宋紀(jì)高，仇猛淋,2，殷 鵬，王小霞，王廣甫,2,*，羅長維

(1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京市輻射中心，北京 100875；3.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京 100080)

北京師范大學(xué)GIC4117型串列加速器是1985年從美國GIC公司引進(jìn)的，在30多年的運(yùn)行過程中，加速器運(yùn)行基本正常。通過對束流線、靶室的建設(shè)和改造，目前已具備了質(zhì)子熒光分析(PIXE)[1]、高能離子注入[2]、離子激發(fā)發(fā)光分析(IBIL)[3]和背散射分析(RBS)[4]4條應(yīng)用管道。利用此加速器，實(shí)驗(yàn)室完成了大量離子束分析、高能離子注入領(lǐng)域的工作。

由于離子源漏氣損壞，原裝的358型雙等離子體離子源在1989年退役[5]，之后一直采用860A濺射離子源。因?yàn)R射源引出束流強(qiáng)度有限，限制了GIC4117型串列加速器的應(yīng)用，為進(jìn)一步拓展其應(yīng)用，2017年購置了HVE公司的358型雙等離子體離子源。由于僅購置離子源源體，HVE公司未提供燈絲涂覆材料和配套電源。因此在358型雙等離子體離子源調(diào)試和使用過程中，燈絲涂覆材料采用中國科學(xué)院電子學(xué)研究所提供的氧化物陰極涂料，離子源電源除弧壓電源采用新采購的國產(chǎn)電源外，其余采用原有的舊電源，進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用七星華創(chuàng)的D07質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)。

為提高束流強(qiáng)度和離子源燈絲的使用壽命，本文對358型雙等離子體離子源燈絲涂覆材料(碳酸鋇鍶鈣(BaSr-Ca)CO3)、涂覆方法、去氣流程及加速器停機(jī)后離子源保護(hù)措施進(jìn)行改進(jìn)，且通過改進(jìn)弧壓電源回路解決離子源異常斷弧現(xiàn)象。分別研究進(jìn)氣量、弧流、約束磁鐵電流對離子源穩(wěn)定性及其在雙45°偏轉(zhuǎn)磁鐵后輸出束流強(qiáng)度(前法束流強(qiáng)度)的影響。

1 358型雙等離子體離子源介紹

358型雙等離子體離子源結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由陰極燈絲、陰極支撐架、磁鐵線包、中間極、陽極、引出極組成。氣體由進(jìn)氣孔引入離子源腔室，并使離子源內(nèi)氣壓維持在適當(dāng)?shù)姆秶?約0.1～1.0 Pa)。在腔室1通過陰極發(fā)射的電子電離氣體，產(chǎn)生的離子向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，首先在錐形中間極受到機(jī)械壓縮，隨后在腔室2的約束磁場作用下進(jìn)一步壓縮，經(jīng)過兩次壓縮后的等離子體從陽極孔飛出，在引出極的作用下形成引出束流并進(jìn)入后續(xù)加速系統(tǒng)。影響358型雙等離子體離子源工作性能的主要因素有陰極燈絲性能、進(jìn)氣量、弧流、約束磁鐵電流等。

a——陰極支撐架；b——燈絲支柱；c——陰極燈絲；d——磁鐵線包；e——進(jìn)氣孔；f——中間極；g——腔室1；h——腔室2；i——引出束流；j——陽極；k——引出極圖1 358型雙等離子體離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of model 358 duoplasmatron ion source structure

2 358型雙等離子體離子源的恢復(fù)及性能測試

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)過程中工作氣體為氫氣，采用偏心方式引出H-束流，進(jìn)氣量保持在0.4～1.2 mL/min之間可調(diào)，調(diào)節(jié)精度為±0.02 mL/min；陰極燈絲工作電流范圍為23～26 A；燈絲與中間級之間起弧前的弧壓為150 V(空載)，起弧后弧壓范圍為70～110 V，弧流范圍為1.3～2.0 A；引出電壓為20 kV。

