基于氣體放電等離子體射流源的模擬離子引出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理特性?

陳堅(jiān) 劉志強(qiáng) 郭恒 李和平 姜東君 周明勝

1)(清華大學(xué)工程物理系,北京 100084)

2)(華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,唐山 063210)

1 引 言

相比于傳統(tǒng)的電磁法、氣體擴(kuò)散法以及離心分離法,原子蒸氣激光同位素分離法作為一種新的同位素分離方法日益受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注.如圖1所示,原子蒸氣激光同位素分離過(guò)程的基本原理是利用線寬極窄的激光選擇性激發(fā)、光電離金屬蒸氣中的目標(biāo)同位素原子,隨后利用外加電磁場(chǎng)引出目標(biāo)同位素離子至收集板,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)同位素的分離與富集[1].受限于激光器的脈寬以及光電離后金屬等離子體自身的衰亡,是否能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效地引出所需的目標(biāo)同位素離子將在很大程度上決定整個(gè)原子蒸氣激光同位素分離過(guò)程的效率.因此,系統(tǒng)研究光電離后不同參數(shù)對(duì)離子引出過(guò)程的影響機(jī)制及其引出特性,對(duì)于提高整個(gè)原子蒸氣激光同位素分離技術(shù)的性能具有重要的意義.

圖1 原子蒸氣激光同位素分離過(guò)程示意圖Fig.1.Schematic of the atomic vapor laser isotope separation process.

目前的理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明,離子引出過(guò)程中的諸多因素均會(huì)對(duì)離子引出特性(引出時(shí)間、引出效率、引出電流以及引出離子入射能量等)產(chǎn)生顯著的影響,這些因素包括等離子體中心區(qū)的電子數(shù)密度以及電子溫度[2?7]、外加引出電壓的幅值與類型[8?11]、引出極板的位型[12,13]、目標(biāo)同位素離子與非目標(biāo)同位素原子間的共振電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程以及離子在極板表面發(fā)生的濺射效應(yīng)[14?16]等.在實(shí)際的離子引出過(guò)程中需要依靠光電離金屬原子的方式產(chǎn)生等離子體,因此,實(shí)際的離子引出實(shí)驗(yàn)裝置需要配備特定的激光器,這不僅導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建造成本高,而且影響離子引出特性的某些關(guān)鍵參數(shù)(如等離子體初始密度和電子溫度等)的可變范圍小.為了解決上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究者開始發(fā)展利用電離氣體或光電離低沸點(diǎn)、易電離金屬蒸氣的方法產(chǎn)生等離子體來(lái)代替實(shí)際應(yīng)用的激光光電離等離子體進(jìn)行離子引出過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)研究.比如,Matsui等[17]采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)模擬光電離等離子體源,采用氙(Xe)作為工作介質(zhì),在真空腔壓強(qiáng)為4×10?4Torr(約為5.3×10?2Pa)、射流區(qū)電子溫度和數(shù)密度分別為7—12 eV和(0.2—1.4)×1010cm?3、離子收集段磁場(chǎng)強(qiáng)度為5×10?3T的條件下,研究了射頻共振條件下的離子引出特性;文獻(xiàn)[18]采用光電離空氣的方法,在真空腔壓強(qiáng)為1 Pa的條件下產(chǎn)生了電子數(shù)密度在108—109cm?3的等離子體,研究了離子引出過(guò)程中等離子體的擴(kuò)散效應(yīng)以及收集板上的電荷分布;而文獻(xiàn)[8,19]則采用光電離鋇(Ba)金屬蒸氣的方法產(chǎn)生了金屬等離子體,但所產(chǎn)生的等離子體由于受到激光器功率的限制,其電子數(shù)密度相對(duì)較低(鋇等離子體密度均低于109cm?3).

