（等离子体物理专业论文）ecr离子源主要参数对离子束流影响的研究.pdf

摘要 摘要 电子回旋共振( e c r ) 离子源具有工作寿命长、束流强度大、性能稳定、无 极、耐腐蚀、能在低真空下工作等优点，所以在许多领域得到广泛应用，现有的 一台高产额中子发生器采用的就是e c r 离子源。 e c r 离子源实验台结构复杂，部件较多，动态参数测量困难，其参数之间又 相互影响。初步实验已证明这些因素严重影响了e c r 离子源束流的大小和稳定， 甚至导致无束流现象。在初步实验基础上对e c r 离子源部分部件进行改进；对e c r 离子源主要参数( 微波功率，气体压强，磁场，等离子体密度，束流强度) 进行 测量，研究主要参数与离子束流之间的规律，利用得出的规律来调整e c r 离子源 的工作状态，获得稳定，束流大，品质好的离子束流。本论文主要研究内容和成 果如下： 介绍了电子回旋共振原理；e c r 离子源的工作原理；低温等离子体的产生的 形式；e c r 离子源实验台的结构。 对微波功率，真空系统，放电室的磁场，离子束流的测试方法进行分析；利 用朗谬尔探针( 发射探针和单探针结合) 对e c r 等离子体进行了初步的诊断研究。 对e c r 离子源微波传输主要结构如矩形过渡波导、微波输入窗进行了分析和 模拟计算，对微波输入窗的厚度进行了改进；对本实验e c r 离子源的磁镜结构进 行了改进；对本e c r 离子源的真空系统和自动控制系统进行了分析。 研究和分析了离子束流和微波功率的关系；研究和分析了离子束流和放电室的 真空度的关系；研究和分析了离子束流和磁场分布的关系；优化各种主要参数得 到e c r 离子源工作在最佳状态下的参考值。 关键词：e c r 离子源，微波功率，放电室磁场，气体压强，离子束流，等离子体 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h o u tc a t h o d e ，e c ri o nr e s o u r c ec a l lw o r ks t e a d i l yf o rv e r yl o n gt i m e 谢m s t r o n g e r i o nc u r r e n t ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dl o w e rp r e s s u r e t h e r e f o r e , e c rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s a tp r e s e n t , t h e r e i sah i g h - y i e l d n e u t r o ng e n e r a t o rw h i c ha d o p t se c r i o nr e s o u r c e d u et o c o m p l e xe x p e r i m e n t a l d e v i c e s t r u c t u r e ，m e a s u r e m e n t o fd y n a m i c p a r a m e t e r so fe c r i o nr e s o u r c oi sv e r yd i f f i c u l t a tt h es a m el i m e ，t h e s ep a r a m e t e r s i n f l u e n c ee a c ho i l i e r p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t sh a v e b e e np r o v e dt h a tt h e s ef a c t o r sa f f e c t t h es i z ea n ds t a b i l i t yo fb e a ms e r i o u s l y , e v e l ll e a dt or i og e n e r a t i o no fb e a mo ft h ee c r i o ns o u l c e i nt h i sp a p e r , b a s e do i lt h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，p a r to fc o m p o n e n tso f e c ri o ns 0 1 j i c eh a sb e e ni m p r o v e d ，m a i np a r a m e t e r ss u c ha sm i c r o w a v ep o w e r , g a s p r e s s u r e ，m a g n e t i cf i e