真空弧離子源的電阻觸發(fā)工作方式

鄭 樂(lè) 藍(lán)朝暉 龍繼東 彭宇飛 李 杰 楊 振 董 攀 石金水

（中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所 綿陽(yáng) 621900）

真空弧離子源的電阻觸發(fā)工作方式

鄭 樂(lè) 藍(lán)朝暉 龍繼東 彭宇飛 李 杰 楊 振 董 攀 石金水

（中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所 綿陽(yáng) 621900）

介紹了真空弧離子源的一種電阻觸發(fā)工作方式。有別于典型金屬蒸汽真空弧(Metal vapor vacuum arc, MEVVA)離子源的觸發(fā)工作方式，該方式不需要高壓觸發(fā)脈沖發(fā)生器和高壓隔離脈沖變壓器，簡(jiǎn)化了電源系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了采用電阻觸法20-200 A主弧電流下的引出離子流，結(jié)果表明離子流隨主弧流增大。研究了不同阻值觸發(fā)電阻的起弧情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定電阻阻值范圍內(nèi)，觸發(fā)電阻越大，觸發(fā)越難成功。電阻增大使得觸發(fā)時(shí)間增長(zhǎng)，主弧上升沿變緩，但是對(duì)引出的離子流幾乎沒(méi)有影響。

真空弧，離子源，觸發(fā)，離子流

真空弧放電可以產(chǎn)生高密度與高電離態(tài)的等離子體。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，作為曼哈頓工程的一個(gè)組成部分，研究人員就曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)利用弧光放電的離子源以產(chǎn)生等離子體的試驗(yàn)[1]。近年來(lái)，很多研究單位也陸續(xù)開(kāi)展了這方面的研究工作[2]。該種離子源應(yīng)用范圍較廣，可以根據(jù)所用陰極材料進(jìn)行如下分類(lèi)：使用金屬電極的離子源，主要應(yīng)用于材料表面改性以及高能物理研究中的金屬離子注入等方面；使用導(dǎo)電非金屬電極（通常使用碳電極）的離子源，主要應(yīng)用于金剛石薄膜沉積技術(shù)；使用吸氫金屬電極（吸氫金屬一般使用Ti、Sc、Er等）的離子源，主要用于產(chǎn)生氫離子，應(yīng)用于等離子體槍和中子發(fā)生器。

1 真空弧離子源的起弧方式

目前已有很多種方式來(lái)產(chǎn)生真空弧，常用方法有：高壓真空擊穿[3]、高壓沿面放電[4-5]、激光觸發(fā)[6-7]和低壓起弧[8]等。他們的共同點(diǎn)都是要在一個(gè)電極附近產(chǎn)生初始的等離子體，再通過(guò)初始等離子體將陰陽(yáng)極橋接上，使得陰陽(yáng)極之間有大電流通過(guò)，并且保持一個(gè)較低的弧壓。

常見(jiàn)的MEVVA源采用的是高壓沿面放電的觸發(fā)方式。典型的MEVVA源結(jié)構(gòu)如圖1[9]所示，圖1展現(xiàn)了等離子體產(chǎn)生和引出兩個(gè)部分。當(dāng)離子源工作時(shí)，首先由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)10 kV左右數(shù)個(gè)微秒脈寬的脈沖，該脈沖加載在觸發(fā)電極與陰極之間，使得陶瓷絕緣子上產(chǎn)生沿面閃絡(luò)，產(chǎn)生初始等離子體；而后初始等離子體由于擴(kuò)散使得陰陽(yáng)極導(dǎo)通；最后在陰陽(yáng)極之間加載適當(dāng)?shù)闹骰‰妷海a(chǎn)生電弧。該種方式被使用了很多年，在大部分金屬材料應(yīng)用中較可靠。但這種高壓閃絡(luò)觸發(fā)方式需要一個(gè)高壓脈沖放生器和一個(gè)高壓隔離脈沖變壓器，并且需要考慮觸發(fā)電壓和主弧高壓的同步疊加問(wèn)題。如此一來(lái)，增加了離子源電源系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。本文主要介紹一種基于高壓沿面放電，利用電阻來(lái)觸發(fā)起弧的方式，這種方法可以簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)。

圖1 典型MEVVA源布局示意圖Fig.1 Schematic of typical MEVVA source.