本文采用低氣壓千赫茲高壓交流放電等離子體射流源,建立了離子引出模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)-2015(ion extraction simulation experimental platform-2015,IEX?2015),獲得了低氣壓下穩(wěn)定放電的氬等離子體射流源,開發(fā)了用于診斷氬等離子體射流參數(shù)的“碰撞-輻射”模型以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件,開展了等離子體射流特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了離子引出特性的初步實(shí)驗(yàn)研究,獲得了不同等離子體參數(shù)和引出參數(shù)對(duì)離子引出特性的影響規(guī)律,驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于模擬離子引出特性研究的可行性,為后續(xù)深入研究離子引出過(guò)程的影響機(jī)制以及發(fā)展新的離子引出方法奠定了良好的條件.本文首先討論模擬離子引出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路、主要組成部分和基本結(jié)構(gòu)以及等離子體射流氣體溫度、電子溫度和數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)診斷方法和診斷系統(tǒng);然后,分別給出等離子體射流特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及不同參數(shù)下的離子引出特性;最后,給出本文研究得到的主要結(jié)論,并簡(jiǎn)要討論后續(xù)研究需要解決的主要問(wèn)題.

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

2.1 IEX-2015的設(shè)計(jì)思路和整體構(gòu)造

IEX-2015設(shè)計(jì)的基本思路是:第一,采用氣體放電的方式產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流作為模擬離子引出的等離子體源,通過(guò)改變等離子體發(fā)生器的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電源驅(qū)動(dòng)頻率、波形和幅值、工作氣體化學(xué)成分和流量以及真空腔壓強(qiáng)等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)等離子體射流區(qū)氣體溫度、電子溫度和數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù);第二,通過(guò)在離子引出區(qū)域設(shè)計(jì)不同的引出極板幾何構(gòu)型、加載不同頻率和幅值的引出電壓以及引入外加磁場(chǎng)等方式,在較大的等離子體參數(shù)范圍和引出參數(shù)條件下系統(tǒng)地研究引出極板附近等離子體鞘層的時(shí)空演化特性,以及帶電粒子的非平衡輸運(yùn)特性,進(jìn)而為優(yōu)化現(xiàn)有離子引出方法的工作參數(shù)、甚至發(fā)展新的離子引出方法提供理論上的指導(dǎo).

IEX-2015的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,該平臺(tái)主要由真空系統(tǒng)、等離子體發(fā)生器、離子引出系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)等組成.首先,等離子體工作氣體(本文研究采用氬氣)在發(fā)生器內(nèi)被電離,形成等離子體射流進(jìn)入離子引出區(qū)域;然后,在外加電磁場(chǎng)的作用下等離子體射流區(qū)的離子被引出至收集板,形成引出電流信號(hào),由霍爾型電流探頭(Tektronix TCP0030A)測(cè)量并送入示波器(Tektronix DPO4034)記錄.如圖2所示,真空系統(tǒng)主要包括真空腔、真空泵組以及真空規(guī)管;主腔室設(shè)計(jì)為圓筒形結(jié)構(gòu),腔室側(cè)壁布置有連接等離子體發(fā)生器、離子引出極板、薄膜規(guī)、電離規(guī)以及步進(jìn)電機(jī)等多個(gè)設(shè)備的法蘭接口,亥姆霍茲線圈沿支架纏繞于主腔室外壁,線圈內(nèi)通入直流電時(shí)可在腔體中心(引出區(qū)域)產(chǎn)生0—3×10?3T的均勻磁場(chǎng).副腔室為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu),其上部與主腔室相連,下部則通過(guò)兩個(gè)KF250法蘭與兩套真空泵組相連.每套真空泵組包括1臺(tái)抽速為18 L/s的TRP-60型前級(jí)機(jī)械泵與1臺(tái)抽速為1600 L/s的JTFB-1600型分子泵,主腔體外壁安裝4套真空規(guī)管測(cè)量裝置,包括:一臺(tái)CDG025D型薄膜規(guī)真空計(jì)(INFICON),其量程為1.0×10?4—13.3 Pa;一臺(tái)ZJ-27型電離規(guī)真空計(jì)(成都睿寶電子科技有限公司),其量程為1.0×10?5—4 Pa;兩臺(tái)ZJ-52T型電阻規(guī)真空計(jì)(成都睿寶電子科技有限公司),量程均為0.1—105Pa.真空系統(tǒng)所能達(dá)到的極限真空度為8.0×10?4Pa,在進(jìn)氣放電條件下的真空度可達(dá)10?2Pa.