l d ，p l a s m ad e n s i t y , b e a mi n t e n s i t yh a sb e e nm e a s u r e d u s i n gt h e r u l ew h i c hi so b t a i n e db yr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a i np a r a m e t e r sa n di o n c u r r e n t ，w o r k i n gs t a t eo fe c ri o ns o u r c eh a v eb e e na d j u s t e da n da c q u i r es t a b l e ， h i g h - i n t e n s i t y , g o o dq u a l i t yi o nb e a m t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i s a l ea sf o l l o w s ： i t i sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tp r i n c i p l eo fe l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n l t t l c e ，w o r k i n g p r i n c i p l ea n de x p e r i m e n t a ld e v i c es l a - u c t u r eo fe c r i o ns o u r c ea n dg e n e r a t e df o r m so f l o w t e m p e r a t u r ep l a s m a r e c t a n g u l a rw a v e g u i d et r a n s i t i o na n dm i c r o w a v ei n p u tw i n d o wa r ea n a l y z e da n d s i m u l a t e d ，w h i c ha l eb e l o n gt om a i ns t r u c t u r eo fm i c r o w a v et r a n s m i s s i o no fe c r i o n $ o l l r e 宅t h et h i c k n e s so ft h em i c r o w a v ei n p u tw i n d o wa n dm a g n e t i cm i r r o rs t r u c t u r eo f t h ee c ri o ns o u r c eh a v eb e e ni m p r o v e d v a c u u ms y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mo ft h ee c r i o ns o u r c eh a v eb e e na n a l y z e d t h em e t h o d so ft e s th a v eb e e na n a l y z e d ，w h i c hi su s e dt ol l l c a q u r em i c r o w a v e p o w e r , g a sp r e s s u r e ，t h ed i s c h a r g ec h a m b e rm a g n e t i cf i e l d , i o nb e a m a ni n i t i a l d i a g n o s i st om e a s u r et h ed e n s i t yo fe c r i o nh a sb e e nf i n i s h e db yu s i n gl a n g r n u i r p r o b e ( w i t hl a u n c hp r o b e a n ds i n g l ep r o b e ) i i a b s t r a c t t h e r e l a t i o n s h i pi sr e s e a r c h e db e t w e e n i o nb e a ma n dm i c r o w a v ep o w e r , b e t w e e n t h ei o nb e a ma n dg a sp r e s s u r eo fd i s c h a r g e ，b e t w e e ni o nb e a ma n dt