微波ECR等離子體裝置的性能研究

宋瑞海，張書鋒，張明志，田虎林，李紹飛

(北京東方計量測試研究所, 北京 100029)

0 引言

空間環(huán)境中存在著以電離層等形式的低溫等離子體，例如太陽在不斷地噴射等離子體微粒流，形成太陽風(fēng)，在磁層中充滿了各種能量的帶電粒子和等離子體。電離層是一種天然的、長期存在的低溫、低密度的等離子體。其中等離子體的密度、溫度、成分和能量等隨著高度不同而有所變化。而在低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)上運(yùn)行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場和太陽輻射等環(huán)境因素的相互作用下，導(dǎo)致等離子體電荷在航天器上積累，使航天器與空間等離子體間不同部位間出現(xiàn)相對電位差，當(dāng)電位差到達(dá)一定的閾值時會造成靜電放電，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，從保證人員和航天儀器設(shè)備的安全角度考慮，開展等離子體環(huán)境研究，已成為了空間環(huán)境的主要課題之一[1-2]。

1 實驗裝置

由于低軌道航天器所處的F2層是低溫、低密度的等離子體，所以等離子體模擬裝置包括真空環(huán)境系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、真空測量系統(tǒng)、等離子體源系統(tǒng)、設(shè)備電源系統(tǒng)、等離子體測試系統(tǒng)等。國內(nèi)等離子體環(huán)境模擬設(shè)備主要集中在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、中科院空間中心等單位，國外等離子體環(huán)境模擬設(shè)備主要集中在美國海軍實驗室和印度等離子體研究所等單位，如表1所列。

在分析國內(nèi)外此類設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點后，設(shè)計基于ECR的雙源結(jié)構(gòu)，滿足低軌道要求的等離子體環(huán)境[3]。空間等離子體環(huán)境模擬器系統(tǒng)如圖1所示。裝置的主要技術(shù)指標(biāo)：溫度控制范圍-60～100 ℃；真空范圍105～10-5Pa；等離子體產(chǎn)生電子密度范圍為106～108個/cm3；電子溫度的范圍為1～10 eV；空間電位的范圍為-100～50 V。

表1 國內(nèi)外等離子體主要模擬單位及參數(shù)

圖1 空間等離子體環(huán)境模擬器系統(tǒng)示意圖1.供氣系統(tǒng)；2.微波源系統(tǒng)；3.電氣控制柜；4.探針系統(tǒng)；5.工控機(jī)；6.真控獲得系統(tǒng)；7.溫度控制系統(tǒng)

1.1 真空環(huán)境模擬系統(tǒng)

真空容器是直徑為1 m，長度為1.5 m的真空罐，可獲得清潔無油的10-5Pa真空度。真空罐采用放氣率低的不銹鋼材料制造，真空罐上設(shè)計有觀察窗和多個真空備用接口，容器表面進(jìn)行噴砂處理。

真空獲得系統(tǒng)，采用抽速為1 600 L/s的分子泵及機(jī)械泵和插板閥等，以達(dá)到清潔無油高真空環(huán)境。為提高抽速，縮短真空獲得時間，采用三臺并聯(lián)分子泵抽氣。5 h后獲得極限真空度為3.6×10-5Pa。

真空測量系統(tǒng)，采用電離和電阻復(fù)合式真空計，能夠測量壓力范圍是105～10-5Pa，實時可以監(jiān)測真空罐內(nèi)真空度的變化。保證真空罐內(nèi)的真空度完全維持在要求的真空度。

1.2 溫度實驗?zāi)M系統(tǒng)

溫度控制及測量系統(tǒng)，真空室內(nèi)裝有銅材料的熱沉，采用特制硅油作工質(zhì)，用外置復(fù)疊式制冷機(jī)，通過外循環(huán)對熱沉進(jìn)行制冷，用電加熱方式對熱沉進(jìn)行加熱。熱沉表面涂航天專用黑漆，吸收率和半球反射率均高于0.9，熱沉溫度范圍-60～100 ℃。測溫采用FP-93型溫控儀，加熱模塊及變壓器，高精度的溫度巡檢儀和高精度鉑電阻等。其中高精度鉑電阻在真空室內(nèi)壁布有9個測溫點，溫度測量的誤差小于±0.3 ℃。

1.3 微波放電系統(tǒng)

微波電子回旋共振(ECR)離子源是一種無陰極源，具有電離能力強(qiáng)(約10%)、等離子體密度高(108～1014cm-3)、氣壓低(10-1Pa量級)、性能穩(wěn)定等特點。反應(yīng)粒子活性高、離子能量低、無高能粒子損傷、沒有污染、磁場約束、減少等離子體與反應(yīng)室壁的相互作用。是一種低氣壓、高密度等離子體源，能夠在較低的氣壓下產(chǎn)生大面積均勻的高密度等離子體。

