双等离子体离子源_四川大学物理系赴南光机械厂教改小组.pdf

双等离子体离子源 物理系赴南光 机械厂教改小系助 提要 在南光机械厂工人师傅和技术人员协作下 建造了一台双等离子体离子源 在一个高压实验台 对源的工作特性和引 出特性进行了研究 得到的初步结果表明 这个离子源对氢 氮 氛等气体能正 常工作 未分析的总离子流在 毫安范围 引言 在 年代后期发展起来的双等离子体离子源川 克服了高频离子源 中存在着的种 种限 制 成为能提供高品质离子束的强流离子源的一种重要类型 定 飞 离子束的品 质好 主要是指 离子束具有低的发散度 小的半散角 这意味着源具有高的亮度 双等离子体离子源的另一个特点是离子束的能量分散较小 约比高频离子源小一个数 量级 近来 在一些只要求小束流的工作中 例如离子束接杂 离子束加工 离子束 微量元素分析等 也经常使用双等离子体源 这些工作所需离子束流只是微安到毫安 的数量级 但要求低发散度 因此弱流双等离子体离子源的研究也是一项有实际意 义的重要工作 本工作所介 绍的源王是应此目的而设计的一种小 电梳双等离子体离子源 下面将 首先描述这个源的结构特点 接着从一般的角 度 讨论双等离子体源的工作原 理 最后 介绍关于源特性和离子流与源参量之间 关 系的桌上实验初步结果 井进行扼要的 分 析 一 结构 描 述 图 是所建造的双等 离子体离子 源的纵剖 面 这幅按 的此例描绘的装配图 已显示了源的大部分特征 因此下面只补充说 明几点 细节 阴极 用直径 毫米踢林绕成塔形 共 圈 各圈直径分别 是 毫米 实验测得在 到 安培的加热电流下 其发射电流约 毫安 中间 电极 由纯铁制成 内锥角 外锥角 中间 电极孔直径 毫米 长 毫米 阳极 用担作成活动的小 嵌件 安装 在一个 纯铁制成的阳极盘 匕 阳极孔直径有 毫 米等五尹 一 一 护扮曰麟 石石石石石石石 义义 二二二二 火火 李李李李李 参参参参参 夕夕夕夕夕 夕夕夕夕夕 了了了了了 了了了 一一 叫 叫 翼翼 图 双等离子体离子源 灯拣 中间 电极 阳极 阳极区具空测量管道 吸极 滑动阀门 阳极盘冷却油通道 锥形膨胀杯 非磁性金属 隔板 磁场线圈 进气管 灯棘杆 如 阳极嵌件 担 才 阳极与 中间 电极之间的距离为 毫米 阳极孔 与中间 电极孔的 同心度耍求较 高 我们采用装配后加工的办法来保证 阳极盘 中间 电极和源的纯铁外壳构成一个磁迥路 通过线圈 匝 在阳 极和 中间 电极之间产生限制放电等离子体的轴向磁场 一 一 引出电极用不锈纲制成 吸极孔直径 毫来 外锥角 吸极相对子阳极的 距离可以调节 一般用 毫米引出间隙 中间 电极与阳极 吸极与阳极之间都用高硼玻璃环绝绿 金属 玻璃间用环氧树 脂粘接 二 放电过程和引出理论 关于双等离子体离子源的理论和束的引出问题已有不少著摔 石 这里只准 备 作一个简短的回顾以了解源的工作 双等离子体器 中的放电过程普通 的双等离子体器是一个三电极低 气压电弧 离 于 采 放电系统 阴极的热电子发射引 起气体放电 放电产生的等离子 体首先由于中间 电极的锥形形状 而受到机械的 浓缩 随后在 中间电极和 阳极之间的不均 匀轴 向磁场的作用下受到磁压缩 于 是等离子体收缩成 为一个很小的 锥形电弧 其顶端落在阳极孔位 置上 图 电弧顶端的离子 密 度 高 达 厘 米 一 的 数量 级 双等离子体器 中的放电 与 一般的郎密尔型人工热阴极弧放 电很不相同 对于后者 放电等 离子体不受压缩 等离子体均 匀 