h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n t h eb e s tt h er e f e r e n c ev a l u e sa r eg e ti nt h eb e s tw o r k i n gs t a t eo fe c ri o n s o u r c eb yo p t i m i z i n gt h e s em a i np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：e c ri o ns o u r c e ，m i c r o w a v ep o w e r , d i s c h a r g ec h a m b e rm a g n e t i cf i e l d ，g a s p r e s s u r e ，i o nc u r r e n t ，p l a s m a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另l l j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：加秒年歹月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题选取的依据和目的 美国、法国、日本、德国、俄罗斯、加拿大等国都建立e c r 离子源并先后在 离子注入、等离子体物理、微细加工技术、金刚石薄膜制备和化学气相沉积等许 多领域得到了广泛应用【l 】 2 1 。 近年来，中国科学院等离子体物理研究所、中国科学院近代物理研究所、中 国原子能科学研究院和四川大学原子核科学技术所等单位也相继进行了e c r 离子 源的研制或应用【3 1 。 e c r 离子源具有工作寿命长、束流强度大、性能稳定、无极、耐腐蚀、能在 低真空下工作等优点，所以是使用在强中子发生器上最具发展前景的离子源之一 【4 1 。中国工程物理研究院现有的一台强中子发生器采用的就是e c r 离子源。但e c r 离子源结构比较复杂，运行过程中由于各部件的参数相互关联、互相影响，例如， 引出束流的大小不仅与微波功率有关，也与磁场分布、各电极的电压差、进气量 有关。大多数参数无法直接在中子发生器上进行实验和验证，这将影响中子发生 器的工作状况。作为实验和测试平台，e c r 离子源实验台则可以很方便的对各参 数进行优化组合，在靶上得到最佳的束流品质。通过对部件的改进，使e c r 离子 源工作在最佳状态，其结果可用于中子发生器的调试。因此，e c r 离子源实验台 是中子发生器调试运行所必需的设备。 1 2 国内外研制现状 e c r 离子源自法国的g e l l e r 等在上世纪6 0 年代末研制成功以来，主要经 历了3 个发展阶段：单磁镜的单电荷态阶段；m i n - b 磁场结构的高电荷态阶段； 短脉冲高电荷态阶段。早期e c r 离子源因消耗功率巨大，限制了它的实际应用。 后来在法国的g r e n n o b l e 和美国的b e r k e l e y 实验室采用了永磁技术，性能大大提 高，先后在离子注入、等离子体物理、微细加工技术、金刚石薄膜制备和化学气 电子科技大学硕士学位论文 相沉积等许多领域得到了广泛应用。目前，美国、法国、日本、德国、俄罗斯、 加拿大等国都建立了e c r 离子源并开展较深入的研究工作。俄罗斯叶弗列莫夫 ( e f r e m o v ) 电物理研究所研制的大束流( 7 0m a ) e c r 离子源，已应用于等离子 体化学气象沉积【l 】。e c r 离子源的一个突出优点是能够产生高电荷态离子，美国 b e r k e l e y 实验室用e c r 离子源将m 原子完全剥离，u 6 0 + 有一定的电流输出。 俄罗斯物理研究院和德国德累斯顿理工学院分别用e c r 离子源开展了等离子体诊 断方面的研究工作。中国科学院近代物理研究所于上世纪9 0 年代初从法国引进 了第一台高电荷态e c r 离子源，在此基础上，已研制出多台具有国际先进水平的 e c r 离子源【5 l 。近年来，中国科学院等离子体物理研究所、中国原子能科学研究 院和四川大学原子核科学技术所等单位也相继进行了e c r 离子源的研制或应用。 以上所述的研究工作，涉及大型的e c r 离子源占绝大多数，小型化的则很少。可 以预言，随着超导技术和亚厘米波技术的应用，e c r 离子源研制和应用技术将会得 到进一步的发展。 1 3 论文的章节安排 e c r 离子源实验台结构复杂，尤其参数较多，参数测量困难，其参数之间又 相互影响。初步实验已证明这些因素严重影响了e c r 离子源束流的大小和稳定， 甚至无束流现象。本论文描述了在导师的带领下参加对e c r 离子源主要参数( 微 波功率，真空度，磁场，等离子体密度，束流强度) 进行测量；对e c r 离子源局 部部件进行改进的过程。