基于磁偏轉(zhuǎn)的真空弧離子源成分診斷

鄭 樂　龍繼東　董 攀　藍朝暉　彭宇飛

（中國工程物理研究院 流體物理研究所　綿陽 621900）

基于磁偏轉(zhuǎn)的真空弧離子源成分診斷

鄭 樂龍繼東董 攀藍朝暉彭宇飛

（中國工程物理研究院 流體物理研究所綿陽 621900）

采用磁偏轉(zhuǎn)的方法，對金屬氫化物電極真空弧離子源放電產(chǎn)生的等離子體進行了成分診斷。采用了TiD2電極材料進行放電，測量了在30-80 A弧流情況下的各離子的組分。實驗結(jié)果表明，弧流越大時等離子體的密度越大，在現(xiàn)有引出結(jié)構(gòu)下，由于等離子體發(fā)射面的凹凸變化導(dǎo)致測得的離子信號出現(xiàn)雙峰。通過增加?xùn)啪W(wǎng)可以減少等離子密度，雙峰情況會有所減少。另外，隨著弧流增大，氘所占比例會有所增加，弧流達到60 A以上氘含量增幅不明顯。

真空弧，金屬氫化物，離子源，離子種類

真空弧離子源是一種能產(chǎn)生高密度高電荷態(tài)的等離子體的離子源，廣泛應(yīng)用于金屬離子注入、金剛石薄膜沉積、離子槍及小型離子加速器等方向［1］。由于真空弧放電的復(fù)雜性及不穩(wěn)定性，為更好地控制、應(yīng)用該源，首先需要對其產(chǎn)生的等離子體參數(shù)進行診斷。真空弧放電產(chǎn)生的等離子體屬于低溫等離子體的范疇，按照診斷是否對等離子體產(chǎn)生干擾的分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為接觸式診斷法和非接觸診斷法［2］。前者一般指朗繆爾探針法［3］及阻抗測量法。后者包括光譜診斷法［4］、質(zhì)譜診斷法及微波診斷法。

真空弧放電等離子的質(zhì)譜診斷主要目的是獲得放電等離子體中各種離子的成分比及金屬離子的電荷態(tài)分布（Charge state distributions, CSD）。國際上，研究人員已利用飛行時間法（Time of flight, TOF）對離子成分及CSD開展了大量研究［5-8］，這些文獻主要是針對金屬電極放電進行的研究，目的是獲得高價態(tài)的等離子體成分，用于改進現(xiàn)有的MEVVA源，使得該源能在加速器注入及材料表面改性上表現(xiàn)更加優(yōu)異［9］。

除開基于純金屬或金屬合金電極的MEVVA源以外，另一類基于金屬氫化物電極真空弧放電的離子源，一般用于中子發(fā)生器當(dāng)中。金屬氫化物電極放電等離子體中不僅包含各價態(tài)的金屬離子，還有氫離子或其同位素氘離子。其中氘離子占總離子的百分比作為保證中子產(chǎn)額的重要指標(biāo)，一直以來是人們關(guān)注的重點。

本文搭建了一個針對的金屬氫化物電極真空弧離子源特性的基于磁偏轉(zhuǎn)的分析平臺，用于研究放電條件對氘離子產(chǎn)生的影響。

1　磁偏轉(zhuǎn)平臺的針對性設(shè)計

實驗布局如圖1所示。離子源主要由陰極、觸發(fā)極及陽極構(gòu)成。陰極采用氘化鈦電極，觸發(fā)極與陽極采用不銹鋼。離子源采用電阻觸發(fā)的工作方式［10］，觸發(fā)電阻使用50 ?，工作在10-4Pa真空度下。離子源的放電脈寬及弧流可通過離子源電源調(diào)節(jié)，一般脈寬數(shù)個微秒，弧流幾十上百安培。離子源陽極與引出極之間加載20 kV的高壓，用于從等離子體中拉出離子。離子通過狹縫，進入永磁鐵進行偏轉(zhuǎn)，磁鐵具有約50 mm×50 mm的好場區(qū)，磁場強度約為0.7 T。

圖1　磁偏轉(zhuǎn)實驗布局圖Fig.1　Schematic diagram of ion extraction, deflexion and collection.