2 電阻觸發(fā)起弧的原理

圖2為電阻觸發(fā)起弧的原理示意圖，采用了工作于微秒放電脈沖的真空弧離子源，由陰極、觸發(fā)極、陽(yáng)極以及絕緣介質(zhì)組成。陰極接電源負(fù)高壓端，陽(yáng)極連接地與電源正端，觸發(fā)極通過(guò)電阻R后接地，電阻R阻值可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)。主弧電源可以提供0-10 kV的可調(diào)高壓輸出，脈寬為2-10 μs可調(diào)。主弧電源最大重復(fù)頻率為1 Hz，但通常只工作于單次放電模式。主弧電源配合電源內(nèi)阻，用來(lái)控制陰陽(yáng)極之間的主弧電流IArc。

圖2 電阻觸發(fā)起弧的原理示意圖Fig.2 Schematic of triggering a vacuum arc with a resistance.

整個(gè)工作流程可以用兩個(gè)階段描述：

第一階段：電源加壓時(shí)，由于陰極-觸發(fā)極的距離較陰極-陽(yáng)極近的多，且有絕緣介質(zhì)的存在，因此首先在絕緣介質(zhì)上發(fā)生沿面擊穿。初始等離子體在陰極和觸發(fā)極之間產(chǎn)生，并且導(dǎo)通觸發(fā)極與陰極，此刻電阻R上有觸發(fā)電流ITri通過(guò)。電流回路由陰極、觸發(fā)極、等離子體通道、電阻R以及電源構(gòu)成。此刻ITri的值與電源的輸出電壓、電源內(nèi)阻、電阻R以及等離子體通道等效內(nèi)阻（與電源內(nèi)阻和電阻R相比很小）等相關(guān)。

第二階段：由于陰極與觸發(fā)極之間產(chǎn)生的初始等離子體具有擴(kuò)散作用，當(dāng)初始等離子體達(dá)到陽(yáng)極后，形成陰極-陽(yáng)極等離子體通道，從而導(dǎo)通陰極和陽(yáng)極。由于此通道等效內(nèi)阻遠(yuǎn)小于電阻R，從陰極出來(lái)的電流，大部分會(huì)從陰極-陽(yáng)極等離子體通道流走，從而在陰極和陽(yáng)極之間形成穩(wěn)定的電弧。此刻的主弧電流IArc回路由陰極、陽(yáng)極、等離子體通道及電源構(gòu)成。IArc的值與電源的輸出電壓、電源內(nèi)阻以及等離子體通道的等效內(nèi)阻相關(guān)。

圖3為電阻觸發(fā)成功的觸發(fā)電流-主弧電流示波器波形圖。該次觸發(fā)的電源輸出電壓設(shè)定約為7.3kV，輸出脈寬約5 μs，電阻R為400 Ω。獲得約4 μs的主弧平頂電流，平頂幅值為140 A。根據(jù)上述第二階段回路情況，忽略等離子體通道的等效內(nèi)阻，則可以計(jì)算得到電源內(nèi)阻值Ri≈52.2 Ω。從圖3中數(shù)據(jù)可知，觸發(fā)電流ITri的峰值約為16 A，根據(jù)第一階段電流回路情況，同樣忽略等離子體通道的等效內(nèi)阻，則可計(jì)算得到R'≈404 Ω。與實(shí)際的R阻值相差不大。驗(yàn)證了兩個(gè)階段回路描述的正確性。

圖3 觸發(fā)電流ITri和主弧電流IArc波形Fig.3 Waveform of trigger current ITri and arc current IArc.

3 采用電阻觸發(fā)的離子源特性

3.1 離子束流強(qiáng)度隨弧流的變化

離子源的一個(gè)重要指標(biāo)是離子束流強(qiáng)度，而離子束流強(qiáng)度與弧流密切相關(guān)。采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究了離子束流強(qiáng)度與弧流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)陰極采用了Ti電極，采用距離陽(yáng)極約3 cm且加有直流負(fù)偏壓的收集極來(lái)收集離子束，收集板面積遠(yuǎn)大于陽(yáng)極孔面積，以求收集到絕大部分離子。圖2中探頭1、2分別用于監(jiān)測(cè)主弧電流和接收板的離子電流，用示波器采集波形。其他電參數(shù)設(shè)置如下：電阻R約為150 Ω；直流電源電壓輸出為-150 V；主弧電源輸出電壓脈寬為5 μs，調(diào)節(jié)輸出電壓確保主弧電流能在20-200 A變化，每20 A測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。考慮到真空弧離子源的不穩(wěn)定性，每個(gè)弧流下測(cè)量20次取平均來(lái)確定離子流。主弧電源放電由DG535控制，放電間隔為3 s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖4中誤差棒是根據(jù)20次離子流測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差所繪。由圖4可知，離子流IIon隨主弧流IArc增長(zhǎng)，出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因是顯而易見(jiàn)的。由于電源的輸出功率增大，主弧電流增大，主弧電流由離子流IIon與電子流Ie共同構(gòu)成，即IArc=IIon+Ie，兩者電流方向相反，通常Ie遠(yuǎn)大于IIon。作為主弧流的主要部分，Ie增大意味著放電區(qū)域里有更高密度的電子，而高密度的電子更容易使中性原子發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的離子，從而離子流增大。由誤差棒看出，隨弧流的增大，離子源的不穩(wěn)定性也越明顯。同時(shí)離子流IIon與IArc的比值隨弧流IArc增大，這說(shuō)明了主弧電流越大時(shí)，離子源放電產(chǎn)生的等離子體中的離子電離效率更高。

