脉冲真空弧离子源等离子体参数诊断研究

摘要

真空弧离子源是一种用于产生金属离子束或者金属气体混合离子束的离子源，它具紧凑的结构，并且能在较低工作压强下产生较强离子束流。这种源主要应用于材料表面改性的离子注入和用作粒子加速器的离子束注入器等方面。这种离子源最早出现在上世纪40年代，经过研究者们的不懈努力，真空弧放电理论以及相应实验诊断都有了许多的成果。为了获得更优质的离子源，研究人员对真空弧放电产生的等离子体进行了大量的诊断研究。纵观这些诊断工作，大部分都是针对百微秒或者毫秒量级放电脉宽的真空弧离子源，而鲜有对于微秒量级放电的真空弧离子源开展研究。
　　本文对自行研制的微秒量级放电脉宽的真空弧离子源产生的等离子体开展了诊断研究。根据等离子体所处离子源的位置的不同，采用了三种方法来研究等离子体的电子密度与电子温度等参数。离子源阴极采用钛电极，阳极为不锈钢，放电脉宽为5μs左右。
　　采用了静电探针法研究位于扩张杯内的等离子体参数。根据单探针诊断原理，利用了一个大面积偏压平板作为探针，测得了离子源产生的离子束强度、弧压随弧流的变化关系;使用小型单探针工作于饱和离子流区，测得了扩张杯内等离子体的空间分布;根据双探针诊断原理，测得了扩张杯内等离子体的电子温度与电子密度参数。实验结果表明:离子流与弧压均随弧流的增长而增大;等离子体沿离子源轴向方向随扩散距离增加而不断衰减，沿径向方向的空间分布并非均匀;在弧流80-120A范围内，电子温度为3-5.5eV左右，电子密度为5.5×1012-9.5×1012 cm-3，均有随弧流增大的趋势。
　　采用了发射光谱法研究位于阴阳极之间的等离子体参数。建立了发射光谱技术诊断平台，测量了离子源工作在60-100A弧流的等离子体发射光谱，实验结果表明:该区域等离子体偏离热平衡，测得电子激发温度约为0.5eV，电子密度量级为1015 cm-3，均随弧流增长而有增大的趋势。
　　采用了冻结模型计算了位于冻结区的等离子体的电子温度与电子密度。由于缺乏对离子源的质谱诊断数据，参考了I.G.Brown与A.Anders等人的钛阴极真空弧放电CSD数据作为计算的输入量，获得了冻结区电子温度在2.8-4.4eV，电子密度量级在1018 cm-3到1020 cm-3范围。并且理论上给出了离子平均电荷态随电子温度与粒子总密度的变化关系:平均电荷态随着总粒子的密度增大而减小;电子温度越高，等离子体中的离子越容易得到高电荷态。
　　以上结果，对于认识微秒级真空弧放电过程有积极的意义，并且也为离子源性能评估提供了参数依据。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 离子源及其发展简介

1．2 真空弧离子源及其发展简介

1．3 真空弧离子源的国内外研究现状

1．3．1 真空弧放电阴极斑模型

1．3．2 真空弧放电离子扩散速度理论及实验

1．3．3 真空弧离子源放电等离子体参数诊断

1．4 离子源结构及等离子体区域划分

1．4．1 离子源结构及其工作方式

1．4．2 离子源的等离子体区域划分

1．5 论文主要内容

第二章 诊断方法和计算模型

2．1 静电探针诊断原理

2．1．1 单探针诊断原理

2．1．2 双探针诊断原理

2．2 光谱诊断原理

2．2．1 等离子体光谱产生机制

2．2．2 谱线展宽

2．2．3 电子温度测量

2．2．4 电子密度测量

2．3 冻结模型

2．3．1 模型概述

2．3．2 修正的多成分沙哈方程组

第三章 探针诊断及结果

3．1 探针诊断实验平台

3．2 偏压平板诊断

3．2．1 实验布局与诊断方法

3．2．2 数据赵理与结果分析

3．3 单探针诊断

3．3．1 实验布局与诊断方法

3．3．2 数据处理与结果分析

3．4 双探针诊断

3．4．1 实验布局与诊断方法

3．4．2 数据处理与结果分析

3．5 探针诊断小结

第四章 光谱诊断及结果

4．1 光谱诊断实验平台

4．2 光谱诊断数据处理与结果分析

4．2．1 系统的响应系数标定

4．2．2 电子温度计算分析

4．2．3 电子密度计算分析

4．2．4 电子温度与电子密度随弧流变化规律

4．3 光谱诊断小结

第五章 冻结模型计算结果

5．1 修正的多成分沙哈方程组解法

5．2 计算结果

5．2．1 电荷态分布计算结果

5．2．2 电子温度对离子平均电荷态的影响

5．2．3 实验CSD与模型计算校核结果

5．3 冻结模型计算小结

总结

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表文章

硕士研究生期间参加学术活动情况