在这一过程中，着重研究了e c r 离子源主要参数与离子 束流之间的关系规律，最后优化各参数组合，利用这些关系规律来调整e c r 离子 源的工作状态，获得束流大，品质好的离子束流。全文共分六章，除第一章绪论 之外，其余各章的主要内容是： 第二章介绍了电子回旋共振( e c r ) 原理；e c r 离子源的工作原理；低温等离 子体的产生的形式；e c r 离子源实验台的结构。 第三章对微波功率，真空系统，放电室的磁场，离子束流的测试方法进行分 析和调试；利用朗谬尔探针( 发射探针和单探针结合) 对e c r 等离子体进行了初步 的诊断研究，设计等离子体密度测量装置，测量等离子体的伏安特性并计算出了 电子温度、电子密度和等离子体电势等参量。 2 第一章绪论 第四章对本e c r 离子源微波传输主要结构如矩形过渡波导，微波输入窗进行 了分析和模拟计算，对微波输入窗的厚度进行了改进；对各种e c r 离子源的磁镜 结构进行分析并对本实验e c r 离子源的磁镜结构进行了改进；对本e c r 离子源的 真空系统和自动控制系统进行了分析。 第五章研究离子束流和微波功率的关系；离子束流和放电室的真空度的关系； 离子束流和磁场分布的关系；优化各种主要参数得到e c r 离子源工作在最佳状态 下的参考值。 电子科技大学硕士学位论文 第二章e c r 离子源 2 1 电子回旋共振( e c r ) 原理 在没有电场的状态下，当等离子体外加磁场否时，电荷量g 速度为矿的带电 粒子受到同时垂直于矿和否的洛伦兹力的作用。于是，粒子的运动方程为 m 警= g 两b ( 2 - 1 ) 红：一eb(2-2) 以= p：丘(2-3) 其中吐为回旋角频率，p 为回旋半径或拉莫尔半径。作回旋运动的电子( 角频率 为纹) ，当外加功= 眈高频电场时，会产共振加速现象，即电子回旋共振。其加速 原理如下所述。例如，当在图2 - 1 中的x 方向施加电场e s i n 吐，那么对电子( g = 一e ) 而言，在式( 2 1 ) 的右边添加电场力就可以得到电子在x , y 方向的运动方程 所警一面囊e s i n 吐， 像4 ) m 冬：e 瓦v 否 ，竹= 口 d l l 将以上两式中的巧消去，再整理得到 望旦+缈。z瓦：一垫s吐d2t 。一m 。 若t = 0 时，初速度为零，则该方程的解为 巧= 一芴e e f s i n 国。f 4 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 第二章e c r 离子源 把这个解代入式( 2 5 ) 后进行积分可得 丐= 篆燃咿盖她r 协8 ， 经过足够长的时间，即当皱f 1 成立时，可以进一步忽略( 2 8 ) 右边的第2 项，所 以电子的动能可以写成 詈( 一2 + 丐2 ) = 等t 2 协9 ， 由上式可知，电子的动能随时间而增大。此时，通过对速度积分可得电子的轨迹 为 x 2 ，c o s 够 ( 2 1 0 ) y5 一r s i n a ) , t 这里，离原点的距离，：彰2 西l f 随时间成正比地增大。 式( 2 1 0 ) 所给出的轨迹形状大体如图2 1 所示，电子加速运动轨迹为螺旋曲线。 其加速过程如下。由于电子的回旋频率与电场频率相同，所以电子总是受到与它 同相位的电场作用。例如，当电子位于图中1 ，3 ，5 位置时，运动方向向左，电 场向右；而在2 ，4 ，6 位置时电子向右运动，电场方向变为向左。因为电子所受 电场力为q e ，所以电子无论在哪个相位下都受到电场加速作用。因此，如式( 2 9 ) 所示，电场持续加速作用使电子动能不断增加。若电场频率与电子回旋频率不一 致，则存在相位差异，电予被加速和被减速的概率是一样的。这样，从时间平均 的角度看，电子能量不会增加。在这个意义上，只有彩= 她时才会出现共振现象1 6 。 电子科技人学硕士学位论文 b 一5 一j 3 一 1 f厂 ； “j 歹1 二名： 电了 图2 1 电子回旋共振加速的原理示意图 2 2e c r 离子源工作原理 e c r 离子源的工作原理是：在e c r 离子源中，具有一定角频率c o 的微波由微 波系统( 磁控管) 产生，经矩形和矩形过渡波导传输并经微波输入窗注入到具有一定 磁场分布的放电室中，放电室中存在一定的放电气体，当气体中少量电子在磁场 中的回旋角频率c 等于微波的角频率c o 。，微波与电子发生回旋共振，电子被微波 横向电场加速，即电子从微波中吸收能量而形成高能电子，高能电子与原子碰撞 电离产生e c r 等离子体【7 1 。e c r 等离子又受到轴向磁镜场的约束，被约束的e c r 等离子体通过引出电极将离子从放电室中引出得到离子束。 现有的e c r 离子源上，微波频率f = 2 4 5 g h z ，角频率o g e = 2 兀f , 电子的回旋 角频率0 9 。