脉冲真空弧离子源等离子体参数诊断研究

发布时间：2020-06-09 13:42

【摘要】：真空弧离子源是一种用于产生金属离子束或者金属气体混合离子束的离子源,它具紧凑的结构,并且能在较低工作压强下产生较强离子束流。这种源主要应用于材料表面改性的离子注入和用作粒子加速器的离子束注入器等方面。这种离子源最早出现在上世纪40年代,经过研究者们的不懈努力,真空弧放电理论以及相应实验诊断都有了许多的成果。为了获得更优质的离子源,研究人员对真空弧放电产生的等离子体进行了大量的诊断研究。纵观这些诊断工作,大部分都是针对百微秒或者毫秒量级放电脉宽的真空弧离子源,而鲜有对于微秒量级放电的真空弧离子源开展研究。本文对自行研制的微秒量级放电脉宽的真空弧离子源产生的等离子体开展了诊断研究。根据等离子体所处离子源的位置的不同,采用了三种方法来研究等离子体的电子密度与电子温度等参数。离子源阴极采用钛电极,阳极为不锈钢,放电脉宽为51μs左右。采用了静电探针法研究位于扩张杯内的等离子体参数。根据单探针诊断原理,利用了一个大面积偏压平板作为探针,测得了离子源产生的离子束强度、弧压随弧流的变化关系；使用小型单探针工作于饱和离子流区,测得了扩张杯内等离子体的空间分布；根据双探针诊断原理,测得了扩张杯内等离子体的电子温度与电子密度参数。实验结果表明：离子流与弧压均随弧流的增长而增大：等离子体沿离子源轴向方向随扩散距离增加而不断衰减,沿径向方向的空间分布并非均匀；在弧流80-120A范围内,电子温度为3-5.5eV左右,电子密度为5.5×1012-9.5×1012cm-3,均有随弧流增大的趋势。采用了发射光谱法研究位于阴阳极之间的等离子体参数。建立了发射光谱技术诊断平台,测量了离子源工作在60-100A弧流的等离子体发射光谱,实验结果表明：该区域等离子体偏离热平衡,测得电子激发温度约为0.5eV,电子密度量级为1015cm-3,均随弧流增长而有增大的趋势。采用了冻结模型计算了位于冻结区的等离子体的电子温度与电子密度。由于缺乏对离子源的质谱诊断数据,参考了I.G.Brown与A.Anders等人的钛阴极真空弧放电CSD数据作为计算的输入量,获得了冻结区电子温度在2.8-4.4eV,电子密度量级在1018cm-3到1020cm-3范围。并且理论上给出了离子平均电荷态随电子温度与粒子总密度的变化关系：平均电荷态随着总粒子的密度增大而减小；电子温度越高,等离子体中的离子越容易得到高电荷态。以上结果,对于认识微秒级真空弧放电过程有积极的意义,并且也为离子源性能评估提供了参数依据。
【图文】：

空间分布,离子源,外观图

1.4.1离子源结构及其工作方式本课题所使用的离子源结构示意图如图1.2所示，真实外观图如图1.3,电极由圆片状的阴极与阳极构成，其中阳极电极中间带圆孔，孔直径约为2mm。可以采用多种金属材料或者金属氢化物材料作为阴阳极，本课题多数情况采用的是铁金属材料。阴阳极之间有陶瓷绝缘片，绝缘片同样有约2mm的圆孔。阳极外接有不锈钢制作的扩张杯，扩张杯具有多种形状结构，不同的形状可以使扩散等离子体具有不同的空间分布。\ 等离子体 /\ I 卜一"扩张杯赚雄随缘片阴极图1.2本课题使用的离子源结构示意图6

空间分布,离子源,课题,阳极

Magnetic field coi!图1.1 LBLN实验室的MEWA H离子源结构示意图1.4离子源结构及等离子体区域划分1.4.1离子源结构及其工作方式本课题所使用的离子源结构示意图如图1.2所示，真实外观图如图1.3,电极由圆片状的阴极与阳极构成，其中阳极电极中间带圆孔，孔直径约为2mm。可以采用多种金属材料或者金属氢化物材料作为阴阳极，本课题多数情况采用的是铁金属材料。阴阳极之间有陶瓷绝缘片，绝缘片同样有约2mm的圆孔。阳极外接有不锈钢制作的扩张杯，扩张杯具有多种形状结构，不同的形状可以使扩散等离子体具有不同的空间分布。\ 等离子体 /\ I 卜一"扩张杯赚雄随缘片阴极图1.2本课题使用的离子源结构示意图6
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL503.3

【参考文献】