金屬氫化物電極真空弧放電等離子體中主要離子成分有H+離子、D+離子及Tin+離子，其中n取1-4，根據(jù)CSD相關(guān)文獻［5］，Ti2+離子所占比重最大。根據(jù)以下公式可以計算這幾種主要離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑。

式中：m、Z、e分別表述離子質(zhì)量、離子電荷量、單位電荷量；V代表引出電壓；B代表磁場強度；v代表離子速度；r代表離子偏轉(zhuǎn)半徑。忽略離子初始速度及磁鐵邊緣場的影響，在20 kV引出電壓及0.7 T磁場強度條件下，計算得到H+離子、D+離子的偏轉(zhuǎn)半徑分布約為29 mm及41 mm，重金屬離子的偏轉(zhuǎn)半徑遠大于H+離子、D+離子的偏轉(zhuǎn)半徑，以Ti2+離子為例，偏轉(zhuǎn)半徑約為143 mm。實際通過50mm×50 mm的磁場區(qū)域時，各離子的偏轉(zhuǎn)軌跡可以大致參考圖1中的軌跡，重金屬離子基本不偏轉(zhuǎn)，容易與輕離子分開；氫離子、氘離子偏轉(zhuǎn)半徑相近，為盡量分開H+離子與D+離子，需要合理設(shè)置離子束流進入磁場區(qū)域的位置。

為獲取各離子成分的準(zhǔn)確偏轉(zhuǎn)位置，使用了硫化鋅（ZnS）閃爍屏來測束流光斑。當(dāng)離子經(jīng)高壓加速及磁偏轉(zhuǎn)以后，撞擊在閃爍屏上產(chǎn)生可見光。使用了兩塊閃爍屏，其中閃爍屏1與束流平行，即圖1中的探測器2與探測器3的位置；閃爍屏2與束流方向垂直，即圖1中探測器1的位置。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)的測量結(jié)果如圖2所示。

圖2　閃爍屏1、閃爍屏2的離子光斑位置Fig.2　Ion flare measured by scintillation screen 1 and scintillation screen 2.

由圖2可以看出，閃爍屏1分別在標(biāo)尺21 mm、35 mm處觀測到了兩條光斑；而閃爍屏2僅在標(biāo)尺65 mm處測量得到了一條光斑。經(jīng)分析，由閃爍屏1測量得到的偏轉(zhuǎn)半徑最?。ㄗ羁坑遥┑墓獍邞?yīng)該為H+離子產(chǎn)生的，而另一條光斑應(yīng)為D+離子；由準(zhǔn)直縫與標(biāo)尺的相對位置可知，閃爍屏2測量得到的光斑對應(yīng)的離子幾乎沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此該光斑應(yīng)該是在電極中含量最多、而且質(zhì)量數(shù)較大的鈦離子。采用閃爍屏的探測方式可以驗證該磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的束流光學(xué)設(shè)計，可以定性地完成成份甄別任務(wù)，但是缺乏準(zhǔn)確的定量分析能力。

為定量分析離子成分，使用了法拉第杯作為離子接受器，可利用上述閃爍屏測得的結(jié)果來確定法拉第杯的放置位置，然后通過測量各法拉第杯接收到的電信號，即可獲得各離子間的成份比。當(dāng)使用法拉第杯收集離子信號時，由于離子信號以及高壓電源同時存在，信號會受到高壓電源的干擾。必須考慮屏蔽。本實驗為了將高壓區(qū)域以及低壓信號區(qū)域隔離，將磁鐵以及收集銅板放置在了一個接地屏蔽盒中。另外，本實驗采用了兩個地電位，一個給高壓電源回路提供地電位，另一個給信號測試回路提供地電位，實現(xiàn)了地電位的隔離。為了獲得示波器可直接觀察的信號波形，還需要考慮信號的傳輸以及信號放大。采用同軸線傳輸離子電信號，并且同軸線外線接信號測試地，可以有效減小干擾信號。由于整套系統(tǒng)中使用了一個準(zhǔn)直孔，只有少量的離子能夠進入偏轉(zhuǎn)區(qū)域被銅板接收，電流大小估計只有0.01-0.1 mA量級。為觀察方便，將電流信號通過400 ?左右后流進入地，通過測量電阻上的電壓信號獲得離子組分。

