李杰 鄭樂 董攀 龍繼東 王韜 劉飛翔

1) (中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621900)

2) (中國工程物理研究院研究生院，綿陽 621900)

3) (四川新網(wǎng)銀行股份有限公司，成都 610000)

真空弧放電等離子體含有多種離子成分，并且各離子在空間上具有不同的分布規(guī)律.本文針對(duì)金屬氘化物電極真空弧離子源，搭建了一臺(tái)緊湊型磁分析裝置，用來研究放電等離子體中氘離子與金屬離子的空間分布.當(dāng)離子源弧流為100 A 左右時(shí)，該裝置能有效地傳輸引出束流，并且具有較好的二次電子抑制效果，可準(zhǔn)確獲得各離子流強(qiáng).利用該裝置測(cè)量并獲得了氘化鈦含氘電極真空弧放電等離子體內(nèi)氘離子和鈦離子空間分布規(guī)律，結(jié)果表明:徑向上，氘離子和鈦離子都呈高斯分布，但氘離子分布均勻，而鈦離子相對(duì)集中在軸線附近，導(dǎo)致軸線附近氘離子比例最低;軸向上，所有離子數(shù)量都以自然指數(shù)函數(shù)減少，而且相對(duì)幅度接近，所以氘離子比例幾乎不變.本文研究結(jié)果不僅有助于理解真空弧放電等離子體膨脹過程，還可以指導(dǎo)金屬氘化物電極真空弧離子源及其引出設(shè)計(jì).

1 引言

中子不同于電子、質(zhì)子等帶電粒子，不會(huì)與物質(zhì)發(fā)生庫侖作用，特別適合探測(cè)H，O，C 等輕元素，從而被廣泛地應(yīng)用于石油探井、爆炸物檢測(cè)、元素活化分析、中子照相、材料輻照等領(lǐng)域[1-6].中子發(fā)生器作為中子的一種主要產(chǎn)生方式，主要利用加速后的高能粒子(質(zhì)子、氘等)轟擊靶(氘、氚、鋰和鈹?shù)?產(chǎn)生高產(chǎn)額中子.中子發(fā)生器基于各種不同的加速原理，形成了各種不同的類型，如直流倍加器型、射頻四極場(chǎng)(radio frequency quadrupole，RFQ)型、回旋加速器型、串列加速器型等.這些中子發(fā)生器的離子束流最大只能到數(shù)十毫安，為了獲得高產(chǎn)額中子，只能提升加速電壓，導(dǎo)致發(fā)生器的體積非常龐大，不利于小型化和可移動(dòng)性.直線感應(yīng)加速器的帶束能力非常強(qiáng)，可以加速強(qiáng)流脈沖束，離子束流可達(dá)1 A 以上，在相同中子產(chǎn)額前提下，有望大幅降低加速電壓.在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，中國工程物理研究院流體物理研究所正在從事基于直線感應(yīng)加速原理的中子發(fā)生器研究，有望獲得一種新型的高產(chǎn)額強(qiáng)流窄脈沖中子源.

離子源是中子發(fā)生器的關(guān)鍵核心部件之一，為加速器提供足夠強(qiáng)度的離子束流.強(qiáng)流窄脈沖中子發(fā)生器采用真空弧離子源，電極為金屬氘化物，放電時(shí)陰極斑燒蝕陰極材料，可產(chǎn)生極高密度的氘離子和金屬離子.它具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、氘離子流強(qiáng)大、氣負(fù)載小等優(yōu)點(diǎn)，有利于后續(xù)加速器整體的小型化，但缺點(diǎn)是等離子體中同時(shí)含有大量的金屬離子.離子源中有效氘離子成分是離子源的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，且離子源發(fā)射面處離子的空間分布情況對(duì)于離子引出設(shè)計(jì)及束流參數(shù)調(diào)控至關(guān)重要.早在1981 年，美國Sandia 實(shí)驗(yàn)室的Walko 和Rochau[7]利用真空弧離子源獲得了250 mA 左右的氘離子流，該離子源內(nèi)有一個(gè)含軸向磁場(chǎng)的小孔徑通道，磁場(chǎng)可以約束氘離子通過通道，但不能有效約束金屬離子，所以大部分金屬離子在通道內(nèi)碰壁損失，從而獲得了極高比例的氘離子束流.俄羅斯全俄自動(dòng)化研究所(VNIIA)和大電流所等單位在含氘陰極離子源上研究較多，獲得了較多研究成果，特別是VNIIA 將真空弧離子源用在了商業(yè)脈沖真空中子管[8].Shkol’nik[9]對(duì)比了Ti 和TiH 陰極在真空弧放電下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)TiH 陰極陰極斑蝕坑更小，移動(dòng)速度更快，離子融蝕率更大.Barengolts 等[10]研究了薄膜形狀和圓環(huán)形狀的ZrD 真空弧放電性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)陰極為圓環(huán)時(shí)氘離子比例在放電初期最高，約為60%，并采用數(shù)值計(jì)算方法研究了等離子體電離過程.Nikolaev 等[11]對(duì)比了含氘電極和低氘氣壓下真空弧放電產(chǎn)生的氘離子性質(zhì)，在0.2 T磁場(chǎng)約束下，含氘電極產(chǎn)生的氘離子比例約為80.4%，而低氘氣壓下氘離子比例約32.1%，這說明含氘電極真空弧放電產(chǎn)生的氘離子效率非常高.

