритмах обработки сигнала, реализуемых на ЭВМ, достаточная точность измерений может быть обеспечена и в диапазоне давлений от единиц до десятков паскаль. В качестве источников излучения при диагностике плазмы хлора использовались медная шариковая лампа (= 324.7 нм), ртутная лампа ДРТ-230 ( = 365 нм, 313.2 нм) и лампа с полым катодом на серебре ЛСП-1 (= 328 нм). Выбор ламп был обусловлен близостью рабочих длин волн к максимуму фотопоглощения молекул хлора, интенсивностью и стабильностью излучения, а также тем, что на данных длинах волн излучение самого разряда является минимальным. Измерение  проводилось путем вымораживания газа с помощью жидкого азота (температура кипения 77 К). При этой температуре давление паров хлора практически равно нулю.

При известной концентрации молекул определение концентраций продуктов их диссоциации (в рассматриваемом примере - атомов хлора) может производиться по разности концентраций молекул в основном состоянии в разряде и без разряда. Такой подход основан на предположении, что в условиях ННГП концентрации атомов Cl и молекул Cl₂ в основном состоянии значительно выше концентраций частиц других типов. Предположение о том, что газовая фаза состоит в основном из молекул и атомов хлора является справедливым для разрядов пониженного давления (10 - 500 Па) и малой удельной мощности (W_уд < 10 Вт/см³). Конкретные расчеты концентрации атомов хлора могут быть проведены по уравнению материального баланса молекул Cl₂ в предположении о неизменности давления в реакторе при зажигании разряда:

(3)

где  и  - концентрация молекул и температура газа в реакторе при данном давлении в отсутствии разряда.

Ограниченность числа диагностируемых систем и низкая чувствительность в области малых давлений в настоящее время остаются основными сдерживающими факторами для более широкого использования абсорбционной спектроскопии для контроля технологических процессов плазменной обработки материалов.