2　弧流對氘離子產(chǎn)生的影響

利用上述測量系統(tǒng)，研究了氘化鈦陰極放電產(chǎn)生的等離子體成分。典型的波形圖如圖3所示。圖3中波形面積約等于放電期間三個法拉第杯分別收集的電荷量與相應(yīng)放大電阻的乘積。由于這里三個通道都采用相同的放大電阻，那么面積之比就能反映離子的組分情況。由圖3可知，鈦離子接受板的信號較強，且有一個平頂，而氘與氫離子都是前面高后面低的趨勢。圖3中氫離子信號主要來源于源片上的雜質(zhì)污染以及環(huán)境真空，隨弧放電而被電離產(chǎn)生。

調(diào)節(jié)離子源放電電源，使得離子源工作在30-80 A弧流下，脈寬5 μs左右。測得離子組分情況如圖4所示?？紤]到真空弧放電的不穩(wěn)定性，其中每個數(shù)據(jù)點均由20次放電取平均值所得，圖4中誤差棒是由20次測試樣本數(shù)據(jù)求得的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖4可知，隨著弧流的上升，氘含量會增多，當(dāng)弧流增大到一定程度，即本次實驗當(dāng)中的60 A左右，氘含量的增幅變緩，甚至有略微下降的趨勢。

圖3　典型的信號波形圖Fig.3　Waveforms of ion signals during discharging.

圖4　氫、氘離子含量隨弧流的變化趨勢Fig.4　Waveforms of ion ratios with different arc current.

分析其中原因可能如下：低弧流時，由焦耳定律可知，增大弧流有助于提高陰極斑放電區(qū)域附近的溫度，提高了氘氣釋放量；另外一個方面，電子的能量很大一部分來源于弧流產(chǎn)生的焦耳熱［11］，因此當(dāng)弧流提高時，在一個自由程內(nèi)電子的碰撞能量相應(yīng)增加，從而增大了電子與氘蒸氣原子的碰撞截面，產(chǎn)生更多的氘離子。而金屬鈦原子的電離能很低，與較低能量的電子碰撞電離率本身就很高，因此其含量不會有太明顯的提升。而在高弧流下，電極燒蝕加劇，更多的金屬原子從電極蒸發(fā)出來參與放電，使得氘離子比例增長變緩，甚至下降。

對于氫離子成分隨弧流的變化曲線：氫電離能與氘類似都遠大于鈦原子，因此理應(yīng)氫離子成分有隨弧流而增大的趨勢。但是氫本身來源于雜質(zhì)或者真空環(huán)境，含量很少，沒有持續(xù)的來源，這一點從圖3也可以看出，氫的波形只是剛開始有一點峰，后面很少，所以氫成分隨弧流變化趨勢較小。