微波ECR等離子源校準(zhǔn)裝置是由微波源與傳輸波導(dǎo)、石英玻璃的放電室、空間環(huán)境工作室、真空抽氣系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)組成。ECR源采用的微波頻率為2.45 GHz，功率為0～550 W連續(xù)可調(diào)，磁控管產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合波導(dǎo)、環(huán)行器、定向耦合器、三銷釘調(diào)諧器、阻抗匹配器及直波導(dǎo)輸入石英玻璃的放電室。在此形成高密度等離子體，一端與微波輸入波導(dǎo)相接，稱為微波窗口，為了維持真空度，微波窗口用絕緣陶瓷板密封，另一端與空間環(huán)境工作室相連；在放電室后側(cè)，利用同軸線圈或永磁體組合成形磁鏡場或會切場如圖2所示，提供電子回旋共振的磁場，并約束等離子體粒子擴(kuò)散、運(yùn)動。在放電室中，電子在垂直磁場的平面上受洛倫茲力的作用而做回旋運(yùn)動如圖3所示。

磁場強(qiáng)度在8.75×10-2T處，電子回旋頻率和沿磁場傳播的右旋圓極化微波頻率都為2.45 GHz時，電子在微波電場中將不斷同步、無碰撞加速因而獲得的能量將大于氣體粒子的電離能、分子離解能或某一狀態(tài)的激發(fā)能，那么將產(chǎn)生碰撞電離、分子離解和離子激活，從而實現(xiàn)等離子體放電和獲得活性反應(yīng)離子，形成高密度的ECR低溫等離子體[4-5]。

圖2 會切場磁場位形(磁力線)及其對等離子體的約束

圖3 帶電粒子在磁場中的回旋運(yùn)動

1.4 等離子體測量系統(tǒng)

靜電探針亦稱朗繆爾探針(Langmuir Probe)，用來診斷等離子體特性的工具。具有測量范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。這種靜電探針主要是測量流入探針的電流和加到探針上電壓之間的關(guān)系，形成靜電探針I(yè)-V特性曲線。根據(jù)等離子體理論公式，推導(dǎo)出等離子體的電子溫度(Te)、電子密度(ne)、電子能量分布(EEDF)和等離子體空間電位(Vsp)，等離子體懸浮電位(Vf)等重要參數(shù)，進(jìn)而得知等離子體的狀態(tài)[6]。

2 測試與理論分析

2.1 測試結(jié)果

兩個微波ECR源功率各為400 W，工作氣體為Ar氣體，氣體流量為9.85×10-8m3/s，朗繆爾探針位于模擬設(shè)備的中心位置(探針伸長約為500 mm)，磁場電流為80 A，工作環(huán)境壓力為1.7×10-1Pa，電源掃描電壓為-100～50 V，根據(jù)電壓和電流的測量結(jié)果，得出雙ECR源產(chǎn)生的等離子體I-V特性曲線，如圖4所示。

由理論分析可知，當(dāng)Vp≥Vsp時，探針電流到達(dá)電子飽和電流；而當(dāng)Vp≤Vsp時，探針電流是指數(shù)函數(shù)衰減形式。故在I-V特性曲線上會出現(xiàn)一個拐點，此拐點對應(yīng)的橫坐標(biāo)(x軸)即為等離子體空間電位Vsp，I-V曲線在橫坐標(biāo)上的交點為懸浮電位Vf，此處流經(jīng)探針的電子電流與離子電流大小相等而方向相反，總電流為零。

圖4 雙ECR源產(chǎn)生等離子體的I-V特性曲線

再由靜電探針I(yè)-V特性曲線，根據(jù)電壓和電流關(guān)系(29.92 V，-1.54 E+07 A)(30.92 V，1.34 E+07 A)計算電流為0時，得出懸浮電位Vf=30.5 V。對I-V曲線求一階導(dǎo)數(shù)最大值(或二階導(dǎo)數(shù)為零值)是為拐點，得到Vp=37.9 V。

電子溫度：在I-V特性曲線過渡區(qū)內(nèi)，探針電流Ip與等離子體鞘層電場 (Vp-Vsp)之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如公式(1):

(1)

式中:Ie為探針的電子電流；Ii為探針的離子電流；k為玻耳茲曼常數(shù)；kTe的單位為eV對上式兩邊取對數(shù)，可得公式(2)：

(2)

如果將實驗測得的I-V特性曲線取半對數(shù)，得ln(Ip)=f(Vp)，則過渡區(qū)應(yīng)呈線性關(guān)系，由該直線的斜率就可以求出等離子體的電子溫度Te，如公式(3)：