近年，真空弧質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，放電等離子體中，不同離子具有不同的角分布規(guī)律[12-14].可以推斷，以金屬氘化物為電極的真空弧離子源放電等離子體中，氘離子與金屬離子也存在類似的空間分離現(xiàn)象.通過該分離現(xiàn)象的研究，不僅可以了解真空弧等離子體膨脹運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還可尋找提高氘離子利用效率的方法，進(jìn)一步提升離子源性能.

目前，研究人員主要采用飛行時(shí)間法(time of flight，TOF)來對(duì)脈沖真空弧放電等離子體進(jìn)行質(zhì)譜分析.Brown[15]用飛行時(shí)間質(zhì)譜法獲得了幾乎所有金屬材料電極放電的電荷態(tài)分布.陳磊等[16]獲得了含氫電極的飛行時(shí)間質(zhì)譜結(jié)果.Nikolaev等[12]利用飛行時(shí)間質(zhì)譜法獲得了不同輕重離子的角向分布規(guī)律.采用TOF 的優(yōu)點(diǎn)在于高分辨率，可準(zhǔn)確分辨出真空弧放電中的絕大部分離子.不足之處在于TOF 通常需要對(duì)等離子體進(jìn)行時(shí)間取樣分析;倘若用來研究等離子體的空間特性，則還必須對(duì)等離子體進(jìn)行空間取樣.由于每次放電只能測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如此時(shí)間、空間上的雙重取樣，造成實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，而且真空弧放電通常穩(wěn)定性較差，多次放電給測(cè)量結(jié)果帶來較大的誤差.

本文搭建了一個(gè)緊湊型磁分析裝置，用以研究脈沖金屬氘化物電極真空弧離子源放電等離子體中氘離子、金屬離子的空間分布規(guī)律.該裝置只需要對(duì)等離子體進(jìn)行空間取樣，便可以獲得整個(gè)放電過程中氘離子與其他離子的束流強(qiáng)度及比例關(guān)系，進(jìn)而分析放電等離子體中不同離子空間分布規(guī)律.

2 磁分析裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置布局

磁分析裝置的主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括兩電極引出系統(tǒng)、永磁鐵和離子收集極.高密度等離子體由氘化鈦電極真空弧離子源放電產(chǎn)生，含氘電極真空弧離子源參數(shù)性質(zhì)詳見文獻(xiàn)[17-19].磁分析裝置引出系統(tǒng)包括引出電極與地電極，相隔2 mm，離子源和引出電極同電位，電勢(shì)均為20 kV.高壓波形近似為方波，平頂部分覆蓋全部放電波形，避免高壓前后沿影響等離子體發(fā)射面.離子束偏轉(zhuǎn)區(qū)域由一塊永磁二極鐵構(gòu)成，好場(chǎng)區(qū)尺寸約為50 mm×50 mm，磁場(chǎng)強(qiáng)度約0.7 T.

