探針校準用ECR 等離子體源特性試驗研究

鄧星亮，張書鋒*，賈軍偉，柴 昊，王 斌，高 婷，李 鵬，崔 爽，李 崢，郎 昊，劉 展

（1.北京東方計量測試研究所，北京100086；2.北京空間機電研究所，北京100076）

0 引言

等離子體態(tài)是在一定空間和時間范圍內(nèi)由電子和離子組成的準中性狀態(tài)。宇宙中超過99.9%的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在。等離子體在材料改性和表面處理、空間環(huán)境模擬、空間電推進等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1-2]。等離子體的物理過程非常復雜，對于等離子體特征參數(shù)（電子溫度、電子密度）的靜電探針診斷缺少溯源性和測試計量標準，因此對診斷準確性的評估一直比較模糊。本文嘗試通過建立一套由標準等離子體環(huán)境模擬設(shè)備和標準靜電探針測量設(shè)備組成的探針校準裝置，來解決靜電探針的校準和不確定度評估問題，其中標準等離子體環(huán)境模擬是一項關(guān)鍵技術(shù)。微波電子回旋共振（ECR）等離子體源具有電離率高、放電氣壓低、產(chǎn)生等離子體面積大等特點，常被用在空間等離子體環(huán)境模擬裝置中。但ECR 源的供應(yīng)商和使用者卻很少詳細研究其放電參數(shù)特性[3-6]。

本文針對實驗室研建的探針校準裝置中使用的永磁ECR 等離子體源進行試驗研究，分析不同微波管電流和氣壓等放電條件對等離子體參數(shù)的耦合作用，以及ECR 等離子體特征參數(shù)的可調(diào)節(jié)性、長時間運行的穩(wěn)定性、空間分布的均勻性及多次放電的重復性等，以驗證使用永磁型ECR 等離子體源作為探針校準裝置中的標準等離子體發(fā)生器的可行性。

1 試驗裝置和測量系統(tǒng)

用于探針校準的標準等離子體環(huán)境模擬裝置主要由真空系統(tǒng)、靜電探針診斷系統(tǒng)和ECR 等離子體源組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。真空系統(tǒng)由渦輪分子泵及機械泵搭建的真空抽氣系統(tǒng)和φ1000 mm×1500 mm 的圓柱形真空腔室組成。真空腔室的極限真空度可達5.0×10-5Pa，試驗時的實時真空度測量和顯示通過2組校準后的高精度電離規(guī)完成。靜電探針診斷系統(tǒng)由水平和豎直方向2組靜電單探針組成：水平方向的靜電單探針為φ0.5 mm×10 mm的L形圓柱探針，安裝在行程為600 mm×300 mm的二維移動平臺上，該平臺固定在真空腔室中的水平臺上；豎直方向的靜電單探針為φ0.4 mm×10 mm的圓柱探針，安裝在行程為600 mm 的一維移動平臺上，該平臺通過波紋管與真空腔室外的測控設(shè)備連接，其重復定位精度優(yōu)于0.1 mm。試驗中，水平和豎直方向探針的位置分別由其所在移動平臺控制。

圖1 ECR 等離子體環(huán)境模擬裝置和探針測量系統(tǒng)布局Fig.1 ECR plasma environmental simulation device and probe arrangement

ECR 等離子體源的性能是整個等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵，其永磁ECR 等離子體源為直接耦合型，由磁控管、激勵腔、環(huán)形器、三銷釘、水負載、等離子體放電室、永磁鐵、進氣口和接口法蘭組成，如圖2所示。磁控管和激勵腔的主要作用是以特定頻率為系統(tǒng)提供連續(xù)可調(diào)的微波能量輸出；環(huán)形器、三銷釘和水負載的主要作用是將微波源提供的微波能量以最低的損耗傳輸給等離子體放電室，并確保在放電室中等離子體負載特性變化時，系統(tǒng)均能在匹配狀態(tài)下穩(wěn)定工作；等離子體放電室的主要作用是保證微波輸出能量在放電區(qū)域形成特定的模式分布，穩(wěn)定激發(fā)并維持等離子體；等離子體放電室外圍永磁鐵的主要作用是在反應(yīng)腔內(nèi)橫過放電截面處形成一個875 G 軸向可變的ECR 層，以激發(fā)產(chǎn)生微波等離子體；進氣口的作用是將放電氣體通入放電腔；接口法蘭的作用是將整個ECR等離子體源與真空腔室密封連接，其內(nèi)部呈喇叭口形狀，可使電離產(chǎn)生的等離子體穩(wěn)定擴散至真空腔室中[7-8]。

