CRDS/LIF诊断HiPIMS——靶面Ti原子/离子基态密度及94%电离度

点睛：

利用腔衰荡光谱（CRDS）与激光诱导荧光（LIF）测得HiPIMS放电中靶附近Ti原子和离子基态多重态各能级密度。发现高能级出现布居反转，跑道上方Ti⁺密度达8.3×10¹¹ cm⁻³，电离度高达94%，且脉冲结束后仍保持高电离。

引言：

HiPIMS因高离化率而广泛用于高性能涂层，但靶面附近金属原子和离子的基态密度分布及电离过程尚不清晰。传统诊断难以定量测量基态粒子密度。CRDS自校准吸收光谱结合LIF空间分辨成像，能否揭示Ti靶HiPIMS放电中原子和离子的时空分布及电离机制？

解析：

捷克西波西米亚大学物理系的Pajdarova等人采用CRDS+LIF技术，以“On density distribution of Ti atom and ion ground states near the target in HiPIMS discharge using cavity ring-down spectroscopy and laser induced fluorescence”为题发表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其工艺参数如下：

1）靶材：Ti靶，直径100mm，厚6mm；2）工作气体：Ar，气压1Pa；3）电源参数：脉宽100μs，重复频率100Hz和500Hz（平均功率密度均为3.8W/cm²），峰值功率密度分别为498W/cm²（100Hz）和116W/cm²（500Hz）；4）诊断：CRDS测量吸收谱线获得密度，LIF成像获取空间分布，位于靶上方z=10mm平面；5）基体：等离子体诊断。

图1 靶上方Ti原子和离子基态多重态各能级密度的时间演化

图1显示，Ti⁺离子各能级密度随能级能量升高而增大，高能级密度显著高于低能级，即出现布居反转（ni/gi随能级升高而增加）。这种反转在脉冲结束后40μs仍然存在。Ti原子也有类似趋势但较弱。频率100Hz时，Ti⁺总密度峰值约8×1011 cm-3；500Hz时约2.5×1011 cm⁻³。布居反转源于高密度低能电子的频繁碰撞激发以及高能级向低能级的辐射级联。

图2 靶上方Ti原子和离子密度空间分布

图2显示不同时刻的径向密度分布。Ti⁺离子密度峰值位于跑道（r≈±28mm）上方，100Hz时峰值达8.3×10¹¹ cm⁻³；脉冲结束后峰值向靶边缘移动。Ti原子密度峰值位于靶中心（r=0），100Hz时峰值约4.7×10¹¹ cm⁻³。在跑道位置（r≈±33mm）处Ti原子密度出现明显“凹槽”，这是由于该区域电离强烈，Ti原子被频繁电离为Ti⁺，导致原子密度降低。这一现象直接证明了HiPIMS中跑道上方的高电离活性。

图3 电离度的时间演化和空间分布

图3a,c显示电离度η = n(Ti⁺)/[n(Ti⁺)+n(Ti)]。从GSM总和计算的电离度在100Hz时高达94%，且脉冲结束后仍保持较高水平约75-80%。从基态（仅0eV能级）计算的电离度较低，说明仅测基态会低估总电离度。图3b,d显示空间分布：电离度峰值始终位于跑道上方，脉冲期间可达94%；500Hz时峰值约70%。这说明高功率密度HiPIMS可实现极高电离度，且电离区域集中在跑道。

结论与延伸：

1. 成功测量Ti原子和离子基态多重态各能级的密度，发现高能级出现布居反转，高能级粒子数密度/统计权重大于低能级，在Ti⁺中尤为显著且脉冲结束后仍持续40μs。

2. 在100Hz，峰值功率密度498W/cm²时，跑道上方Ti⁺密度达8.3×10¹¹ cm⁻³，电离度峰值94%；Ti原子密度峰值在靶中心，跑道处因强电离出现密度凹槽。

3. 传统仅测量基态（0eV）能级会低估总粒子密度和电离度；布居反转使得激发温度Tex为负，故不能用玻尔兹曼分布从基态推算其他能级密度，需直接测量。

论文DOI：10.1088/1361-6595/ac6d0b