圖1 磁分析裝置示意圖(1-離子源，2-引出電極，3-地電極，4-磁鐵區(qū)域，5-金屬離子收集極，6-氘離子收集極，7-氫離子收集極，8-三維位移平臺(tái))Fig.1.Schematic of the magnetic analysis device (1-ion source，2-extraction electrode，3-grounding electrode，4-magnetic field area，5-collector for metal ions，6-collector for deuterium ions，7-collector for hydrogen ions，8-three dimensional displacement platform).

根據(jù)電極材料成分，已知等離子體中的離子成分主要為氘離子、各價(jià)態(tài)鈦離子以及表面吸附水汽離解而來的氫離子.由于中子發(fā)生器離子源有效成分為氘離子，對(duì)金屬離子的電荷態(tài)分布并不關(guān)心.因此，為了減小體積和使用方便，本裝置只設(shè)置了3 個(gè)收集極.如圖1 所示，與束流引出方向垂直的收集極主要用于收集不易偏轉(zhuǎn)的高質(zhì)荷比金屬離子，與束流引出方向平行的兩個(gè)收集極分別用于收集容易偏轉(zhuǎn)的氘離子、氫離子.在20 kV 引出電壓及0.7 T 磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，H+離子、D+離子的偏轉(zhuǎn)半徑分別約為29 mm 和41 mm，兩者相距較遠(yuǎn)，很容易在空間上分離.

磁分析裝置與離子源均固定在真空腔內(nèi)，實(shí)驗(yàn)時(shí)腔內(nèi)真空度優(yōu)于5×10—3Pa.為了降低電源開關(guān)動(dòng)作和擊穿過程對(duì)收集極信號(hào)的干擾，對(duì)磁場(chǎng)區(qū)域及收集極做屏蔽處理，而且電流信號(hào)全程通過同軸線傳輸，由示波器采集記錄.離子源固定在一臺(tái)三維位移平臺(tái)上，用于調(diào)節(jié)引出電極取樣口和離子源之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)離子源發(fā)射極處空間分布的取樣測(cè)量.

2.2 引出極設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確測(cè)量各通道收集離子信號(hào)強(qiáng)度，離子束需要盡可能無損地通過傳輸路徑.該裝置的傳輸路徑如圖2 所示，束流引出后，最可能損失在地電極和磁鐵上.

為了減少束流損失，設(shè)計(jì)上采取了三條技術(shù)途徑.第一條是減小引出極取樣口的直徑，這樣可以有效地減小引出束流強(qiáng)度從而降低束流中的空間電荷力，最終減小束流的發(fā)散程度;此外，取樣口直徑減小，也可提升該系統(tǒng)空間分辨的精度.第二條是通過引出電極結(jié)構(gòu)給初始引出束流提供一個(gè)聚焦力，使其能夠以較小的束包絡(luò)通過傳輸通道.第三條是縮短傳輸距離，在束斑擴(kuò)大至磁鐵邊緣前被收集極接收.目前該裝置的直線傳輸距離為60 mm.

由于等離子體密度隨離子源工作狀態(tài)變化而變化，倘若等離子體密度與引出結(jié)構(gòu)不匹配，束流發(fā)射面會(huì)往外凸，這樣會(huì)極大地增加束流的發(fā)散程度，造成束流的損失[20].于是，針對(duì)我們的離子源主要工作范圍，優(yōu)化了一套兩電極引出結(jié)構(gòu)與放電等離子體匹配，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示.為了驗(yàn)證該引出結(jié)構(gòu)的效果，在100 A 弧流條件下，利用ZnS閃爍體測(cè)量了不同位置處束斑大小.20 kV 的引出離子束流轟擊在閃爍體上會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)束流截面的發(fā)光區(qū)域，采用電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)記錄下束流截面的大小.選取了兩處位置作為束斑監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一處位于地電極后3 mm處，用以觀測(cè)通過地電極后束流橫截面分布，另一處位于氫離子和氘離子收集極，用以觀測(cè)經(jīng)磁偏轉(zhuǎn)后氫離子、氘離子束流截面分布，結(jié)果如圖3 所示.從圖3 中可見，束流通過地電極后3 mm 位置處的束斑直徑約2 mm，小于地電極孔徑6 mm，束流通過地電極時(shí)沒有發(fā)生碰壁損失;而氫離子和氘離子收集極上束斑尺寸介于4—5 mm 之間，束流在磁場(chǎng)傳輸過程中有所發(fā)散，但小于磁極間隙10 mm，說明此時(shí)束流并不會(huì)碰壁損失，能被很好地傳輸?shù)绞占瘶O.