(3)

將Vp和Vf兩點的I-V值代入公式(3)，可以計算電子溫度為1.79 eV。

電子密度：對應(yīng)等離子體空間電位Vp的縱坐標(biāo)(y軸)即為電子飽和電流Ie，如公式(4)：

(4)

式中：Ap為靜電探針的表面積，cm2；Ie0為電流，mA；電子溫度kTe，eV。

由等離子體的電中性特性可知：ni=ne0，故可求得離子密度ni。離子密度ni與電子密度ne0，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算出的電子密度為2.77×1013m-3。

2.2 性能分析

根據(jù)不同的實驗結(jié)果看出，空間環(huán)境模擬設(shè)備中心區(qū)域200 mm以內(nèi)的等離子體密度均勻性比較好，為進(jìn)一步研究等離子體特征參數(shù)與校準(zhǔn)設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)系，使朗繆爾探針的設(shè)置參數(shù)和模擬設(shè)備的工作參數(shù)不變，研究等離子體特征參數(shù)(電子溫度、電子密度、懸浮電位和空間電位)與微波功率的關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 微波功率和電子密度的關(guān)系

圖6 電子密度與微波功率的關(guān)系

由圖6可看出，微波功率從200 W增加到450 W，等離子體密度幾乎線性增加，當(dāng)微波功率增加到550 W時，等離子體密度增加量很小，可能有趨于飽和現(xiàn)象。形成這種飽和現(xiàn)象的主要原因是：ECR等離子體微波放電是一個氣體動態(tài)平衡過程，此過程既有電離又有復(fù)合，當(dāng)微波功率較低的時候，氣體電離過程占主導(dǎo)作用，隨著微波功率的不斷增加，氣體復(fù)合過程的狀態(tài)也越來越強(qiáng)，當(dāng)實驗氣體的電離和復(fù)合達(dá)到平衡狀態(tài)時，其電離程度將趨于飽和；此外，電子能量與電子碰撞電離截面的關(guān)系是非線形的，雖然電子能量會隨微波功率增加而增加，然而電子能量超過某一閥值時，電離截面反而減小，這也導(dǎo)致飽和現(xiàn)象的發(fā)生[7]。另外由于實驗設(shè)備功率范圍有限，不能達(dá)到千瓦級，如果隨著功率到達(dá)千瓦級之后，實驗規(guī)律有可能又有新的發(fā)現(xiàn)。

同理對等離子體影響較大的另一個因素是氣體流量，等離子體參數(shù)與氣體流量之間的關(guān)系如圖7、圖8所示。

圖7 氣體流量和電子溫度的關(guān)系

圖8 氣體流量和電子密度的關(guān)系

隨著氣體流量的增加，電子溫度表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，分析原因為氣體流量增加導(dǎo)致氣壓的升高，并且促使粒子間碰撞增加，過于頻繁的碰撞使電子無足夠時間獲得使氣體電離的能量時，從而導(dǎo)致電子溫度下降。而對于電子密度的變化是先緩慢增加，然后逐漸減小。分析認(rèn)為，通過觀測功率反射系數(shù)得知，流量開始變大導(dǎo)致微波功率吸收更加充分，促使氣體電離，所以電子密度緩慢增加。隨著流量的繼續(xù)增加，微波功率的吸收已飽和，電子和中性粒子的碰撞頻率增加使電子溫度下降，從而電離度下降，導(dǎo)致電子密度下降?？臻g電位和懸浮電位也是先增大后都逐漸減小，和電子密度的變化有點相似，這是因為隨著氣體流量的增加微波被充分吸收，模擬裝置中電子密度變大，空間電位和懸浮電位都變大，而當(dāng)流量繼續(xù)增加的時候，電子密度變低，導(dǎo)致電位都變低?？梢姡入x子體的密度是一個關(guān)鍵的參數(shù)，會影響到電位的大小[8-9]。

3 結(jié)論

通過對兩個ECR等離子體源的對稱放置，減小了環(huán)境模擬裝置中的密度梯度，形成較均勻的等離子體，相對于應(yīng)用環(huán)境模擬裝置中頂部使用一個ECR等離子體源來說，產(chǎn)生的等離子體較好。以上實驗結(jié)果分析得出，對ECR源產(chǎn)生的等離子體，及空間電位、懸浮電位、電子密度和電子溫度等模擬參數(shù)，可以得到最優(yōu)化的微波ECR等離子體工作狀態(tài)，滿足低軌道航天器空間等離子體環(huán)境下校準(zhǔn)朗繆爾探針的需求。

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