圖4 離子流隨弧流的變化關(guān)系Fig.4 Dependence of ion current IIon on arc current IArc.

3.2 觸發(fā)電阻阻值對(duì)放電的影響

為了研究觸發(fā)電阻阻值對(duì)放電產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。觸發(fā)電阻設(shè)置為3個(gè)檔，分別為：150 Ω、400 Ω和1000 Ω。其他電參數(shù)設(shè)置：弧電源內(nèi)阻為50 Ω，輸出電壓為5 kV，輸出脈寬約為6 μs，直流電源輸出-150 V。改變電阻的阻值，監(jiān)測(cè)弧電流IArc、觸發(fā)電流ITri以及離子流IIon的狀況。每個(gè)阻值下測(cè)量多次電流值取平均以減少離子源不穩(wěn)定造成的影響。

實(shí)驗(yàn)得到的不同觸發(fā)電阻阻值下觸發(fā)電流波形如圖5，主弧電流波形如圖6。從圖5看出，觸發(fā)電流隨觸發(fā)電阻的增大而減小，而半高寬有明顯的增大趨勢(shì)，脈寬時(shí)間增加為μs量級(jí)。如果將陰極與觸發(fā)極等效為一個(gè)平板電容，再加上電源內(nèi)阻、觸發(fā)電阻和分布電容，它們就構(gòu)成了一個(gè)RC電路。由RC電路原理可知，電源給陰極觸發(fā)極等效電容充電的時(shí)間跟RC時(shí)間常數(shù)接近。由于陰極與觸發(fā)極的面積及距離都是μm量級(jí)，粗略估算得到等效電容的值應(yīng)小于pf量級(jí)，從而以不同觸發(fā)電阻算得的RC時(shí)間常數(shù)都應(yīng)小于ns量級(jí)?？梢钥闯觯琑C時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于觸發(fā)電流增加的脈寬時(shí)間。因此，由RC電路帶來(lái)的充電時(shí)間延遲并非觸發(fā)電流脈寬時(shí)間增加的主要原因。造成觸發(fā)電流脈寬變大的主要原因應(yīng)為：當(dāng)觸發(fā)電阻變大時(shí)，由于觸發(fā)電流受到限制，所提供的初始等離子體密度減小，導(dǎo)致初始等離子體要導(dǎo)通陰陽(yáng)極就需要更長(zhǎng)的時(shí)間。從圖6所示主弧電流波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)一步驗(yàn)證上述解釋?zhuān)?dāng)觸發(fā)電阻為1000 Ω時(shí)，相對(duì)于150 Ω和400Ω的情況，主弧上升沿時(shí)間tRise明顯增長(zhǎng)，主弧半高寬度也相應(yīng)減小。這說(shuō)明了電阻阻值越大時(shí)，從上述的第一階段到第二階段的轉(zhuǎn)變時(shí)間增加了，觸發(fā)變得更加困難。

既然觸發(fā)電阻對(duì)離子源的起弧過(guò)程會(huì)產(chǎn)生影響，就可能會(huì)對(duì)離子束流強(qiáng)度產(chǎn)生影響。為此，實(shí)驗(yàn)研究了同樣弧流下不同觸發(fā)電阻對(duì)離子流強(qiáng)的影響，主弧流為100 A時(shí)，當(dāng)觸發(fā)電阻R為100 Ω、150 Ω、250 Ω、400 Ω、1000 Ω、2000 Ω和4000 Ω時(shí)，離子流IIon分別為2.74 A、2.78 A、2.70 A、2.78A、2.90 A、2.98 A和2.94 A，即隨觸發(fā)電阻R的改變，離子流的變化范圍在2.7-3.0 A，考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，可以認(rèn)為觸發(fā)電阻R的改變不會(huì)對(duì)離子流產(chǎn)生顯著影響。上述結(jié)果說(shuō)明，觸發(fā)極-陰極之間產(chǎn)生的初始等離子體只是起到幫助陰極-陽(yáng)極擊穿的種子電子作用，對(duì)主弧等離子體參數(shù)影響不大，即對(duì)離子流強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

圖5 不同觸發(fā)電阻的觸發(fā)電流波形（主弧電流為100 A）Fig.5 Waveform of trigger current with different trigger resistances (arc current is 100 A).