圖2 (a)IEX-2015示意圖,(b)真空腔內(nèi)部及(c)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片F(xiàn)ig.2.(a)Schematic of the IEX-2015,(b)pictures of the chamber interior,and(c)experimental platform.

離子引出系統(tǒng)主要包括離子引出電極、控制極板位型的支撐板、導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和控制系統(tǒng).如圖2(b)所示,平板型引出電極板面尺寸為250 mm×150 mm,支撐板用于支撐與控制兩塊平板電極位型,兩極板間夾角的調(diào)節(jié)范圍為0?—60?.支撐板下端與導(dǎo)軌相連,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在引出過(guò)程中控制兩極板之間的間距(間距可調(diào)范圍為0—140 mm).

2.2 千赫茲高壓交流放電等離子體射流源的設(shè)計(jì)

在實(shí)際的離子引出過(guò)程中,激光光電離所產(chǎn)生的金屬等離子體具有尺寸和電子數(shù)密度變化范圍大以及電子溫度偏低等特點(diǎn),且整個(gè)引出系統(tǒng)在高真空度的環(huán)境下工作.因此,氣體放電等離子體源的設(shè)計(jì)需考慮以下兩方面:第一,能夠?qū)崿F(xiàn)在低氣壓、小流量進(jìn)氣條件下的穩(wěn)定放電;第二,能夠通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)生器電極間距、工作氣體流量和電源輸入功率等參數(shù),實(shí)現(xiàn)在相對(duì)較寬的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)等離子體電子溫度和數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié).基于此,本文采用同軸型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖3),其中圓錐型內(nèi)電極為功率電極,內(nèi)外電極間的軸向距離可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件在0—7 mm之間調(diào)節(jié);采用千赫茲交流電源作為激勵(lì)源,采用高純氬氣(純度為99.999%)作為等離子體工作氣體;將氬氣沿切向注入等離子體發(fā)生器內(nèi)部,當(dāng)其流經(jīng)內(nèi)外電極間的環(huán)形縫隙時(shí),在外加高壓交流電場(chǎng)的作用下電離形成等離子體,并從發(fā)生器噴口噴出形成等離子體射流;通過(guò)調(diào)節(jié)電源驅(qū)動(dòng)頻率和輸入功率以及工作氣體流量,從而獲得穩(wěn)定的氣體放電等離子體射流.

圖3 同軸型等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu) (a)示意圖;(b)實(shí)物照片F(xiàn)ig.3.(a)Schematic and(b)picture of the co-axial-type plasma generator structure.

2.3 基于氬等離子體“碰撞-輻射”模型的光譜診斷方法

2.3.1 氬等離子體“碰撞-輻射”模型

一個(gè)等離子體體系,其中發(fā)生著多種化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,而且這些化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中存在多種碰撞與輻射躍遷過(guò)程[20].考慮多種躍遷過(guò)程,并通過(guò)求解粒子數(shù)平衡方程,就可以得到等離子體中各能態(tài)粒子數(shù)密度的分布,這一模型稱為“碰撞-輻射”模型,其中每種粒子的數(shù)密度均滿足粒子數(shù)平衡方程[21],即

式中下標(biāo)i和j代表能級(jí)序號(hào);N為粒子數(shù)密度;t為時(shí)間;Rij為由i能態(tài)躍遷至j能態(tài)的速率常數(shù).對(duì)于低氣壓放電等離子體而言,化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的特征時(shí)間與等離子體特征時(shí)間相比較短,因此,可以認(rèn)為在測(cè)量過(guò)程中等離子體粒子數(shù)密度達(dá)到穩(wěn)態(tài),此時(shí)