2.2 陰極燈絲制備及改進(jìn)

陰極燈絲基材為鉑金網(wǎng)，為提高燈絲電子發(fā)射效率需在鉑金網(wǎng)上涂覆1層氧化物，涂覆材料為(BaSr-Ca)CO3，碳酸鹽在經(jīng)過高溫去氣后形成Ba、Sr、Ca的氧化物，其中電子發(fā)射能力主要來自于盈余Ba的貢獻(xiàn)，Ca、Sr主要用于提高蒸發(fā)能，增加高溫發(fā)射中心[6]。此外，Ca還可在一定程度上提高氧化物在燈絲上的粘連強(qiáng)度。

在涂覆方法上，分別采用等離子體噴涂[7]和蘸涂兩種方法，在鉑金網(wǎng)燈絲上涂覆Ba∶Sr∶Ca摩爾比為58%∶38%∶4%的碳酸鹽溶液，此比例形成的涂層陰極發(fā)射比例較高[8]。對比相同實(shí)驗(yàn)條件下的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同涂覆方法對燈絲性能有著顯著影響。等離子體噴涂相比于蘸涂，氧化物在鉑金網(wǎng)上覆蓋的均勻性較好，具有較強(qiáng)的電子發(fā)射能力，但噴涂無法在燈絲環(huán)形內(nèi)層結(jié)構(gòu)沉積，氧化物涂層較薄。離子源在工作過程中燈絲處在低電位，電離后的氣體離子會對燈絲形成回轟現(xiàn)象。噴涂形成的燈絲氧化物僅在鉑金網(wǎng)外層沉積了一薄層，受到離子轟擊時(shí)氧化物脫落嚴(yán)重，產(chǎn)生大量粉末狀脫落物。蘸涂處理的燈絲，其電子發(fā)射能力相比于噴涂處理的燈絲下降10%左右。但蘸涂處理后燈絲氧化物涂層較厚，且能大量沉積在燈絲鉑金網(wǎng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，抗離子轟擊能力較強(qiáng)，氧化物涂層脫落情況明顯減少。實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，噴涂制備的氧化物陰極(Ba∶Sr∶Ca摩爾比為58%∶38%∶4%)在累計(jì)使用11.8 h后，氧化物涂層幾乎完全脫落，燈絲無法繼續(xù)工作。同樣條件下蘸涂制備的氧化物陰極累計(jì)工作時(shí)間為23.5 h，接近噴涂制備氧化物陰極壽命的2倍。因此本文采用蘸涂的方式進(jìn)行燈絲氧化物涂層的涂覆。

雖然蘸涂處理對燈絲壽命有所提高，但23.5 h的燈絲使用壽命依然不足，且涂層脫落依然較嚴(yán)重，氧化物涂層的開裂和脫落對離子源工作的穩(wěn)定性也有著嚴(yán)重影響。為進(jìn)一步降低氧化物涂層的脫落情況，本文提高了氧化物涂層中Ca的比例，采用Ba∶Sr∶Ca摩爾比為55%∶30%∶15%的涂料制備氧化物陰極，測試其使用壽命并觀察涂層脫落情況。在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，Ba∶Sr∶Ca摩爾比為55%∶30%∶15%的氧化物陰極使用壽命提高到72 h，涂層脫落情況得到明顯改善。

值得提出的是，燈絲涂覆完成后，涂層材料從碳酸鹽轉(zhuǎn)變成氧化物的去氣過程對陰極燈絲的使用壽命和涂層脫落也有較大影響，去氣主要包括5～12 A的水汽蒸發(fā)過程和18～29 A的碳酸鹽分解過程[9]。首次去氣時(shí)燈絲升溫過快極易導(dǎo)致涂層開裂和脫落，去氣過程在進(jìn)入碳酸鹽分解階段后可通入適量氫氣促進(jìn)碳酸鹽的分解[9]。

2.3 加速器停機(jī)后離子源保護(hù)措施

加速器在停機(jī)狀態(tài)下，由于離子源無獨(dú)立的真空設(shè)備維持高真空，燈絲氧化物涂層易受到空氣中水分和CO2的污染，導(dǎo)致氧化物陰極使用壽命大幅降低。針對此現(xiàn)象，每次停機(jī)后，可在離子源腔室內(nèi)充滿氬氣，使得氧化物陰極在停機(jī)時(shí)始終處在氬氣氛圍的保護(hù)中。前文提到使用壽命為72 h的氧化物陰極是在停機(jī)后無氬氣保護(hù)情況下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而在停機(jī)狀態(tài)采用氬氣保護(hù)后，同樣條件下的氧化物陰極累計(jì)使用壽命達(dá)200 h以上(目前仍在工作中，燈絲在氬氣氛圍保護(hù)下停機(jī)36 d后依然可正常起弧)。

2.4 對離子源工作過程中異常斷弧情況的處理

在離子源調(diào)試過程中時(shí)常會出現(xiàn)弧流中斷情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在異常斷弧前均會伴隨有不同程度的弧壓波動(dòng)。針對這種情況，本文對358型雙等離子體離子源的弧壓電路進(jìn)行改進(jìn)，圖2為離子源弧壓電路示意圖。

圖2 離子源弧壓電路示意圖Fig.2 Schematic of ion source arc voltage circuit

陽極與燈絲之間空載時(shí)加有150 V的電壓，改進(jìn)前，起弧時(shí)通過觸發(fā)開關(guān)短暫導(dǎo)通中間極與陽極，使得中間極與燈絲之間形成較高的電勢差從而擊穿氣體產(chǎn)生電弧，并通過放電電弧導(dǎo)通燈絲與陽極形成閉合回路，隨即斷開觸發(fā)開關(guān)。此時(shí)整個(gè)放電回路完全依靠氣體放電維持，這種情況下若發(fā)生氣體濃度波動(dòng)、電壓波動(dòng)等情況，極易導(dǎo)致離子源異常斷弧。為解決這一問題，將中間極與陽極之間的觸發(fā)開關(guān)改為常閉狀態(tài)，使陽極與中間極之間通過1 920 Ω的電阻保持在導(dǎo)通狀態(tài)。離子源在此狀態(tài)下工作時(shí)，一旦出現(xiàn)弧壓的波動(dòng)，弧壓電源回路能通過分壓補(bǔ)償進(jìn)行及時(shí)的校正，保證放電電弧的穩(wěn)定，較大程度上避免了弧流中斷。同時(shí)，由于觸發(fā)開關(guān)一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，若出現(xiàn)不可控的異常斷弧現(xiàn)象，燈絲與中間極之間的電壓會立即上升到起弧的閾值，在極短時(shí)間內(nèi)重新起弧。離子源正常工作時(shí)，分別測量了觸發(fā)開關(guān)在開、閉兩種狀態(tài)下陰極燈絲、中間極、陽極之間的電壓，結(jié)果列于表1。

表1 離子源弧壓分壓情況Table 1 Partial pressure of ion source arc pressure

觸發(fā)開關(guān)閉合與斷開兩種情況下弧壓的分壓情況僅相差0.6 V，對離子源的正常工作暫未發(fā)現(xiàn)任何影響。在觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，離子源正常工作狀態(tài)下未發(fā)現(xiàn)不可逆的異常斷弧情況發(fā)生。

2.5 離子源主要參數(shù)對其工作性能的影響

圖3 離子源弧流對引出束流強(qiáng)度及前法束流強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of ion source arc current on leading beam intensity and front Faraday cup beam intensity

圖3為離子源弧流對引出束流強(qiáng)度及前法束流強(qiáng)度的影響，在進(jìn)氣量為0.6 mL/min、約束磁鐵電流為1 A、燈絲電流為25 A且離子源工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，引出束流強(qiáng)度及前法束流強(qiáng)度隨弧流的增大而顯著增大。但多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弧流超出1.3～1.8 A時(shí)離子源易發(fā)生斷弧現(xiàn)象。這是由于進(jìn)氣量一定時(shí)，離子源腔室內(nèi)單位時(shí)間可電離氣體的總量有限導(dǎo)致的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)進(jìn)氣量增加至1.3 mL/min時(shí)，弧流穩(wěn)定范圍上限可增加到2.2 A。

在弧流為1.5 A、約束磁鐵電流為1 A、燈絲電流為25 A且離子源工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，測試離子源進(jìn)氣量對前法束流強(qiáng)度的影響(圖4)。在測試時(shí)，先緩慢增加進(jìn)氣量觀察前法束流強(qiáng)度變化情況，再緩慢降低進(jìn)氣量驗(yàn)證前法束流強(qiáng)度的變化。由圖4可知，兩條曲線變化情況基本一致，且在進(jìn)氣量達(dá)到0.64 mL/min后前法束流強(qiáng)度隨進(jìn)氣量的增大變化明顯變緩。這是由于當(dāng)弧流一定時(shí)，其對氣體的電離能力有限，電離能力達(dá)到飽和時(shí)，前法束流強(qiáng)度將不再隨進(jìn)氣量的增大而增大。同時(shí)過大的進(jìn)氣量將會導(dǎo)致離子源腔室真空度變差，造成引出束流頻繁波動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，離子源進(jìn)氣量不宜超過1.0 mL/min。

圖4 離子源進(jìn)氣量對前法束流強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of ion source intake on front Faraday cup beam intensity

在進(jìn)氣量為0.6 mL/min、弧流為1.7 A、燈絲電流為25 A且離子源工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，測試了約束磁鐵電流對前法束流強(qiáng)度的影響(圖5)。前法束流強(qiáng)度隨約束磁鐵電流的增加而增強(qiáng)，并逐漸趨于平緩。由于離子源采用偏心引出，約束磁鐵電流的大小體現(xiàn)在磁場對離子源腔室內(nèi)等離子體的約束作用，當(dāng)離子源陽極孔偏心位置合適時(shí)，約束磁鐵電流應(yīng)存在一最佳值，使得陽極孔引出離子流密度最大，且在這個(gè)最佳值附近束流強(qiáng)度變化平緩。

圖5 約束磁鐵電流對前法束流強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of restrained magnet current on front Faraday cup beam intensity

圖6為前法束流強(qiáng)度隨燈絲電流的變化情況。燈絲電流主要用于加熱燈絲，氧化物涂層使其發(fā)射電子?？煽闯?，當(dāng)燈絲電流達(dá)到25 A時(shí)，前法束流強(qiáng)度不再隨燈絲電流的增加而增加，此時(shí)燈絲電子發(fā)射能力達(dá)到最大值。即25～26 A為燈絲的最佳工作電流，過大的燈絲電流會導(dǎo)致燈絲溫度過高，造成盈余Ba的加速蒸發(fā)，致使燈絲快速老化[7]。

圖6 燈絲電流對前法束流強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of filament current on front Faraday cup beam intensity

3 結(jié)論

經(jīng)過多次調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，目前358型雙等離子體離子源采用了Ba∶Sr∶Ca摩爾比為55%∶30%∶15%的涂料所制備的氧化物陰極，且停機(jī)時(shí)始終保持氧化物陰極在氬氣氛圍的保護(hù)下，離子源累計(jì)工作壽命已達(dá)到200 h以上。此離子源目前能引出50～100 μA的束流，靶室束流強(qiáng)度由原來采用濺射源時(shí)的20 nA提高到10 μA，提高約500倍。同時(shí)，通過對離子源弧壓電源的改進(jìn)解決了異常斷弧及穩(wěn)定性問題。358型雙等離子體離子源改進(jìn)后性能得到較大提升且工作狀態(tài)穩(wěn)定，能滿足大部分實(shí)驗(yàn)及工作需求。