圖2 直接耦合型ECR 等離子體系統(tǒng)Fig.2 Direct coupled ECR plasma system

2 診斷處理方法

探針校準用的標準等離子體環(huán)境模擬裝置應(yīng)具備長期使用的穩(wěn)定性，試驗以半年為周期，選取多個時間點對等離子體源進行測試，相鄰測試時間間隔不小于10 d，每組測試時的放電氣壓分別選取10-3～1 Pa 之間的不同壓力，研究微波管電流變化對等離子體參數(shù)的影響和多次放電的重復性。

以標準差σ和變異系數(shù)cv作為重復性的評估標準：標準差和變異系數(shù)的值越小，則重復性越好。二者的計算式分別為：

等離子體源的放電參數(shù)穩(wěn)定后，探針校準裝置中的等離子體特征參數(shù)應(yīng)在一定的空間范圍內(nèi)保持均勻。使用靜電探針測量不同放電條件下腔室水平和垂直方向等離子體特征參數(shù)的空間分布均勻性U，

式中：N為等離子體特征參數(shù)；L為空間尺度。

等離子體源的放電參數(shù)穩(wěn)定后，探針校準裝置中的等離子體特征參數(shù)應(yīng)在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。試驗過程中，在不同放電條件下，使用靜電探針測量腔室不同空間位置處等離子體參數(shù)在2 h 時間內(nèi)的穩(wěn)定性S，

式中T為時間尺度[9-10]。

放電前，使用標準溫濕度表WS-508C對放電腔室內(nèi)溫度和實驗室環(huán)境溫度進行測量，溫濕度表的測溫范圍為0～50℃，分辨率為0.1℃，精度為±1℃；測濕范圍為0.1%～99.9%RH，分辨率為0.1%RH，精度為±5%RH?？刂泼看畏烹娫囼炃暗姆烹娗皇覝囟葹?20±1) ℃，濕度為(50±10)%RH。使用ALICAT 21型質(zhì)量流量控制器調(diào)控放電氣體（氬氣）進氣量，其量程為0～2 L/min，精度為±(0.8%RD+0.2%FS)，重復性為±0.2%。該流量計內(nèi)置絕壓和溫度傳感器，可充分補償因壓力和溫度引起的體積流量和質(zhì)量流量間的差異，并對設(shè)定的流量進行反饋修正，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器中的閥門開度控制放電氣體的流量。試驗前，將微波源進氣口的針閥全部打開，對管路進行充分洗氣。試驗所用ECR 源放電所需磁場由環(huán)形永磁體提供，磁場位形為擴散型。根據(jù)圖1所示的測量系統(tǒng)布局和右下角的坐標關(guān)系，探針診斷區(qū)域內(nèi)y和z方向的磁場強度（By和Bz）相同；楊涓等的試驗研究表明[4,11]，僅與探針方向平行的磁場會對電子收集產(chǎn)生影響，故本文使用測量范圍0～200 mT、分辨率0.01 mT的霍爾效應(yīng)高斯計（特斯拉計）HT201 測量探針診斷區(qū)域內(nèi)x和y方向的磁場強度（Bx和By），測量點間隔50 mm，測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 探針診斷區(qū)間的水平和豎直方向磁場強度分布Fig.3 Distributions of horizontal and vertical magnetic field strength on the diagnostic area of the probe

由圖3可見，在探針診斷區(qū)域，豎直方向的磁場強度By小于水平方向的磁場強度Bx，By最大值僅為2.3 mT，且隨著測量點與等離子體源出口距離的增加迅速減小到0 mT，因此將L形探針按水平方向布置可最小化磁場的影響。同時，根據(jù)測量位置的磁場強度估算的電子拉莫回旋半徑（約1.4 mm）遠大于探針半徑（0.25 mm），故在診斷過程中可按傳統(tǒng)探針理論計算等離子體參數(shù)，磁場對探針測量結(jié)果的準確性無影響。通過改變?nèi)N釘調(diào)節(jié)器的位置，觀察微波源的反射功率，將三銷釘分別調(diào)節(jié)并固定在銷釘刻度為19.12 mm、21.64 mm、26.72 mm 的位置，此時反射功率相對較小。