由于:第一,氬等離子體中處于1s能級(jí)的氬原子數(shù)密度較高,且參與多種化學(xué)反應(yīng);第二,2p能級(jí)到1s能級(jí)的輻射躍遷強(qiáng)度較大,即2p能級(jí)對(duì)氬等離子體的輻射性質(zhì)影響較大;第三,雖然存在3p能級(jí)向其他能級(jí)的躍遷,但在背景氣壓較低(<1 Pa)時(shí),鑒于處于3p以上能級(jí)的氬原子影響較小[22],可將其合并為一體進(jìn)行研究.因此,本文研究氬等離子體“碰撞-輻射”模型所需考慮的粒子種類以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程分別如表1和表2所列.

表1 氬等離子體“碰撞-輻射”模型中所考慮的粒子種類Table 1. Species considered in collisional-radiative model for argon plasmas.

根據(jù)表2的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,結(jié)合方程(2),可以給出各粒子的質(zhì)量守恒方程,即在表2及方程(3)中,為電子碰撞激發(fā)(ij)的反應(yīng)速率;為原子碰撞躍遷速率;Ki為電子碰撞電離速率;Kij為潘寧電離速率;β為三體復(fù)合速率;Aji為自發(fā)輻射躍遷速率;Kwall為粒子與腔壁碰撞散射速率;ηij為由于等離子體的自吸收作用所導(dǎo)致的光子發(fā)射逃逸系數(shù);Nlow為低能級(jí)粒子數(shù)密度;?ν為譜線展寬;D為等離子體特征尺度.從方程(3)以及表2可以看出,化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)與電子溫度(Te)、電子數(shù)密度(ne)或氣體溫度(Tg)相關(guān),因此,當(dāng)給定以上3個(gè)參數(shù)時(shí),即可確定不同種類粒子的數(shù)密度.

表2 氬等離子體“碰撞-輻射”模型中所考慮的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程Table 2.Reaction pathways considered in collisional-radiative model for argon plasmas.

從實(shí)驗(yàn)測(cè)量的角度來(lái)看,一方面,當(dāng)氬原子從i能級(jí)躍遷到j(luò)能級(jí)并發(fā)出波長(zhǎng)為λij的光時(shí),其譜線強(qiáng)度Iij∝NiAijηij;若假定激發(fā)態(tài)的粒子躍遷速率(Aij)與等離子體光子發(fā)射逃逸系數(shù)(ηij)均為常數(shù),則兩條不同譜線的強(qiáng)度比正比于不同激發(fā)態(tài)粒子數(shù)密度(Ni).另一方面,N2的譜線帶系(C3Πu→B3Πg)與等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān),因此,本文采用SPECAIR軟件將5%N2-Ar混合氣體放電波長(zhǎng)λ=337 nm附近的譜線進(jìn)行擬合[23],可近似獲得等離子體射流區(qū)的氣體溫度(Tg).基于此,在已知?dú)怏w溫度(Tg)的條件下,通過(guò)求解方程(3)即可獲得不同譜線強(qiáng)度比在ne和Te空間的等值線分布;通過(guò)將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的等離子體發(fā)射光譜的譜線強(qiáng)度比與上述理論計(jì)算得到的譜線強(qiáng)度比在ne和Te空間的等值線分布進(jìn)行對(duì)比,即可反推得到對(duì)應(yīng)的電子溫度(Te)和電子數(shù)密度(ne).

2.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

本文采用八通道光纖光譜儀(Avantes Ava Spec-3648)測(cè)量等離子體的發(fā)射光譜.為了獲得射流區(qū)等離子體參數(shù)的空間分布,在等離子體射流和光纖探頭之間放置了焦距f為250 mm的凸透鏡,并將光纖探頭固定在定位精度為0.01 mm的二維精密平移臺(tái)上(GCD-202100M和GCD-203100M,大恒新紀(jì)元科技股份有限公司),對(duì)應(yīng)的光譜測(cè)量的空間分辨率為3.0 mm(見圖4).

圖4 實(shí)驗(yàn)光路示意圖Fig.4.Schematic of experimental light path.