= e b m ，由此可得，发生e c r 放电时放电室内磁场的磁感应强度曰= o ) e m e - - c o c m e - - 2 而f m e = 8 7 5 m t 。 由于l o r e n t z 力的作用，电子在磁场中沿磁场线做回旋运动。当电子的回旋频 率c o c 和馈入的微波频率c o p 相等时，电子获得能量，产生共振加速或共振减速现象， 即满足以下条件： 国。= 国c = ( e m ) b 式中： 。 一电子的回旋频率； 妣一微波频率； 6 第二章e c r 离子源 e 一电子电荷； m 一电子质量； 艿一磁场的磁感应强度。 对于2 4 5 g h z 的微波频率，磁感应强度曰约为8 7 5 m t 。 2 3 低温等离子体的产生 实验和工业中产生等离子体的方法【8 j 有很多种，如：辉光放电、电晕放电、介 质阻挡放电、射频电晕放电、微波放电等。在e c r 离子源实验中采用的是微波放 电。 微波放电是将微波功率通过波导和微波输入窗馈入等离子体发生器中，产生 强的交变电场，它使气体击穿，从而产生并维持等离子体放电。在微波频段，电 磁辐射与等离子体的相互作用通常是集体相互作用，此时，等离子体作为一种介 电媒质参与。微波放电的典型频率为2 4 5 g h z ，因此，微波放电的一个显著特征是 其波长( 持1 2 2 4 厘米) 与通常实验等离子体发生器的尺寸相当。微波放电产生的等 离子体比直流和射频等离子体有更高的电子温度，典型值为5 1 5 电子伏，而直流 或射频等离子体电子温度通常只有l 2 电子伏。另外，微波放电可以在很宽的气 体压强范围内产生等离子体，一般可以从一个大气压n z c r 微波放电的1 0 击t o r t 。 非磁化的微波放电通常工作气压为1 0 mt c 盯到一个大气压，而磁化的e c r 微波放电 一般工作在1 0 m t o r r 至u 1 0 - 6 t o n 。由于微波放电有更高的电子温度和低的工作气压， 因而能比直流或射频放电提供更高的电离度和离解度，在低工作气压下也可以达 到较高的等离子体密度。 2 4e c r 离子源实验台结构 从总体上来讲，e c r 离子源实验台包括e c r 离子源主体及电源、e c r 离子源 平台、真空系统、冷却系统、控制系统、微波功率测量系统、靶系统和真空管道 等。其总体结构设计图如图2 2 。 e c r 离子源实验台主要由磁控管、带水负载环行器、定向耦合器、微波功率 测量装置、螺旋管磁透镜、放电室、引出电极、高低压电源、进气系统和在线测 控装置等构成。各部分的工作过程为：在2 m 319 k 型磁控管上加3 3 v 的灯丝电压 7 电子科技人学硕十学位论文 和3 2 0 m a 的阳极电流，可产生频率为2 4 5 g h z 、功率为l k w ( 可调) 的微波。带匹 配负载的环行器用于防止反射微波功率对微波信号源的影响，保证其工作正常。 入射微波经过矩形波导、微波输入窗进入放电室。放电室由带油冷的不锈钢双层 圆筒做成。微波输入窗采用石英玻璃、a 1 2 0 3 陶瓷和氮化硼( b n ) 三层材料构成。 石英玻璃用于真空密封，砧2 0 3 减少微波反射，b n 保护微波输入窗免受次级电子 流的影响。氢气通过针阀和带孔的法兰送入放电室，在放电室中电子与氢原子相 互作用产生等离子体。满足共振条件的磁场分布由安装在放电室外围的两组螺旋 管透镜线圈a 和线圈b 形成。两组线圈相对放电室可轴向和横向移动，以调整磁 场分布达到最佳放电状态。微波功率测量装置由两个定向耦合器、一对检波器、 发送和接收的光纤传输电路、微波功率表等组成。在参数的综合测试和调节中采 用了光纤传输技术。利用光纤传输既能有效的解决高压绝缘问题，又可提高系统 的抗干扰能力。其基本原理和结构框图如图2 3 。 图2 2e c r 离子源实验台的总体结构设计图 第二章e c r 离子源 23 9 2 图2 3e c r 离子源实验台的基本原理和结构框图 1 微波功率测量装置；2 磁控管；3 一环行器；4 一定向耦合器；5 一波导；6 一螺旋管磁透 镜；7 _ 放电室；江引出电极；蜞空系统；l 删量靶室； 1 1 进气系统；1 2 _ 系统电源； l 妯线测控装置 2 5 本章总结 本章主要介绍了电子回旋共振( e c r ) 原理；e c r 离子源的工作原理；低温等 离子体的产生的形式；e c r 离子源实验台的结构。 9 电子科技大学硕十学位论文 第三章e c r 离子源主要参数测量和调试 e c r 离子源实验装置结构复杂，尤其参数较多，参数测量困难，其参数之间 又相互影响。初步实验已证明这些因素严重影响了e c r 离子源束流的大小和稳定， 甚至无束流现象。在初步实验基础上对e c r 离子源主要参数( 微波功率，真空度， 磁场，等离子体密度，束流强度) ，进行了测量，研究主要参数与离子束流之间的 关系规律，研究各参数之间的关系规律，最后优化各参数组合，利用这些关系规 律来调整e c r 离子源的工作状态，获得稳定，束流大，品质好的离子束流；基于 测量的参数值来进行e c r 离子源局部部件的改进。