試驗過程中，等離子體參數(shù)是通過在真空系統(tǒng)水平和豎直方向布置的靜電探針來測量的，需要選擇合適的靜電探針理論和參數(shù)擬合方法，盡可能準確地得到等離子體參數(shù)。實驗室自行設(shè)計的靜電單探針尺寸很小，且根據(jù)特斯拉計的測量結(jié)果，在探針測量區(qū)域受ECR 等離子體源磁場的影響很小，滿足探針無碰撞鞘層理論。根據(jù)探針掃描得到的伏安（I-V）特性曲線，可通過

使用LabVIEW 軟件編寫等離子體參數(shù)的計算程序，利用插值和擬合2種方法對采集到的探針電壓和電流信號進行處理，根據(jù)處理后的I-V特性曲線計算出等離子體參數(shù)。計算程序的前面板如圖4所示[15-16]。

圖4 LabVIEW 等離子體參數(shù)計算程序前面板Fig.4 Front panel of LabVIEW program for calculating plasma parameters

3 試驗測試結(jié)果分析

探針校準用永磁ECR 等離子體源的放電特性與多個放電參數(shù)有關(guān)，使用標準測量設(shè)備，將放電氣壓和微波管電流這2個參數(shù)外的其他放電參數(shù)固定，通過控制變量法分析不同放電氣壓下等離子體電子溫度、電子密度等特征參數(shù)隨微波輸出功率的變化趨勢，進而研究ECR 等離子體源的參數(shù)可調(diào)節(jié)性；在半年的時間周期內(nèi)進行多組試驗，研究ECR 等離子體源多次放電的重復性；使用水平和豎直方向的2組靜電單探針測量真空腔室內(nèi)等離子體參數(shù)在空間分布的均勻性和長時間的穩(wěn)定性。

3.1 ECR 等離子體源參數(shù)的可調(diào)節(jié)性和重復性

試驗使用的放電氣體為高純氬氣（Ar），將真空腔室內(nèi)極限真空度維持在1.0×10-3Pa，調(diào)節(jié)進氣流量使得真空腔室氣壓分別穩(wěn)定維持在5.5×10-3Pa、1.5×10-2Pa、4.0×10-2Pa、6.5×10-2Pa、1.0×10-1Pa 和5.0×10-1Pa。這6組不同的氣壓覆蓋10-3～1 Pa 壓力范圍，包含ECR 等離子體源的最佳放電氣壓。調(diào)節(jié)ECR 等離子體裝置的微波源磁控管電流，測量得到不同氣壓下等離子體特征參數(shù)隨微波管電流的變化曲線。選擇不同時間重復進行多次測量，研究長周期使用的情況下等離子體源放電的重復性。電子密度在不同氣壓下隨微波管電流的變化曲線和重復性如圖5所示，其中曲線1～4分別代表在不同時間進行的4組試驗，mean 為以這4 組試驗曲線的標準差作為誤差棒的均值曲線。

由圖5可見：ECR 等離子體源在微波管電流增加到20 mA 左右時開始放電，逐漸增加微波源輸出能量時，在5.0×10-3～1.0×10-1Pa 的低氣壓范圍，等離子體電子密度整體呈上升趨勢，數(shù)值范圍覆蓋1.0×1014～5×1016m-3；在0.1～1 Pa 的較高氣壓范圍，微波管電流達到35 mA 以上放電才會穩(wěn)定；在相同的放電氣壓下，4次測量的等離子體電子密度隨微波管電流變化曲線的標準差較小，變異系數(shù)的平均值為0.165。

以上試驗結(jié)果表明：不同氣壓、不同功率下的電子密度特性曲線可以作為ECR 等離子體源的參數(shù)調(diào)節(jié)曲線，且等離子體參數(shù)具有較好的可調(diào)節(jié)性，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)等離子體密度參數(shù)的定點調(diào)節(jié)；相同放電條件下進行多次測量時，等離子體源的特征參數(shù)具有較好的重復性。

圖5 ECR 源電子密度在不同氣壓下隨微波管電流變化曲線和重復性Fig.5 Curvesof electron density against thecurrent of microwavetube at different pressuresand thedata repeatability

