Emission characteristics of Grimm-style glow discharge plasmas with helium matrix plasma gas containing small amounts of nitrogen

Machiko Tsukiji, Kazuaki Wagatsuma

Microchemical J., 87 (2007) 175-179

Abstract
Glow discharge plasmas with helium–(0–16%) nitrogen mixed gas were investigated as an excitation source in optical emission spectrometry. The addition increases the sputtering rate as well as the discharge current, because nitrogen molecular ions, which act as primary ions for the cathode sputtering, are produced through Penning-type ionization collisions between helium metastables and nitrogen molecules. The intensity of a silver atomic line, Ag I 338.29 nm, is monotonically elevated along with the nitrogen partial pressure added. However, the intensities of silver ionic lines, such as Ag II 243.78 nm and Ag II 224.36 nm, gave different dependence from the intensity of the atomic line: Their intensities had maximum values at a nitrogen pressure of 30 Pa when the helium pressure and the discharge voltage were kept at 2000 Pa and 1300 V. This effect is principally because the excitations of these ionic lines are caused by collisions of the second kind with helium excited species such as helium metastables and helium ion, which are quenched through collisions with nitrogen molecules added to the helium plasma. The sputtering rate could be controlled by adding small amounts of nitrogen to the helium plasma, whereas the cathode sputtering hardly occurs in the pure helium plasma.

ヘリウムマトリックス窒素混合ガスを用いたグリム型グロー放電プラズマの発光特性

築地 真知子、我妻 和明

Microchemical J., 87 (2007) 175-179

Abstract
窒素を0-16%含むヘリウム混合ガスを用いたグロー放電プラズマの発光分光分析用の励起源としての分光特性を調べた。ヘリウムマトリックスガスに窒素を少量添加することにより、 スパッタリング量および放電電流の増大が観察された。これは窒素分子イオンが放電プラズマにおいてスパッタリングの一次イオンとして機能することによるものであり、 窒素分子イオンはペニング電離機構によりヘリウム準安定原子との衝突により生成すると考えられる。試料として銀を用いた場合、その中性原子線 Ag I 338.29 nmの発光強度は窒素ガスの 導入圧力に従って単調に増加するが、銀1価イオン線、たとえば Ag II 243.78 nm, Ag II 224.36 nmの発光強度は中性原子線とは異なる強度変化を示した。 ヘリウム圧力2000 Pa、放電電圧1300 Vの場合には、1価イオン線の発光強度は窒素の導入圧力が 30Pa近傍で極大値を示した。この現象は1価イオン線の励起機構が 銀原子とヘリウムイオンや準安定原子のようなヘリウム励起種との第二種衝突によるものと考えることができ、極大値はこのようなヘリウム励起種が窒素ガスによりクエンチング により数密度を減じることに関係している。ヘリウム窒素混合ガスプラズマにおいては、窒素分圧を調節することよりそのスパッタリング量を調節することが可能である。

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