地分布在从紧靠阴极的阴极位降 区直到 阳极附近的阳极位降区 在等离子体与器壁接近 的边界 嵘 吃 一一二 石蔺碾歌电 一 一让 一了 图 双等离子体器 中的放电和对应的轴上 电位分布 处 存在着正离子鞘层 它保护着等离子体 精层处的正离子密度 怜 与等离 子 体 边界面的发射离子流密度 有如下关 系 十 一 一 扩 导 这里 公 饥 分别是离子的速度和质量 是电子温度 是玻尔兹曼常数 为 电 子电荷 等离子体 中离子 的产生 与径向扩散损 失和器壁 上的复合达成平衡 这时 电 子迁移电流代表放电电流 电弧 电流 在双等离子体器 中 阴极位降区 图 之后的自由等离子体 不能扩展到阳 极 这是因为机械收缩和 磁压缩都使等离子体平衡策到干扰 因而在等离子体中产生 一 一 了静电双层 图 中的氛 双层两边的等离子体具有不同的密度 而且正电荷 层在高密度方面 在双层中存在着方向相反的两种自可电荷流 郎指向阳群盯电子浦 和指向阴极的正离子流 双层 几卜的 电位跃变 与气压 有关 圣 常数 这样 双层把整个等离子体划分成离子密度不同的 几段 图 的 各段离子 密度大致是 心 厘米 一 同时 磁场大大诚小了电子和离子的 径向逃逸 将等离子体压到轴线附近 这就使阳极与中间 电极之 间的等离乎体电位膏 于阳极电位 出现 一个 电位攀 这个电位举将等离子体从阳极孔中推出去 这粼不 需要任何外加电压 等离子体可以自动地从阳极孔喷射到离子源的外侧空伺 在这里 可以十分方便地引出离子束 这是双等离子体器放电的一个重耍特点 同时 灰层中 的 电场不仅对通过它的电子有加 速作用 而且有会聚作用 这就使电子的能量高 密 度大 因而电离本领很强 造成阳极等离子体中达到接近 书的电离 由于这些原 因 双等离子体器可以在相当小的气体流量下提供很强的离子束流 离子束的引出从阳极孔中喷出的等离子体 通常让它在神个澎 胺林冲 户 月澎 胀 然后从膨胀了的等离子体的表面引 出离子束 引 出电极履常采用皮尔士川系绒 认 用膨胀杯的目的主要是为了得到低发散度的离子束 井降低引 出电压 关予膨联林 中的等离子体行为可参阅文献川 从源中引 出的离子束的直径和发散角决定于等离争律发射迈葬的形坎知兮 由巷决 系统的形状 也与束流强度和 引 出电场强度有关 当等离子体发射边界适当内凹时尸 可引 出品质好的束 等离子体发射面的形状既与引 出堪瘩状有知侧写蜘豹淋粉离 子密度有关 通常是用实验方法来作最位的选择 如所周知 由于空间 电荷效应 引出离子流的强度二硬木一定能达到为禽手塘度 所决定的最大值 即 式的值 而是由郎密尔公式 决定 了一 一名 对 一丢 拿二 安培鹰粉 这里 是离子的质量数 二 是引 出电压 以伏特秀草位 是引出河障 以度 采 为单位 如果视 为变量井记为 么 将 式对 宕 微分郎可求得引出间隙中的电场 强度 一鲁一 心坛 一 其中 矛是总离子沁 一姆 是发射面面积 扭 式表明糟大发射面面积可以降低 引 出电场的强度石从而喊小龟压击穿的可能纵 一 一 三 实验工作及其结果 实验工作的第一步是 解这个离予源的工作特性和确定合理的工作状态 为了获 得源提供不同质量的离子的知识 用了氢 氮 氖等气体作为源的工作气体 实验装 置如图 所示 试验台为一个高约 米 的角钢架 架 卜装有四奎耐压约七万伏特的 绝绿磁柱 磁柱支持着一块钢板构成高压台 高压合上放着电源 电弧 电源 伏 安 可调 稳定度 约 一 激磁电源 伏 安 一 可 调 灯林 电源 伏 安 交流 可凋 这些电源 