3.2 ECR 等離子體源參數(shù)的空間分布均勻性

試驗過程中，將水平方向L 形圓柱探針針尖從距離等離子體源出口中心處0 mm 位置移至450 mm位置，每隔一定間距測量一組等離子體特征參數(shù)；將豎直方向圓柱探針針尖從0 mm 位置向下運動至550 mm 處（豎直方向下移500 mm 時，探針針尖位于等離子體源出口處），每隔一定間距測量一組等離子體特征參數(shù)。其中，放電氣壓4.0×10-2Pa、微波管電流60 mA 時，兩探針測量得到的ECR 等離子體特征參數(shù)在水平和豎直方向的空間分布均勻性如圖6所示。

由圖6可見：在真空腔室的水平方向，隨著測量點與等離子體源出口距離的增加電子密度呈下降趨勢，在0～100 mm 范圍下降速率較大（均勻性U=1.92×1014m-3/mm），而在100～300 mm 和300～450 mm 范圍下降速率較小（U分別為1.17×1013m-3/mm 和2.67×1013m-3/mm）；電子溫度呈均勻下降趨勢，下降約2 eV，U=3.98×10-3eV/mm。在真空腔室的豎直方向，隨著測量點與等離子體源出口距離先減小后增加，等離子體電子密度先逐漸上升，后在等離子體源出口處趨于穩(wěn)定，在0～300 mm的范圍，密度上升速率較大（U=1.90×1013m-3/mm），在300～600 mm 的范圍，密度趨于穩(wěn)定（U=2.33×1012m-3/mm）；電子溫度呈均勻上升趨勢，U=2.87×10-3eV/mm。

圖6 ECR 等離子體特征參數(shù)在水平和豎直方向的空間分布均勻性Fig.6 Spatial distribution of characteristic parametersof ECR plasma in horizontal and vertical directions

以上試驗結(jié)果表明：微波ECR 等離子體源的特征參數(shù)在距離等離子體源出口處300～600 mm（豎直方向）和100～300 mm（水平方向）的空間范圍內(nèi)均勻性較好。

3.3 ECR 等離子體源參數(shù)的時間穩(wěn)定性

將L形圓柱探針固定在距離等離子體源中心100 mm 的位置，測量2組不同放電條件下等離子體源的穩(wěn)定性，放電條件分別為4.0×10-2Pa、80 mA和1.0×10-1Pa、60 mA，每隔5 min 測量1組數(shù)據(jù)，持續(xù)測量120 min，得到等離子體特征參數(shù)的時間穩(wěn)定性如圖7所示。

由圖7可見：在4.0×10-2Pa、80 mA 的放電條件下，等離子體密度在2.5×1016m-3左右波動，穩(wěn)定性S=5.17%（120 min）；電子溫度在2.65 eV 上下波動，S=1.71%（120 min）。在1.0×10-1Pa、60 mA 的放電條件下，等離子體密度在4.3×1015m-3左右波動，S=3.78%（120 min）；電子溫度在1.50 eV 上下波動，S=2.70%（120 min）。

圖7 等離子體特征參數(shù)的時間穩(wěn)定性Fig.7 Time stability of characteristic parameters of ECR plasma

以上試驗結(jié)果表明：在穩(wěn)定的放電條件下，ECR 等離子體源的特征參數(shù)在長時間內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文針對實驗室研建的探針校準裝置中使用的永磁ECR 等離子體源，通過試驗研究了不同氣壓和微波管電流等放電條件對等離子體參數(shù)的耦合作用，發(fā)現(xiàn)等離子體參數(shù)具有較好的可調(diào)節(jié)性，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)等離子體密度參數(shù)的定點調(diào)節(jié)；放電條件相同的情況下，等離子體源的特征參數(shù)具有較好的重復性；ECR 等離子體源特征參數(shù)在距離等離子體源出口處300～600 mm（豎直方向）和100～300 mm（水平方向）的空間范圍內(nèi)有較好的均勻性；放電條件保持穩(wěn)定的條件下，ECR 等離子體源特征參數(shù)在長時間內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。

通過本文的試驗研究，掌握了永磁ECR 等離子體源參數(shù)隨氣壓、功率等放電條件的耦合關(guān)系；獲得了不同氣壓、功率下的等離子體參數(shù)特性曲線，證明ECR 等離子體源的特性滿足探針校準用標準等離子發(fā)生器的要求，可為后續(xù)標準等離子體發(fā)生器研制及探針的校準技術(shù)研究提供參考。