圖5為基于“碰撞-輻射”模型,利用譜線強(qiáng)度比法測(cè)量等離子體電子溫度與電子數(shù)密度的實(shí)驗(yàn)流程圖. 以實(shí)驗(yàn)工況(真空腔壓強(qiáng)p=6.0×10?2Pa,等離子體工作氣體總質(zhì)量流量˙m=71.4 mg/min,高壓交流電源驅(qū)動(dòng)頻率f=26 kHz以及電源輸入功率Pin=11.7 W,內(nèi)外電極間距s=1.0 mm)為例,首先采用光纖光譜儀測(cè)量得到等離子體射流區(qū)距發(fā)生器噴嘴出口4.5 cm的射流幾何軸線上P點(diǎn)(見圖6(a),其中照片的曝光時(shí)間texp=1/30 s)的發(fā)射光譜圖(見圖6(b));然后,采用SPECAIR軟件對(duì)波長(zhǎng)λ=337 nm附近的譜線進(jìn)行擬合,可得射流區(qū)的氣體溫度為Tg=600 K(見圖6(c));將Tg=600 K,p=6.0×10?2Pa代入依據(jù)方程(3)所編寫的計(jì)算機(jī)程序,即可得到譜線強(qiáng)度比r1=I750.4/I912.3

和r2=I750.4/I738.4(其中I750.4,I912.3以及I738.4分別代表氬等離子體特征譜線λ=750.4,912.3以及738.4 nm的譜線強(qiáng)度,r1為譜線λ=750.4 nm與λ=912.3 nm的譜線強(qiáng)度比,而r2則為譜線λ=750.4 nm與λ=738.4 nm的強(qiáng)度比)在(Te,ne)空間的等值線分布圖.在圖6(d)中,每一組(ne,Te)都對(duì)應(yīng)特定的譜線強(qiáng)度比r1和r2,這表征著當(dāng)?shù)入x子體射流區(qū)的電子密度和電子溫度一定且其中各能態(tài)粒子數(shù)密度達(dá)到穩(wěn)定時(shí),不同能態(tài)的粒子間躍遷所對(duì)應(yīng)的發(fā)射光譜的強(qiáng)度比也將保持恒定.根據(jù)圖6(b)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知r1=0.31和r2=3.85,于是,將r1=0.31和r2=3.85代入圖6(d)中進(jìn)行插值,即可得到對(duì)應(yīng)的等離子體電子溫度和電子數(shù)密度分別為Te=2.37 eV和ne=1.99×1011cm?3,如圖6(d)中的A點(diǎn).本文在該工況下重復(fù)進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)測(cè)量,所得到的等離子體電子溫度和電子數(shù)密度分別為Te=2.46±0.09 eV和ne=(1.98±0.1)×1011cm?3,所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3.6%.

圖5 譜線強(qiáng)度比法測(cè)量等離子體電子溫度和電子數(shù)密度流程圖Fig.5.Flow chart of electron temperature and number density measured by line intensity ratio method.

圖6 (a)等離子體射流照片與光譜測(cè)量點(diǎn)P位置示意圖;(b)P點(diǎn)等離子體射流發(fā)射光譜圖;(c)對(duì)應(yīng)的射流區(qū)等離子體氣體溫度SPECAIR軟件擬合結(jié)果;(d)譜線強(qiáng)度比r1=I750.4/I912.3和r2=I750.4/I738.4在(Te,ne)空間的分布以及等離子體電子溫度和電子數(shù)密度的確定Fig.6.(a)Image of the plasma jet and schematic of the measurement point P;(b)emission spectrum of the plasma jet at point P;(c)derived plasma gas temperature using SPECAIR in jet region;(d)distributions of line intensity ratios r1=I750.4/I912.3and r2=I750.4/I738.4in the(Te,ne)space and the determined electron temperature and number density.