圖2 引出離子束的傳輸通道示意圖Fig.2.Schematic of the transmission channel for ion beam extract from the ion source.

圖3 離子束轟擊閃爍體形成的發(fā)光區(qū)域照片 (a) 閃爍體放置在距離地電極后3 mm 位置;(b) 閃爍體放置在收集極處Fig.3.Photos of the cross section of ion beam on fluorescent screen:(a) The fluorescent screen was set at the position of 3 mm after the grounding electrode;(b) the fluorescent screen was set at the position of the collectors.

2.3 二次電子抑制

20 kV 離子束轟擊在收集極上，會(huì)引起二次電子發(fā)射，增大收集極上的電流信號(hào)，從而影響測(cè)試結(jié)果.該裝置采用了兩種技術(shù)途徑來抑制收集極的二次電子發(fā)射.第一種是將收集極緊靠磁鐵放置，利用磁鐵邊緣場(chǎng)偏轉(zhuǎn)二次電子，讓二次電子回到收集極，不在收集極上產(chǎn)生電流信號(hào);第二種是給磁鐵加負(fù)偏壓來抑制二次電子運(yùn)動(dòng).由于離子激發(fā)的二次電子能量大部分小于50 eV，所需負(fù)偏壓并不高[21].在弧流120 A 情況下，測(cè)得三個(gè)收集極上平均電流隨磁鐵偏壓的變化曲線如圖4 所示.當(dāng)磁鐵上加正偏壓時(shí)，二次電子在電場(chǎng)作用下從收集極引出，收集極電流迅速增大;反之磁鐵偏壓為負(fù)時(shí)，二次電子受到電場(chǎng)抑制作用，二次發(fā)射電子流減弱，當(dāng)收集極電流隨負(fù)偏壓的加大而保持不變時(shí)，說明此時(shí)收集極上的信號(hào)基本由離子電流組成.

圖4 收集極上的總平均電流隨偏壓的變化趨勢(shì)(偏壓從—30V 到30 V 變化)Fig.4.Average total collected current versus bias voltage from —30 to 30 V.

當(dāng)磁鐵偏壓為0 時(shí)，收集極上發(fā)射的二次電子流僅為離子流的6 %，這說明本系統(tǒng)磁鐵的邊緣場(chǎng)對(duì)二次電子發(fā)射抑制效果已經(jīng)較好.實(shí)際測(cè)量時(shí)，給磁鐵一個(gè)較小的負(fù)偏壓即可滿足要求.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 離子信號(hào)波形

當(dāng)放電弧流為100 A 及取樣點(diǎn)位于離子源軸線上時(shí)，收集極獲得的各離子典型電流波形如圖5所示.對(duì)單類離子而言，離子數(shù)量和電流之間的關(guān)系可用下式表示:

式中，Q為離子總電荷量;q為離子電荷態(tài);e為電子電荷量;I為離子束流;t為束流持續(xù)時(shí)間.對(duì)于Ti 離子而言，q可用平均電荷態(tài)表示，約為2.1[15].氫離子和氘離子只有+1 價(jià)一個(gè)電荷態(tài).對(duì)電流曲線做時(shí)間積分可得各離子的總電荷量，再根據(jù)(1)式計(jì)算離子源內(nèi)各離子數(shù)量，由于等離子體內(nèi)各離子體積相等，從而獲得各離子密度在離子源內(nèi)的相對(duì)比例.圖5 所示為脈沖真空弧放電各離子信號(hào)波形，由此可計(jì)算得到離子源發(fā)射極軸線上氘離子比例約為54.0%.盡管氫離子來自電極表面吸附的水汽，但其比例并不低，約為17.3%.

圖5 收集極上的各離子電流信號(hào)波形(放電弧流為100 A)Fig.5.Typical waveforms of the ion current collected by each collector while the discharging current is 100 A.

該裝置可以測(cè)得放電等離子體中氘離子、氫離子及金屬離子隨時(shí)間變化規(guī)律.從圖5 中可見，氘離子流和鈦離子流在整個(gè)放電過程中保持穩(wěn)定，而氫離子一直下降.這是因?yàn)殡x子和鈦離子來自金屬氘化物內(nèi)部，而氫離子來自陰極表面吸附水汽，被消耗后來不及補(bǔ)充.