由一个 仟伏隔离变压器次级供电 变压器初级用磁饱和稳压器稳定 高 压台上电源的 调节采用 尼龙腺拉线盘在地 电位下 人工操作 引出电压由一台 仔伏 毫安 稳定度 约 一 的高频高压电源提供 抽气 系统 用一部 升 秒高真察机组 在源不工作时 系统真空度可达 一 幼祝万 源工作时束区具宅 度可保证在 又 一 仍仍 夕左右 采用变压器油通过一台机床油泵对离予源进行循环冷却 源的工作气体的流量由一支串联式针阀揍制在几十 大气压毫升 小时 范时 刁犬 了辛 口 刃袄 斗 反 免今瓦 之口 净灯 之 安 因 卜 一 丁累 睡 图 源内真空度用热偶规 未对 氢 氮 道 图 的 进行测量 离子源接线图 氛等进行读数校正 通过阳极区其空姗量管 离子流测量采用普通的正偏压 仙 伏 法拉弟筒串联电流表进行 下面介绍实验工作的初步结果 飞 离子源工作特性 一 一 洪飞 一 二 口拟 幼 肠 训 誉 忠 礴番 之口口 协 太 电珍 状俘手 图 电弧放电特性 图 是测得的离予源电弧放电特性 在此测量中 中间电极电压与阳极电压保持 固定差值 对氮和氢此差值分别是 伏和 伏 这种放电特性与其他作者 的报 导基本上州致 图中 一 表示阳极区气压 以微米汞柱为单位 是激磁 电流 安 培 是灯林 电流 安培 幼 幻肠 气 髻你 枯 译 林 叶 君劝 图 撒未粉主 电弧电流与气压的关系 在一定的阳极电压下 弧流与气庄的关系如图 所示 可以看出 当气压 降低 时 熟终精大 理论分析表明 对于两电极电弧放电 弧流与 电场强度刃和电子的平均自由路程 从成正拓与电子谧度孰的平方根成反比 月 户 图 显示当阳极电压不太高时 三电极放电的弧流也大致与 成正比 但在较高弧压下存在着一个明显的饱和区 图 中弧流随气压降低而增大的趋势 可以部分地用入 随气压降低而增加的性质来解释 一 总离子流与源参量的关系 对于氢 氮和氢等气体测量了未分析的 总离子流与离子源参量 弧流 气压 激磁电流的依赖关系 结果如下 认 以 妞 叫 川浏门州 叫 布哪 候 心 晰 戒确 协 户 尸奋 户 丽 一件 材 石 份么专 图 总离子流与 电弧 电流的关系 在激磁电流 气压和引出电压保持常数的条件下测得的总离子流与电弧电流的关 系如图 所示 可以看出 在弧流小时 离子流随弧流而线性增加 在弧流较大时有 饱和趋势 而且 似乎工作气体的质量数越小 饱和趋势的 出现越早 耘 肉 口严 井 钻八 翻严 矛 怂 尹 盘 切此 你啾 言 乏一 一 从 安峪 图 总离子流与激磁电流的关系 图 是总离子流与激磁电流的关系 由图可见 在一定的引出电压下 当徽磁电 一 流减小时能引出的离子流线性 地减小 与此同时 离子流对气体性质 气压和弧流的 依级关系也逐渐减弱 这一事实显示了磁场在双等离子体管中的重要作用 当磁场减 弱时 气体电离效率降低 离子的扩散损失增大 同时阳极电弧散开 这些因素都使 离子密度降低因而降低了能引出的离子流 态 钟 艺 一硒 口 石 丈趁 口 内 九 一乙 阳 矛 份口 严馏 图 忿 氮源总离子流与气压的关系 总离子流与离子源阳极区气压的关系示子图 图中的两条曲线对应于不同的弧 流和阳极孔直径 曲绛清楚地显示了在其他条件一定时存在着一个最佳气压值 当工 作气体为氮气时 气压最佳值在 微米汞柱之间 这时输出离子流最大 增大 气压或减小气压都使离子流很快下降 离子流与气压的这种关系是由两方面的原因造成的 其一 根据 式 当气 压降低时 双层的电位降增大 因而在双层中被加速的电子能量也增大 