3 氬等離子體射流關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本節(jié)將系統(tǒng)地研究不同實(shí)驗(yàn)工況(如等離子體工作氣體流量、電源輸入功率和驅(qū)動(dòng)頻率等)對(duì)氬等離子體射流特性的影響規(guī)律,以期進(jìn)一步驗(yàn)證低氣壓千赫茲高壓交流放電等離子體射流源用于離子引出模擬實(shí)驗(yàn)的可行性.在本節(jié)的射流特性測(cè)量中,如無(wú)特別說(shuō)明,均將測(cè)量點(diǎn)固定在距等離子體發(fā)生器噴嘴出口4.5 cm的射流幾何軸線處(如圖6(a)所示的P點(diǎn)),發(fā)生器內(nèi)外電極間距離固定為s=2.0 mm.

圖7給出了當(dāng)˙m＝71.4 mg/min,f=26 kHz,p=6.0×10?2Pa,texp=1/30 s時(shí),等離子體射流區(qū)電子溫度與電子數(shù)密度隨輸入功率的變化規(guī)律.從圖7可以看出:當(dāng)輸入功率Pin<9.0 W時(shí),電源輸入功率對(duì)電子數(shù)密度與電子溫度的影響較小;隨著功率的進(jìn)一步增大(Pin>9.0 W),射流區(qū)的電子數(shù)密度與電子溫度均隨著電源輸入功率的增加而顯著增大.一方面,這是由于隨著電源輸入功率的持續(xù)增大,電子的平動(dòng)動(dòng)能增大,電子溫度升高;而獲得更多能量的電子與中性原子之間的激發(fā)與電離過(guò)程也會(huì)更為劇烈,從而使得電子數(shù)密度亦隨之升高.另一方面,電子溫度與電子數(shù)密度隨電源輸入功率的快速增加可能與發(fā)生器內(nèi)部放電模式的轉(zhuǎn)變有關(guān).但在目前的實(shí)驗(yàn)條件下,很難從真空腔外部觀察到等離子體發(fā)生器內(nèi)部放電模式隨電源輸入功率的變化過(guò)程.我們將在今后的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)專門的裝置進(jìn)行等離子體放電模式的實(shí)驗(yàn)觀察和分析.

圖7 等離子體射流區(qū)P點(diǎn)電子溫度和電子數(shù)密度隨輸入功率的變化Fig.7.Variations of electron temperature and number density with power input at point P in plasma jet region.

圖9給出了當(dāng)Pin=10.0 W,f=26 kHz,p=0.3 Pa,texp=1 s時(shí),等離子體射流區(qū)電子溫度與數(shù)密度隨氬氣質(zhì)量流量的變化規(guī)律.本文通過(guò)改變與分子泵入口相連的擋板閥的開合程度,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體流量下真空腔壓強(qiáng)的控制.從圖9可以看出,隨著氬氣質(zhì)量流量從35.7 mg/min升高至160.6 mg/min,電子數(shù)密度從2.06×1010cm?3增加至5.05×1010cm?3,增長(zhǎng)幅度較小,而電子溫度略有下降.這是因?yàn)楫?dāng)氬氣質(zhì)量流量升高時(shí),氬原子密度將會(huì)上升,與電子之間發(fā)生碰撞電離的概率增大,從而引起電子數(shù)密度的升高.整體而言,氬氣質(zhì)量流量對(duì)于射流特性的影響較小.另外,對(duì)比圖8和圖9可以看到,真空腔的環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)等離子體射流特性的影響并不十分明顯,這可能與從發(fā)生器噴嘴噴出的等離子體射流受到兩平行放置的收集板的約束作用,從而使得不同環(huán)境氣壓下兩極板間等離子體射流的發(fā)散程度基本相同有很大的關(guān)系.在今后的研究中,我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段進(jìn)一步對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深入的分析;在本項(xiàng)目后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究中,將通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣質(zhì)量流量的方法來(lái)調(diào)控離子引出系統(tǒng)的壓強(qiáng)水平.

圖8 等離子體射流區(qū)P點(diǎn)電子溫度和電子數(shù)密度隨電源驅(qū)動(dòng)頻率的變化Fig.8.Variations of electron temperature and number density with power supply driving frequency at point P in plasma jet region.