3.2 氘離子、金屬離子空間分布

弧流100 A 時(shí)，離子源發(fā)射極上氫、氘和鈦離子密度徑向空間分布如圖6 所示，橫坐標(biāo)0 代表離子源軸線位置，正負(fù)數(shù)值代表偏離軸線距離.從圖6中可以看出，氫和氘離子徑向分布比較均勻，而鈦離子在軸向上更集中.由于放電點(diǎn)位于陰極邊緣，并不在幾何軸線上，所以等離子體分布中心略有偏心.等離子體內(nèi)離子分布規(guī)律與文獻(xiàn)[14]中氣體離子較金屬離子具有更廣的角度分布現(xiàn)象一致，來源于不同離子的質(zhì)量差異.由于放電點(diǎn)位于離子源軸線附近，輕重離子均在此產(chǎn)生，擴(kuò)散過程中，在相同的熱平衡溫度和平均碰撞頻率下，輕離子擴(kuò)散系數(shù)大于重離子使其沿密度梯度擴(kuò)散的離子通量更大[20].因此，輕離子更容易受碰撞作用在徑向上分布均勻，而金屬離子在徑向上受碰撞作用影響較小，更容易保持在軸線附近.利用高斯函數(shù)對(duì)徑向離子信號(hào)進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)擬合得非常好，這說明徑向上離子滿足高斯分布，僅半高寬不同而已.根據(jù)圖6 中的數(shù)據(jù)，計(jì)算了離子源發(fā)射面處氘離子比例在徑向上的分布情況，如圖7 所示.從圖7中可以看出，氘離子比例在軸線附近最低，而在遠(yuǎn)離軸線兩側(cè)最高.

圖6 氫、氘和鈦離子密度徑向分布Fig.6.Radial density distribution of H，D and Ti ions.

圖7 氘離子比例徑向分布Fig.7.Radial distribution of the D ion ratio.

氫、氘和鈦離子密度在軸向上的空間分布如圖8 所示，軸向距離指引出極和離子源擴(kuò)張杯之間的長度，測(cè)量時(shí)引出極位置不變，改變離子源擴(kuò)張杯位置，取樣點(diǎn)位于離子源軸線上.從圖8 中可以看出，隨著軸向距離增加，所有離子數(shù)量都在不停降低.軸向上離子數(shù)量可以很好地用指數(shù)函數(shù)擬合，這說明自由膨脹時(shí)，離子數(shù)量在軸向上以指數(shù)函數(shù)減少.根據(jù)圖8 計(jì)算了軸向上氘離子比例分布，如圖9 所示.從圖9 中可以看出，氘離子比例在軸向上變化很小，距離離子源越遠(yuǎn)，氘離子比例略有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，氘離子相對(duì)鈦離子擴(kuò)散到周圍更多，所以比例下降.但等離子體軸向運(yùn)動(dòng)速度很快，徑向擴(kuò)散速度相比而言很小，所以氘離子比例只是略微下降.這也說明軸向上，氫、氘和鈦離子密度以近似相同的指數(shù)函數(shù)減少，這也被圖8 的擬合函數(shù)證實(shí).

圖8 氫、氘和鈦離子密度軸向分布Fig.8.Axial density distribution of H，D and Ti ions.

圖9 氘離子比例軸向分布Fig.9.Axial distribution of the D ion ratios.

4 總結(jié)

本文搭建一個(gè)緊湊型磁分析裝置，用以研究金屬氘化物真空弧離子源放電等離子體中氘離子、金屬離子的密度空間分布差異.該裝置在離子源工作于100 A 弧流時(shí)，對(duì)于取樣的離子束流有較好的傳輸效果，可有效地將氘離子與氫離子、金屬離子分開，并且通過抑制收集極上二次電子信號(hào)，準(zhǔn)確獲得各離子在空間中的分布.

利用該裝置對(duì)金屬氘化物電極真空弧離子源進(jìn)行了診斷.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，徑向上金屬離子更集中于離子源軸線上，而氫離子、氘離子沿徑向分布更加均勻;軸向上離子均以指數(shù)函數(shù)衰減，氘離子比例變化不大.