CN115267449A - 一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，自主设计的微米间隙放电光谱采集系统，通过发射光谱法对亚毫米间距下空气电晕放电的活性粒子种类，并通过光强比值法对电子激发温度进行光谱诊断。伴随着集成电路和微机电系统(Micro‑Electro‑Mechanical System，MEMS)技术的高速发展，元器件之间的空间达到亚毫米量级，为保障这些设备能够在良好的绝缘环境下长久运行，对微间隙空气放电的电子激发温度提供一种发射光谱诊断方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，本文通过发射光谱法对微间隙空气放电的活性粒子进行诊断，并通过光强比值法对大气压下微间隙等离子体空气放电的电子激发温度进行诊断。确定出微间隙空气放电光谱诊断方法。
背景技术
伴随着集成电路和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的高速发展，电子器件内部的绝缘水平也越来越受到重视，这些器件之间的空气间隙基本在亚毫米级及以下量级，由于器件内部有大量的空气间隙，因此器件在工作运行时，较小的电压即可导致空气间隙内产生气体放电，破坏空气间隙内的绝缘水平，使设备遭到破坏。为保障这些设备能够在良好的绝缘环境下长久运行，对微间隙空气放电进行发射光谱诊断至关重要。
发射光谱诊断技术是对等离子体进行测量最常用的方法之一，发射光谱的谱线特征提供了等离子体中的各种物理与化学过程的信息。
发明内容
本发明的目的是提出一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，通过以下技术方案来实现：
(1)自主搭建微米间隙针-板放电系统，实现200μm-500μm间隙可调节，模拟设备微间隙放电环境；
(2)通过耦合CCD的光学显微镜系统实现对针板间隙距离进行观察与校正，且观测从电晕起始状态到流注放电的发展过程；
(3)通过海洋光学USB2000+便携式紫外波段光谱仪对微间隙空气放电发射光谱信息进行采集；
(4)通过光强比值法对微间隙空气放电的电子激发温度进行诊断。
如上所述，本发明提供的一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，本发明的效果：
大气压微间隙空气放电光谱诊断切合了电路集成化和元气设备微型化飞速发展的时代背景，为保障微小空间下设备或线路的长久运行，提供了一种对放电活性粒子种类和电子激发温度等参数的诊断方法。发射光谱诊断技术是对等离子体进行测量最常用的方法之一，有着设备简便，对放电空间无干扰等优点。这种诊断方法可以应用在微线路的电晕放电检测和击穿风险评估。在生物医学方面，微间隙放电光谱诊断技术可以实时监控等离子体手术刀的状态，保障设备安全。
附图说明
图1为本发明的方案装置图；
图2为本发明方案实物图；
图3为本发明200μm电晕放电图；
图中(a)为放电前针电极形貌；
(b)为电晕放电初期；
(c)，(d)为电晕放电中期；
(e)为电晕放电后期；
(f)为轻微流注放电。
图4为本发明200μm不同放电模式光谱图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本发明的具体实施方式可以是多种多样的，可以有其他的实施方式和应用，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
图1为本发明方案装置图。首先，直流电源提供±5000V电压，保证微间隙空气放电从电晕放电到流注放电。示波器采集放电波形，为电晕放电的起晕提供稳定的Trichel电流脉冲波形，作为起晕电信号。耦合CCD光学显微镜实现对针板间隙距离进行观察与校正，且观测针尖的从电晕起始状态到流注放电的发展。海洋光学USB2000+便携式紫外波段光谱仪及计算机对放电过程的发射光谱进行采集。发明方案的设备实物图如图2所示。
图3为本发明200μmCCD耦合光学显微镜采集到的放电图，从开始加电压前的针电极形貌开始采集，依次采集到电晕放电初期，电晕放电中期，电晕放电后期直到产生轻微流注放电的完整过程图像。
图4为本发明200μm不同放电模式光谱图。通过两个放电光谱图进行对比发现，当放电从电晕放电模式转换到轻微流注放电模式时，会产生NⅢ—589.665nm(理论波长589.315nm，3s→3p)和OⅠ—777.151nm(理论谱线777.194nm，3s→3p)的两条谱线。所以可以通过这两条谱线的出现作为电晕放电模式进入击穿放电模式的判定参数。
通过光强比值法对微米间隙电晕放电的电子激发温度进行计算。计算结果表明，大气压下微米间隙负电晕放电的电子激发温度大约在2900K～6900K。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。
Claims (3)
1.一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：通过高压电源、限流电阻、针-板电极(钨针-不锈钢板)和微米级升降台自行搭建微米间隙放电系统。；
步骤二：通过耦合CCD的光学显微镜系统实现对针-板间隙距离进行观察与校正，且观测从电晕起始状态到流注放电的发展过程。
步骤三：通过海洋光学USB2000+便携式紫外波段光谱仪记录发射光谱信息。
步骤四：通过光强比值法对放电电子激发温度进行诊断。
2.根据权利要求1所述一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，其特征在于，步骤一具体包括高压电源，东文DW-SA502型高压充电电源，能提供±5000V直流电压；示波器(Tektronix DPO3052)，高压探头，能捕捉放电波形，起晕电压和击穿电压。限流电阻阻值为10MΩ，保护高压电源。升降台可实现板电极在0～500μm范围内垂直移动，精度为1μm，实现对针-板间距离的控制。
3.根据权利要求1所述一种大气压下微间隙空气放电光谱诊断系统，其特征在于，步骤四具体包括：光强比值法是目前使用较为广泛的电子激发密度诊断方法。假设等离子体处于局域热平衡状态，并且等离子体在光学上是稀薄的(即与自发发射相比，受激发射和吸收可以忽略)，从原子线的绝对强度可以推出形式上的激发温度。原子同一电离级次，激发能近似的两条谱线λ1和λ2的发射光相对强度I1，I2之比与其电子激发温度Te满足下式关系：
将式(2-1)取对数并作变换，可以得到电子激发温度为：
式中k为玻尔兹曼常数，E为相应的上能级激发能，g为对应上能级的统计权重，A为跃迁概率，Te为电子激发温度。
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