圖9 等離子體射流區(qū)P點(diǎn)電子溫度和電子數(shù)密度隨氬氣質(zhì)量流量的變化Fig.9.Variations of electron temperature and number density with argon mass flow rate at point P in plasma jet region.

為了進(jìn)一步研究引出區(qū)域等離子體參數(shù)空間分布的均勻性,圖10給出了在＝71.4 mg/min,Pin=10.0 W,p=6.0×10?2Pa,f=26 kHz條件下,z=1.5,3.0和4.5 cm處(此處定義z軸正方向?yàn)檠氐入x子體發(fā)生器幾何軸線且指向射流流動(dòng)的方向;z=0對(duì)應(yīng)于等離子體發(fā)生器噴嘴出口處),等離子體電子溫度和電子數(shù)密度沿垂直于引出極板方向(y方向)的分布曲線.從圖10可以看出以下兩點(diǎn):第一,等離子體射流中心區(qū)的電子數(shù)密度隨著距離發(fā)生器出口軸向距離的增加而顯著降低,由z=1.5 cm處的7.73×1010cm?3減小至z=4.5 cm處的3.10×1010cm?3,降幅達(dá)60%;同時(shí),電子溫度也會(huì)有所下降,但下降幅度相對(duì)較小,由2.63 eV下降至2.45 eV,降幅約為7%;第二,在同一軸向位置處,從等離子體射流中心沿垂直于引出極板的方向,越靠近引出極板,電子數(shù)密度也越低,最大下降幅度達(dá)到75%,且電子數(shù)密度分布關(guān)于通過(guò)射流幾何軸線的對(duì)稱面呈現(xiàn)對(duì)稱分布;同時(shí),電子溫度亦隨著靠近引出極板而降低,但下降幅度較小,整體分布比較均勻.

表3列出了IEX-2015與其他公開報(bào)道的離子引出模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的參數(shù)對(duì)比.從表3可以看出:目前采用氣體放電方式的離子引出模擬實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)較少,相比ICP型放電實(shí)驗(yàn)裝置[17],IEX-2015所產(chǎn)生的等離子體射流電子溫度和電子數(shù)密度均與真實(shí)的離子引出過(guò)程所產(chǎn)生的等離子體參數(shù)更為接近,且等離子體參數(shù)的變化范圍也比較寬;IEX-2015所產(chǎn)生的等離子體射流的電子數(shù)密度范圍基本覆蓋了常見的光電離空氣[18]和金屬原子蒸氣[8,19]所產(chǎn)生的等離子體密度范圍;但I(xiàn)EX-2015所產(chǎn)生的等離子體射流的電子溫度較真實(shí)離子引出過(guò)程中的等離子體電子溫度偏高,而且產(chǎn)生等離子體的真空腔壓強(qiáng)也同樣偏高,而光電離模擬離子引出裝置[19]在這兩方面的參數(shù)則相對(duì)好一點(diǎn),這也是本文后續(xù)仍需深入開展的工作.

圖10 等離子體射流區(qū)電子溫度和電子數(shù)密度的空間分布Fig.10.Spatial distributions of electron temperature and number density in plasma jet region.

表3 不同離子引出模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上等離子體關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比Table 3.Comparisons of key plasma parameters on different ion extraction simulation experimental platforms.

4 不同引出參數(shù)對(duì)離子引出電流的影響

圖11給出了ne=7.57×1010cm?3,Te=1.78 eV,p=8.8×10?2Pa,˙m=107.1 mg/min時(shí)離子引出電流(IE)隨引出電壓(U)和極板間距(d)的變化規(guī)律.從圖11可以看出:當(dāng)極板間距一定時(shí),離子引出電流隨著引出電壓的增大而增大;而當(dāng)引出電壓一定時(shí),離子引出電流則隨著極板間距的增大而減小.這是因?yàn)楫?dāng)極板間距一定時(shí),隨著引出電壓的升高,束縛于兩引出極板間的等離子體中的帶電粒子所受到的電場(chǎng)力亦隨之增大,從而導(dǎo)致離子引出電流的增大;相反,當(dāng)引出電壓一定、極板間距增大時(shí),離子所受到的電場(chǎng)力會(huì)減小,從而使得離子引出電流隨之減小.