圖6 不同觸發(fā)電阻的弧電流波形Fig.6 Waveform of arc current with different trigger resistances.

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種利用電阻來(lái)觸發(fā)真空弧離子源使其起弧的方法，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需要高壓脈沖放生器和高壓隔離脈沖變壓器，大大簡(jiǎn)化了電源系統(tǒng)。并且這種工作方式也不需要控制觸發(fā)電壓與主弧電壓的工作時(shí)序，只要配以合適的觸發(fā)電阻值，離子源便可以自動(dòng)達(dá)成觸發(fā)起弧。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電阻觸發(fā)方式的基本規(guī)律，觸發(fā)電阻阻值越大時(shí)，觸發(fā)電流的幅值越小，電流持續(xù)脈寬時(shí)間越長(zhǎng)。這說(shuō)明了觸發(fā)電流減小，產(chǎn)生的初始等離子體密度也會(huì)減小，導(dǎo)致了觸發(fā)過(guò)程變得更慢更困難。但是一旦觸發(fā)成功，引出的離子流大小幾乎不受觸發(fā)電阻阻值大小和觸發(fā)快慢的影響，僅隨主弧電流增長(zhǎng)。

該種觸發(fā)方式下，從觸發(fā)電流到主弧電流的這一轉(zhuǎn)化過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，涉及到等離子體的形成、擴(kuò)散以及形成導(dǎo)電通道等過(guò)程。本文只是給出了一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的解釋?zhuān)瑢?duì)這一轉(zhuǎn)化過(guò)程及其特性有待進(jìn)一步研究。

1 Brown I G. Metal vapor vacuum arc ion sources[J]. Review of Scientific Instruments, 1992, 63(4): 2351-2356

2 Brown I G, Oks E M. Vacuum arc ion sources - a brief historical review[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1997, 25(6): 1222-1228

3 Anders A, Anders S, Jüttner B, et al. Pulsed dye laser diagnostics of vacuum arc cathode spots[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1992, 20(4): 466-472

4 Evans P J, Watt G C, Noorman J T. Metal vapor vacuum arc ion source research at Ansto[J]. Review of Scientific Instruments, 1994, 65(10): 3082-3087

5 Watt G C, Evans P J. A trigger power supply for vacuum arc ion sources[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 21(5): 547-551

6 Meunier J L. Pressure limits for the vacuum arc deposition technique[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1990, 18(6): 904-910

7 Siemroth P, Scheibe H J. The method of laser-sustained arc ignition[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1990, 18(6): 911-916

8 Anders A, Brown I G, MacGill R A, et al. “Triggerless”triggering of vacuum arcs[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1998, 31(5): 584-587

9 Anders A, Schein J, Qi N. Pulsed vacuum-arc ion source operated with a “triggerless” arc initiation method[J]. Review of Scientific Instruments, 2000, 71(2): 827-829

CLCTL503.3

Method of triggering the vacuum arc ion source with a resistor

ZHENG Le LAN Zhaohui LONG Jidong PENG Yufei LI Jie YANG Zhen DONG Pan SHI Jinshui
(Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The metal vapor vacuum arc (MEVVA) ion source is a common source which provides strong metal ion flow. To trigger this ion source, a high-voltage trigger pulse generator and a high-voltage isolation pulse transformer are needed, which makes the power supply system complex. Purpose: To simplify the power supply system, a trigger method with a resistor was introduced, and some characteristics of this method were studied. Methods: The ion flow provided by different main arc current was measured, as well as the trigger current. The main arc current and the ion current were recorded with different trigger resistances. Results: Experimental results showed that, within a certain range of resistances, the larger the resistance value, the more difficult it was to success fully trigger the source. Meanwhile, the main arc rising edge became slower on the increasing in the trigger time. However, the resistance value increment had hardly impact on the intensity of ion flow extracted in the end. The ion flow became stronger with the increasing main arc current. Conclusion: The power supply system of ion source is simplified by using the trigger method with a resistor. Only a suitable resistor was needed to complete the conversion process from trigger to arc initiating.

Vacuum arc, Ion source, Trigger, Ion current

TL503.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010202

國(guó)家自然科學(xué)基金(11105130、11305162)資助

鄭樂(lè)，男，1989年出生，2011年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，從事脈沖真空弧放電及等離子體特性研究

龍繼東，E-mail: longjidong@tsinghua.org.cn

2013-11-14，

2013-12-20