所以，e c r 离子源参数测量是 一项十分重要的工作，为下面研究工作打下坚实的基础。 3 1 微波功率测试方法和调试 微波功率测量电路的连接方式一般分为终端式和通过式。在系统中采用通过 式电路，即定向耦合器加小微波功率计方式，如图3 1 所示，实际上是用定向耦合 器把大功率微波变换成小功率，设定向耦合器的过渡衰减量为c ( 单位d b ) ，方向 性为无穷大，再接一个两端匹配的标准衰减器，其衰减量为a ( 单位d b ) ，检波器把 微波功率直接转换成直流电信号，通过负载匹配使终端负载的驻波比接近1 ，由小 功率计显示功率值为凡，微波信号源的输出功率p o 。 p o = p ex l o c _ 3 l 。 p c 图3 - 1 微波功率测量原理示意图 l o 第三章e c r 离子源主要参数测量和调试 如图3 2 所示，微波功率测量装置可以在线测量微波入射功率和反射微波功 率。微波功率测量装置主要由定向耦合器、检波器【9 】、衰减器、微波功率表等组成。 在微波频率相对较低的范围，波导的尺寸很大，用于微波测量的定向耦合器随之增 大，对微波源的结构具有较大的影响。如果采用主副波导平行的宽边或窄边多孔耦 合，则隔离端的内置负载长度会使纵向尺寸很大，如采用纵向尺寸较小的十字定向 耦合器，又会使横向尺寸增大：而简单的探针耦合器，无方向性，不能用于定向测 量，现设计的波导耦合线式定向耦合器则克服了上述缺点。通过对两个定向耦合 器性能测试，得到它们的隔离度为2 0 d b ，方向度为1 5 d b ，定向耦合器a 的耦合度和 定向耦合器b 的耦合度均约为2 0 d b 4 。 检波器1 微波信 号源 h 兰竺 入射 圈 定向耦合器a 微波功率表 定向耦合器b 厩 光纤传输电路 光纤 i 皇 放电室 ( 负载) 光纤传输电路l 一微机 图3 - 2 微波功率测量装置原理 下表3 1 是利用上面微波功率测量装置测量的空载时微波入射和反射功率值。 下图3 3 是利用上面微波功率测量装置测量e c r 离子源正常工作时微波入射功率 值。 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 1 空载时微波入射和反射功率 磁控管电流m r5 07 51 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 5 入射功率w1 27 51 3 52 0 02 5 63 3 13 7 84 3 5 反射功率w o0o00 1 0 1 63 0 磁控管电流m r 2 5 02 7 53 0 03 2 53 5 03 7 54 0 0 入射功率w4 8 05 3 35 9 36 4 57 0 07 7 08 2 2 反射功率w 4 56 01 0 0 1 4 01 8 0 2 4 0 2 6 5 7 0 0 6 0 0 毫 5 0 0 4 0 0 2 2 02 4 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 03 6 0 图3 3e c r 离子源工作时微波入射功率。 1 2 第三章e c r 离子源主要参数测量和调试 3 2 真空系统测试方法和调试 真空系统主要由直联泵、分子泵和真空室组成，按图3 - 4 的方式连接z d f 5 2 2 7 复合真空计，与真空计配套的电阻规用于测量低真空，电离规用于测量高真空。 启动直联泵，正常情况下运行1 0 m i n ，复合真空计的低真空读数应到达1 0 p a 左右， 否则仔细检查管道密封情况是否良好。低真空到达1 0 p a 左右时，开通分子泵。如 果长期未运行，在2 h 范围内，复合真空计的真空读数应到达3 x 1 0 4 p a 以下，否则， 应用乙醚检查管道是否漏气，尤其注意氢气罐和放电室之间的连接是否可靠。当 真空度到达3 x 1 0 - 4 p a 以下并在1 h 以上保持稳定，可以确定真空系统测试完毕。 度。 图3 _ 4 真空系统测试连线图 下表3 2 是利用上面真空测试系统测量的放电室在不同的气漏情况下的真空 表3 - 2 放电室的真空度 气漏i 格 4 0 04 1 04 1 54 3 4 3 +4 4 o 2 12 22 32 42 52 6 真空度l x l 0 - 3 p 。 气漏i 格 4 4 74 5 1 4 6 04 7 04 8 04 9 5 2 72 82 93 o3 23 8 真空度l x l 0 3 p 。 气漏i 格 5 2 55 45 73 93 63 3 5 35 97 02 12 11 7 真空度l x l 0 - 3 p 。 气漏i 格3 02 8 5 ) 谚，故 = ：f 。因此，金属丝刚插入等离子体内的极短时间内， 金属丝表面会出现净的负电荷。