圖11 離子引出電流隨引出電壓和極板間距的變化Fig.11.Variations of ion extraction current with externally applied voltage and electrode gap spacing.

圖12給出了Te=1.78 eV,p=8.8×10?2Pa,˙m=107.1 mg/min,d=10 cm時(shí),離子引出電流(IE)隨射流中心區(qū)電子數(shù)密度和引出電壓(U)的變化規(guī)律.從圖12可以看出:在引出電壓保持不變的條件下,隨著射流中心區(qū)等離子體電子數(shù)密度的升高,離子引出電流隨之增大.上述參數(shù)(包括引出電壓、引出極板間距和電子數(shù)密度)對(duì)于離子引出電流的影響規(guī)律與文獻(xiàn)中所報(bào)道的實(shí)際的激光光電離離子引出過(guò)程[6,7]定性一致,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文建立的氣體放電等離子體射流源代替激光光電離等離子體源進(jìn)行離子引出模擬實(shí)驗(yàn)研究的可行性.

圖12 離子引出電流隨電子數(shù)密度的變化Fig.12.Variations of ion extraction current with electron number density.

5 結(jié) 論

本文以原子蒸氣同位素分離法中的離子引出過(guò)程為研究背景,建立了基于千赫茲高壓交流氣體放電等離子體射流源的IEX-2015;發(fā)展了用于診斷射流區(qū)電子溫度和數(shù)密度的氬等離子體“碰撞-輻射”模型,對(duì)不同工況下的等離子體射流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;基于此,開展了離子引出特性的初步實(shí)驗(yàn).本文主要得到以下結(jié)論.

1)采用本文同軸型放電結(jié)構(gòu),可以在真空腔壓強(qiáng)約為10?2Pa下獲得均勻、穩(wěn)定的等離子體射流;等離子體電子溫度和數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù)的變化范圍較ICP型氣體放電等離子體源更寬,且與實(shí)際的激光光電離等離子體源特性也更為接近.

2)電源輸入功率和驅(qū)動(dòng)頻率以及等離子體工作氣體(本文為氬氣)質(zhì)量流量均會(huì)對(duì)射流區(qū)電子溫度與數(shù)密度產(chǎn)生影響.其中,電子數(shù)密度相比于電子溫度隨上述參數(shù)變化的幅度更大.一方面,隨著電源輸入功率的逐漸增大,電子將首先從外電場(chǎng)獲得能量,使得電子溫度升高;同時(shí),電子與中性原子間的碰撞也變得更為頻繁,從而導(dǎo)致電子數(shù)密度隨之升高.另一方面,隨著電源驅(qū)動(dòng)頻率的升高,電子與中性原子間的碰撞變得更加劇烈,在使得電子數(shù)密度升高的同時(shí),電子自身的能量損失增大,從而導(dǎo)致電子溫度降低.

3)初步的離子引出實(shí)驗(yàn)所得到的引出電壓、極板間距以及等離子體密度對(duì)離子引出電流的影響規(guī)律與實(shí)際的激光光電離離子引出特性定性一致,從而驗(yàn)證了IEX-2015實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于研究離子引出過(guò)程的可行性.

本文開展了不同工況下氬氣放電等離子體射流區(qū)電子溫度和電子數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律以及初步的靜電場(chǎng)離子引出實(shí)驗(yàn)研究,著重驗(yàn)證了IEX-2015實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于離子引出模擬實(shí)驗(yàn)的可行性.在今后的工作中,我們將繼續(xù)深入開展不同放電工質(zhì)、不同環(huán)境壓強(qiáng)以及不同引出參數(shù)下的離子引出特性研究,從而為真實(shí)的激光光電離離子引出方案設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo).