趙光義，王騰鈁，吳 聰，李正宏

(1.復(fù)旦大學(xué) 現(xiàn)代物理研究所，上海 200433；2.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900)

金屬真空弧離子源[1-2]由于其束流強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、高電荷態(tài)等特性，已被廣泛應(yīng)用于等離子體[3]、離子注入[4]、核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域[5-9]。氫化鈦電極是將金屬鈦放入高溫氫氣或氫的同位素氣體中形成的儲氣式電極，采用這種儲氣式金屬鈦?zhàn)鳛榉烹姴牧系碾x子源稱為氫化鈦真空弧離子源[10]。當(dāng)真空弧放電開始時，由于較低的解吸附溫度[11]，金屬鈦中的氫或氫的同位素會從電極內(nèi)部釋放并伴隨強(qiáng)烈的電離過程，從而產(chǎn)生離子，該離子束再經(jīng)過引出及加速空間即可應(yīng)用于中子發(fā)生器和中子管[12]。但在高溫條件下，當(dāng)氫化鈦材料中原子比(氫/鈦)超過1.5時該材料會發(fā)生碎裂[13-14]，從而大幅減少離子源的使用壽命。Cheifetz等[15]采用玻璃片上鍍鈦膜再充氫的方法解決短脈沖小電流(10 μs/100 A)放電材料易碎問題，并獲得了無加速能量下短脈沖真空弧放電擴(kuò)散區(qū)的飛行時間譜，2012年Chen等[16]用同樣的方法得到了相近的結(jié)果。

由于氫化鈦合金在真空弧放電產(chǎn)生的高溫條件下極易發(fā)生碎裂，目前對于氫化鈦陰極長脈沖(脈沖寬度大于10 μs，峰值電流大于100 A)真空弧放電的研究相對較少，相比于短脈沖真空弧放電，長脈沖真空弧放電持續(xù)時間更久，峰值電流更強(qiáng)，因此長脈沖真空弧放電在陰極表面產(chǎn)生的溫度也更高。在這種情況下，用Cheifetz等的方法制作的氫化鈦金屬膜會發(fā)生碎裂，因此該合金材料將不再適用于長脈沖真空弧離子源。本文采用氫化鈦鎳合金作為真空弧放電的陰極材料，該合金材料在常溫條件下性質(zhì)穩(wěn)定且不會釋放氣體，在高溫(3 000～5 000 K)條件下不易碎裂且能保持較好的穩(wěn)定性，從而解決長脈沖真空弧放電陰極材料的固化成型問題。此外，本文使用飛行時間譜儀[17-20]測量氫化鈦鎳合金陰極真空弧放電產(chǎn)生的離子電荷態(tài)分布和離子成分。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中所需要的氫化鈦鎳合金陰極材料由中國科學(xué)院沈陽金屬研究所制造，鈦與鎳粉末以1∶1的比例在真空中混合燒結(jié)形成鈦鎳合金，然后將該合金置入高溫氫氣中形成氫化鈦鎳合金，其中氫鈦比(原子比)為1.5。鈦鎳合金同時具備鈦的可塑性和鎳的可延展性，實(shí)驗(yàn)中測得該合金的沸點(diǎn)在3 000 K左右。為比較不同結(jié)構(gòu)陰極的放電效果，加工了外徑8 mm、長度36 mm的實(shí)心和空心(直徑為4 mm的通孔)兩種圓柱體陰極，空心陰極結(jié)構(gòu)如圖1所示。氫化鈦鎳合金陰極真空弧放電離子分布特性研究所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由俄羅斯科學(xué)院大電流電子研究所提供。該設(shè)備主要由真空弧離子源、引出-抑制電極、飛行時間譜儀、法拉第筒、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制測量系統(tǒng)等組成。設(shè)備原理示意圖如圖2所示。

圖1 氫化鈦鎳合金空心圓柱體陰極Fig.1 Hollow cathode of titanium-nickel alloy hydride

由于陰陽極間隙的臨界擊穿電壓為1.5 kV，因此當(dāng)放電電壓(700 V/270 μs)施加在陰陽極上時，陰陽極間隙不會發(fā)生自擊穿。當(dāng)在觸發(fā)電極與陰極之間施加半高寬為50 μs、幅度為18 kV的脈沖電壓時，由于強(qiáng)電場的作用，陰極表面微凸起爆炸產(chǎn)生等離子體[21]，該等離子體加熱陰極使得陰極材料變成氣體進(jìn)入陰陽極間隙。同時，被氣化的陰極材料與電子相互碰撞發(fā)生電離，當(dāng)陰陽極間隙中的離子數(shù)密度足夠大時，陰陽極之間迅速擊穿產(chǎn)生弧放電，弧放電電流進(jìn)一步燒蝕陰極材料產(chǎn)生等離子體，最終形成覆蓋整個陰極表面的等離子體。在高等離子體密度梯度作用下，氫離子、鈦離子和鎳離子擴(kuò)散進(jìn)入陰陽極間隙，當(dāng)在引出電極和地電極之間施加一高壓脈沖時離子束流被引出。為使等離子體發(fā)射面穩(wěn)定，引出(加速)電極由細(xì)密的金屬柵網(wǎng)構(gòu)成，其電位設(shè)置為30 kV，同時離子源也處于此高電位；抑制(減速)電極設(shè)置負(fù)幾千伏電壓，以抑制低能二次電子對離子束流的影響；第3電極設(shè)置為地電位，第1電極與第3電極之間的引出電壓為30 kV。飛行時間離子門、漂移管、法拉第筒設(shè)置在直徑為25 cm、長度為120 cm的不銹鋼圓筒中，飛行時間離子門安裝在漂移管的入口端，法拉第筒放置在漂移管的出口端，從離子門到法拉第筒的距離為1 m。離子門由多層同軸環(huán)形金屬柵板組成，根據(jù)偏轉(zhuǎn)半徑的需要，越靠近外層的金屬柵板越寬。同時離子門的中心部分設(shè)置1塊直徑約5 cm的擋板，阻止軸心部分(發(fā)散)的離子束進(jìn)入法拉第筒，以減小測量誤差。在束流的漂移過程中，內(nèi)層環(huán)形柵板接偏轉(zhuǎn)脈沖低(地)電位，外層環(huán)形柵板接偏轉(zhuǎn)脈沖電壓(5 kV/100 ns)。上述離子門和施加在離子門上的脈沖電壓特性即可使氫化鈦鎳合金材料放電產(chǎn)生的離子被法拉第筒接收，且根據(jù)離子飛行1 m后到達(dá)時間的不同分辨出不同質(zhì)荷比的離子。為防止法拉第筒二次電子發(fā)射對離子束流的影響，在法拉第筒前部設(shè)置一約40 mT帶橫向磁場的永磁鐵。法拉第筒信號由存儲示波器記錄，通過分析法拉第筒信號得到離子的電荷態(tài)和不同質(zhì)荷比的離子比例。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

2 結(jié)果與討論

圖3 典型放電電流波形Fig.3 Typical discharging current waveform

實(shí)驗(yàn)中，真空弧離子源、引出系統(tǒng)、飛行時間離子門和法拉第筒放置在真空度為3×10-4Pa的真空腔內(nèi)。離子源放電弧電流Id為200 A，放電脈沖波形峰值寬度為270 μs，離子源典型放電電流波形如圖3所示。當(dāng)離子束引出電壓為30 kV時，引出脈沖離子束流峰值可達(dá)200 mA，離子門控制信號幅度為5 kV，半高寬為100 ns。同時，為消除陰極表面附著物和氧化物對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在數(shù)據(jù)記錄前，離子源已進(jìn)行55次放電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前33次放電中，離子束流各成分變化較大，從第33次放電到55次放電，離子束成分已保持不變，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄從離子源第55次放電開始。此外，為消除前一次放電產(chǎn)生的熱效應(yīng)對下一次放電的影響，實(shí)驗(yàn)中離子源每30 s運(yùn)行1次。

在真空弧放電的0～40 μs期間，陰陽極間隙導(dǎo)通開始，電子與原子碰撞主要發(fā)生在陰極附近，維持主弧電流的主要是電子電流，此時陰極表面會出現(xiàn)具有一定亮度、點(diǎn)狀的陰極斑。在焦耳熱作用及帶電離子的不斷轟擊下，陰極斑處陰極溫度迅速上升，當(dāng)溫度高于550 K時，處于某種相態(tài)的氫化鈦鎳合金開始大量釋放氫氣[22]，此時氫離子相對比例最高。圖4a為離子門開門時間在放電脈沖波形30 μs時刻的離子飛行時間譜。在45～75 μs階段，主弧電流增加，陰極溫度上升到3 000 K左右時(鈦鎳合金沸點(diǎn))，金屬鈦和鎳開始被熔化，同時陰極斑附近被熔化的鈦原子和鎳原子開始被電離，因此鈦離子和鎳離子占比開始增大，氫離子占比相對減小。圖4b為離子門開門時間在放電脈沖波形75 μs時刻的離子飛行時間譜。在75～190 μs階段，當(dāng)陰極溫度繼續(xù)上升到4 000～5 000 K時，鈦原子和鎳原子開始被充分氣化且被電離，此時陰陽極間導(dǎo)通處于穩(wěn)定狀態(tài)，主弧電流基本維持不變，氫離子、鈦離子和鎳離子比例維持穩(wěn)定狀態(tài)。圖4c為離子門開門時間在放電脈沖波形135 μs時刻的離子飛行時間譜。在190～270 μs階段，陰極斑溫度開始下降，當(dāng)陰極溫度低于3 000 K時，處于某種相態(tài)的鈦鎳合金又開始釋放氫氣而本身并未被氣化電離，因此氫離子相對比例增大，而鈦離子和鎳離子相對比例開始減小，圖4d為離子門開門時間在放電脈沖波形250 μs時刻的離子飛行時間譜。

由于真空弧放電具有不穩(wěn)定性，為減小放電不穩(wěn)定性帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)中采用128次放電求平均的方法來獲得真空弧放電的各離子成分。表1列出空心及實(shí)心圓柱體氫化鈦鎳合金陰極在穩(wěn)定放電期期間(75 ～190 μs)的離子束成分，其中鈦離子電荷態(tài)為1+、2+和3+，鎳離子電荷態(tài)為1+、2+和3+。由表1可知，在放電過程的穩(wěn)定期(75～190 μs)，Tin+和Nin+(n=1，2，3)的相對比例較高，Ti2+、Ti3+和Ni2+的比例分別為34%、23%和23%，H+的比例為12%，該數(shù)據(jù)說明真空弧放電易產(chǎn)生多電荷態(tài)金屬離子，這與文獻(xiàn)[23]的結(jié)果是一致的。同時從表1可知，兩種結(jié)構(gòu)陰極所得各種離子的成分差異在5%以內(nèi)，考慮到真空弧放電自身的波動，實(shí)心陰極和空心陰極放電所得離子成分基本一致。

為了測量空心圓柱體氫化鈦鎳合金陰極真空弧放電產(chǎn)生的H+和其他離子隨時間的分布特性，離子門開門時間相對觸發(fā)脈沖進(jìn)行了延遲。延遲時間設(shè)置方式為：0～55 μs(每隔5 μs設(shè)置1次開門信號)，55～115 μs(每隔10 μs設(shè)置1次開門信號)，115～260 μs(每隔20 μs設(shè)置1次開門信號)。由于H+和Ti2+離子在離子束流中占比最大，表2列出H+和Ti2+離子成分隨放電時間的變化。

圖4 不同放電時刻的離子質(zhì)荷譜Fig.4 Mass-charge spectrum of ion beams at different moments

表1 空心陰極和實(shí)心陰極放電過程 穩(wěn)定期離子束流成分Table 1 Ion beam component of hollow and solid cathodes during stable discharging period

表2 H+和Ti2+離子成分隨放電時間的變化Table 2 Variation of H+ and Ti2+ ion compositions with discharging time

從表2可看出，在放電過程的初期，H+的占比相對較高，30 μs時達(dá)到峰值57%，35 μs后迅速減小，且在75 μs后保持穩(wěn)定直至放電結(jié)束；在放電過程的初期，Ti2+的占比相對較低且隨時間緩慢增加，在75 μs后保持穩(wěn)定直至放電結(jié)束。根據(jù)焦耳加熱定律[24]，上述現(xiàn)象可用陰極溫度變化來解釋：放電過程的開始階段，在焦耳熱作用及帶電離子的不斷轟擊下，陰極表面陰極斑處溫度迅速上升，當(dāng)陰極溫度高于550 K時，處于某種相態(tài)的氫化鈦鎳合金開始大量釋放氫氣，此時鈦鎳等金屬被氣化相對較少，因此在放電過程的開始階段H+相對比例較大而Tin+和Nin+(n=1，2，3)相對比例較小。在放電過程的穩(wěn)定階段，當(dāng)陰極溫度繼續(xù)上升到3 000～5 000 K 時，陰極表面的金屬鈦和金屬鎳開始被氣化并電離，因此在放電穩(wěn)定階段，隨溫度的升高，Tin+和Nin+(n=1，2，3)的比例較大而H+的相對比例較小。

3 結(jié)論

本文將氫化鈦鎳合金材料應(yīng)用于強(qiáng)流長脈沖真空弧離子源放電，由于氫化鈦鎳合金具備鈦的可塑性和鎳的可延展性，該材料在真空弧放電產(chǎn)生的高溫(3 000～5 000 K)條件下不易碎裂且仍保持較好的穩(wěn)定性。同時用飛行時間譜實(shí)驗(yàn)方法測量了氫化鈦鎳合金真空弧離子源放電離子分布特性和離子成分，獲得了強(qiáng)流(200 A/270 μs)狀態(tài)下氫化鈦鎳合金的離子譜，實(shí)驗(yàn)中測得鈦離子的電荷態(tài)為1+、2+和3+，鎳離子的電荷態(tài)為1+和2+和3+。同時在放電過程的早期，H+的相對比例較高。在放電過程的穩(wěn)定期，Tin+和Nin+(n=1，2，3)的相對比例較高，Ti2+、Ti3+和Ni2+分別為34%、23%和23%，H+的比例為12%。該研究為氫化鈦鎳合金陰極真空弧放電特性研究提供了技術(shù)借鑒，同時為解決測井用長脈沖真空弧離子源壽命具有重要的指導(dǎo)意義。

感謝俄羅斯科學(xué)院大電流電子研究所Oks教授對研究的指導(dǎo)，同時感謝俄羅斯科學(xué)院大電流電子研究所Yushkov、Savkin博士對實(shí)驗(yàn)工作的幫助，并感謝中國科學(xué)院沈陽金屬研究所劉實(shí)研究員、熊良銀博士對本研究提供的幫助。