该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。过 程平衡时，金属丝的电位为吩。设等离子体空间电位为，则在一吩作用 下， = 五。吩即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。显然，吩，亦即在金 属丝与等离子体之间形成了一个电位差为吩的鞘层。 向金属丝飞来的正离子不受鞘层电场的影响；而电子在穿越鞘层时，受到拒斥 场的作用，只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。根据玻 尔兹曼分布函数，可知能穿过这个势垒的电子浓度为： 驴斗销 协5 ， n 。o v ee x p 一销i , 弘ie i 一= 一l2 ，f l 上e j ( 3 6 ) 其中n 为等离子体区域内的电子浓度。平衡时， 勘，即：因n e o = ? l f ( 设 等离子体离子为单电荷离子) ，粒子平均热运动速度为v = 8 k r ( j r m ) l 2 ，故 1 6 第二章e c r 离子源主要参数测量和调试 ( 3 6 ) 式可改写为： 印等h 爵等h 以氩等离子体为例，设扭= 2 e v ，k t , - = 0 0 4 3 e v ，m i m e = 1 8 4 0 4 0 ， 右。正离子穿越鞘层获得动能( 局) ： ( 3 7 ) 则垆1 5 v 左 e , - 眈一巧) = 等q 篆) 8 ， 2 l a n g m u i r 单探针的工作原理 如果我们在插入等离子体中的金属丝的末端连接上简单的电路( 如图3 - 9 所 示) 便构成了l a n g m u i r 单探针。调节电位器可使探针( 即金属丝) 的电位由- 4 5 v 变至i j + 4 5 v 。假设在调节探针电位的过程中，等离子体的状态保持稳定。对应探针 电位由负变到正的每一个电位值，记录下电流表所指示的相应的每一个流过探针 的电流值。据此即可得探针厶y 特性曲线( 如图3 1 0 所示) 图3 - 91 a n g m u i r 单探针电路 现在我们来分析一下l a n g m u i r 单探针的厶y 特性曲线的成因。为了表述方便 起见，我们采用圆盘型的平面探针，并画出了平面探针的鞘层表面( 如图3 1 1 所 示) 。由第一节所述的余弦定律可知：单位时间内落在单位鞘层表面积内的电子数 与离子数可分别用( 3 1 ) 、( 3 2 ) 两式表示。至于落到鞘层表面的粒子能否落到探 针表面，则取决于粒子的种类( 正离子还是电子) 与鞘层电场的性质( 大小与方 向) 。 1 7 电子科技人学硕七学位论文 l ， i ； a i 。 万 c 、t 0 、 v 印 图3 1 0 单探针的l v 特性曲线图3 1 1 平面探针的鞘层表面 下面将单探针i - v 特性曲线分为a 、b 、c 三个区域进行分析： a 区：饱和离子电流区。在该区，探针电位( 圪) 远远小于等离子体空间电 位( ) ，即 。此时，全部电子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面， 只有正离子能被探针收集，这些正离子也就是到达鞘层表面的那些正离子，其数 值由( 3 2 ) 式确定。显然，该数值由等离子体的性质( 刀f 与订) 决定，而与鞘层电 场大小无关。由( 3 4 ) 式决定的离子电流密度也就是探针所能收集到的最大离子 电流密度，称为饱和离子电流密度，将其乘以探针暴露在等离子体里的总面积， 即为探针饱和离子电流。 c 区：饱和电子电流区。与a 区的情形类似，在该区，巧口，此时全部正离 子都受鞘层拒斥场的作用不能到达探针表面，只有电子能被探针收集。这些电子 也就是到达鞘层表面的那些电子，其数值由( 3 1 ) 式决定。同样，该数值由等离 子体的性质( n e o , 瓦) 决定，而与鞘层电场的大小无关。由( 3 3 ) 式决定的电子电 流密度( 万。取，的值) 也就是探针所能收集到的最大电子电流密度，称为饱和电子 电流密度。将其乘以探针总面积即为探针饱和电子电流。 图3 1 2 电子能量分布函数 1 8 第三章e c r 离子源主要参数测量和调试 b 区：过渡区。该区的情形稍为复杂一点。在该区，圪 = 时，探针电流到达电子饱和电流；而当 时，探针电流按指数函数衰减。故在二矿曲线上会出现一拐点，此拐点对应的横坐 标即为等离子体空间电位v , p ( 实验上拐点有时并不十分明显，其原因后面讨论) ， 二y 特性曲线与横坐标的交点即为悬浮电位野。此处流经探针的电子电流与离子 电流大小相等而方向相反。 2 ) 求电子温度 既然在过渡区，探针电流易与鞘层电场( 一) 之间是指数函数关系，即 寸似= i o 叫掣l 协” 故上式取对数，可得 墨型- i n 铲l l l 厶 皿：韭二堡! ( 3 - 1 0 ) 。 l n ，一l n i