在實驗過程，當(dāng)工作弧流較大時，?？梢杂^察到鈦離子信號通道如圖5所示的雙峰波形。引出結(jié)構(gòu)不變的情況下，將離子源弧流從40 A提高到80 A時，觀察到80 A弧流波形出現(xiàn)雙峰，且信號幅值低于40 A情況。這是由于等離子與引出結(jié)構(gòu)不匹配造成［12］，其原理示意圖如圖6所示。當(dāng)?shù)入x子體密度適中時，如圖6（a），等離子體發(fā)射面趨于平整，引出的離子均能穿過引出極孔，被后續(xù)法拉第杯接受，但是當(dāng)?shù)入x子體密度過高時，如同圖6（b）所示，等離子體發(fā)射面會向外凸起，導(dǎo)致引出離子產(chǎn)生角度。離子部分打在引出極上被吸收掉，部分穿過孔被后續(xù)接受，這樣就導(dǎo)致了信號幅值的下降。而對于放電初始與放電結(jié)束前，放電產(chǎn)生的等離子體密度是較小的，而放電期間的等離子體密度是較高的，從而形成信號波形兩端出現(xiàn)峰，而中間凹下去的現(xiàn)象。改善雙峰問題的辦法有兩種：一是通過增加?xùn)啪W(wǎng)來減小等離子體密度來與現(xiàn)有引出結(jié)構(gòu)匹配；二是改善引出結(jié)構(gòu)使得引出結(jié)構(gòu)能與更高密度的等離子體匹配。本實驗?zāi)壳安捎玫氖堑谝环N方法來獲得正常引出的測試數(shù)據(jù)，在80 A弧流工作以下，鈦離子不會出現(xiàn)雙峰問題，確保了含氘比例測量的準(zhǔn)確性。

圖5　弧流40 A、80 A鈦離子信號波形對比Fig.5　Waveforms of Ti signals working at 40 A and 80 A.

圖6　等離子體引出示意圖Fig.6　Schematic diagram of ion extraction from a plasma.

3　結(jié)語

建立了一套磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，采用小型永磁鐵，放置在真空腔體內(nèi)，緊湊有效，解決了離子偏轉(zhuǎn)位置標(biāo)定、信號采集、干擾屏蔽、束流引出等問題，獲得了可靠的離子電流信號，可以獲得氫離子、氘離子、鈦離子的成分比。利用這套系統(tǒng)，研究了氘化鈦源片工作在30-80 A弧流放電下的含氘量，實驗表明，隨著弧流增大，氘所占比例會有所增加，弧流達到60 A以上氘含量增幅不明顯，因此增大弧流在一定程度上可以提高氘的含量，如果要繼續(xù)提高氘含量還需要從其他方面入手。而氫離子所占比例隨弧流增大變化不明顯。

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Study on ion species of vacuum arc ion source with analysis of magnetic

ZHENG LeLONG JidongDONG PanLAN ZhaohuiPENG Yufei

（Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China）

Background: The metallic hydrogen （deuterium） electrode vacuum arc ion source which can discharge plasma mainly containing metal ions, hydrogen ions and deuterium ions, is generally used to the ion gun or the small accelerator. Purpose: To study the deuterium ions ratio affected by the arc current, the deuterium ion ratio produced by the discharge of vacuum arc ion source with metallic deuterium electrode was measured. Methods: To separate metal ions, hydrogen ions and deuterium ions, the magnetic analysis was used. And the ions current was measured by the scintillators and Faraday cups. Results: Experimental results showed that, within a certain range of arc current, the greater the plasma density is, the change of plasma emission surface affected the collective of ions current more obviously. And within the range of 30-80 A, deuterium ion ratio increased with the arc current, but the ratio became stable when arc current exceeded 60 A. Conclusion: The magnetic analysis platform can be used to obtain the deuterium ions ration of vacuum arc ion source. Within a certain range of arc current, the arc current can increase the deuterium ions ratio.

Vacuum arc, Metallic hydrogen, Ion source, Ion species

ZHENG Le, male, born in 1989, graduated from China Academy of Engineering Physics in 2014, focusing on the pulsed vacuum arc ion source

LONG Jidong, E-mail: longjidong@tsinghua.org.cn

TL817+.5

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090204

國家自然科學(xué)基金（No.11405165、No.11475156）資助

鄭樂，男，1989年出生，2014年畢業(yè)于中國工程物理研究院，從事脈沖真空弧離子源研究

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

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11405165, No.11475156）

2016-05-24，

2016-07-12