这就使 电离 效率加大 当电子能量小子 电子伏特时 电离截面随电子能量增加而增大 离子密度随之增大 弓 出束流也增加 其二 可以证明 在磁场中离子的扩散系数 是 川 一 这里刀吞是无徽妙而时的扩散系数 是离子在磁场中的拉摩频率 二 是离子的平均 自由 一 一 时间 当磁场强度一定时 随着气压 的降低 增大 因而 减小 这就是说离子的 扩散损失 随着气 压的降低而诚小 所以输出离子流增大 但是当气压过分降低 时 电 予的平均自由路程太长 电离碰撞太少 放电将趋于熄灭 所以在气压低到某一数值 以后再降低时 能引出的离子流将急剧下降 引 出特性 图 显示了总离子流与引出电压的实验 关系 实验表明 吸极电压在 仔伏以 时 输出离子流 随电压的变化很慢 大约在 仟 伏附近达到饱和 由于所用高压电 以威 图 引 出特性曲线 源的最低值为 仟伏 故曲线的 厂半部未能测出 据文献 的报导 在饱 和 区 之 前观测 到了 规律 如果分析一下引出过程不难相信 当不采取特别措施时 在尖 验 是很难观测到 规律的 因为 第一 当吸极电压变动时 等离子体发射面的 位置要改变 使得引 出间隙 改变 第二 引出电压变动时 发射面面积 也要改 变 第三 引 出的离子流中一般包括好几种不同分子量 例 如用氢时可产生 芬 才等 的成分 使得总离子流与引出电压的关 系复杂化 总的来说 这些因素都使 引 出的离子流比 式所要求的值小 特别是当 二 增大时偏离更严重 其他问题 关于离子源的灯林 除用前述的揣灯棘外 还试验过途敷簇腮氧化物的操网灯 林 所用镍网是由直径 毫来跳蒜织戍 的 每平 方厘米 约 孔 灯袜 的制作 是 将镍网切成 宽 毫米 的长条 然后绕一圈成 为直径约 毫米的 螺旋形单圈状 最后途敷氧化物并烧 结即成 这种灯棘 的加热电流约 安培左右 起 弧后可断开加 一13一 热电源 在离子轰击下魏网保持加热状态 离子源在零灯排电流下继续工作 图6 7和9中标 有I j 0 的曲线就是用这种镍网灯释在离子轰击加热状态下测得的 这种 灯棘月 前存在的主要问跟是氧化物容易股落 有时脱离物还堵塞阳极孔而造成障碍 我们认为在灯林工作时不可避免的离子轰击自然是造成氧化物脱落的一个原因 但通 过改进灯林 结 构和途敷工艺 有可 能 克服这种缺点 采用氧化物途层的阴极 离子源 的冷却可以大为 简 化 对于热株功率占总消耗功率一半左右的毫安级双等离子体离子 源来说 这显然是有意义的 四 结论 1 这台离子源能论常工作于氢 氮和氢等气体 能提供1到 3毫安的 总离 子 流 2 离子源的合理工作状态是 电弧 电压10 0到 15 0 伏 中间电极电压 5 0到 6 0 伏 弧流0 5 到 1 5 安培 激磁电流 4 到 5 安培 吸极电压1 8到 2 0 仟伏 工作气 体压强5 0到 20 0 微米汞柱 3 采用谕敷氧化物约镍网灯袜是一个值得进一步研究的问祖 特别是对毫安级 双等离子体离子源 这将使源的功率消耗降低5 0终左右 井使冷却问题简化 参考文献 1 J 1 IJ 2 几口J怪 r 护 Lr L f s 6 7名 9 1 01 1 12 M a n fredV o o A d 仙 T a 石 寸加 1 翻 EI族垂 护杏 e 斯 sik Ionenphysi k und U ber m ik ro k 叩s e l 1956 522 C D M oa 介 atal R ev S e j I ns t r 30 1 9 5 9 694 Th J M Sl