【摘要】：真空弧離子源是一種用于產(chǎn)生金屬離子束或者金屬氣體混合離子束的離子源,它具緊湊的結(jié)構(gòu),并且能在較低工作壓強(qiáng)下產(chǎn)生較強(qiáng)離子束流。這種源主要應(yīng)用于材料表面改性的離子注入和用作粒子加速器的離子束注入器等方面。這種離子源最早出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代,經(jīng)過研究者們的不懈努力,真空弧放電理論以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)診斷都有了許多的成果。為了獲得更優(yōu)質(zhì)的離子源,研究人員對真空弧放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了大量的診斷研究�？v觀這些診斷工作,大部分都是針對百微秒或者毫秒量級放電脈寬的真空弧離子源,而鮮有對于微秒量級放電的真空弧離子源開展研究。 本文對自行研制的微秒量級放電脈寬的真空弧離子源產(chǎn)生的等離子體開展了診斷研究。根據(jù)等離子體所處離子源的位置的不同,采用了三種方法來研究等離子體的電子密度與電子溫度等參數(shù)。離子源陰極采用鈦電極,陽極為不銹鋼,放電脈寬為51μs左右。 采用了靜電探針法研究位于擴(kuò)張杯內(nèi)的等離子體參數(shù)。根據(jù)單探針診斷原理,利用了一個大面積偏壓平板作為探針,測得了離子源產(chǎn)生的離子束強(qiáng)度、弧壓隨弧流的變化關(guān)系；使用小型單探針工作于飽和離子流區(qū),測得了擴(kuò)張杯內(nèi)等離子體的空間分布；根據(jù)雙探針診斷原理,測得了擴(kuò)張杯內(nèi)等離子體的電子溫度與電子密度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：離子流與弧壓均隨弧流的增長而增大：等離子體沿離子源軸向方向隨擴(kuò)散距離增加而不斷衰減,沿徑向方向的空間分布并非均勻；在弧流80-120A范圍內(nèi),電子溫度為3-5.5eV左右,電子密度為5.5×1012-9.5×1012cm-3,均有隨弧流增大的趨勢。 采用了發(fā)射光譜法研究位于陰陽極之間的等離子體參數(shù)。建立了發(fā)射光譜技術(shù)診斷平臺,測量了離子源工作在60-100A弧流的等離子體發(fā)射光譜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該區(qū)域等離子體偏離熱平衡,測得電子激發(fā)溫度約為0.5eV,電子密度量級為1015cm-3,均隨弧流增長而有增大的趨勢。 采用了凍結(jié)模型計(jì)算了位于凍結(jié)區(qū)的等離子體的電子溫度與電子密度。由于缺乏對離子源的質(zhì)譜診斷數(shù)據(jù),參考了I.G.Brown與A.Anders等人的鈦陰極真空弧放電CSD數(shù)據(jù)作為計(jì)算的輸入量,獲得了凍結(jié)區(qū)電子溫度在2.8-4.4eV,電子密度量級在1018cm-3到1020cm-3范圍。并且理論上給出了離子平均電荷態(tài)隨電子溫度與粒子總密度的變化關(guān)系：平均電荷態(tài)隨著總粒子的密度增大而減小；電子溫度越高,等離子體中的離子越容易得到高電荷態(tài)。 以上結(jié)果,對于認(rèn)識微秒級真空弧放電過程有積極的意義,并且也為離子源性能評估提供了參數(shù)依據(jù)。
【圖文】：

1.4.1離子源結(jié)構(gòu)及其工作方式本課題所使用的離子源結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示，真實(shí)外觀圖如圖1.3,電極由圓片狀的陰極與陽極構(gòu)成，其中陽極電極中間帶圓孔，孔直徑約為2mm。可以采用多種金屬材料或者金屬氫化物材料作為陰陽極，本課題多數(shù)情況采用的是鐵金屬材料。陰陽極之間有陶瓷絕緣片，絕緣片同樣有約2mm的圓孔。陽極外接有不銹鋼制作的擴(kuò)張杯，擴(kuò)張杯具有多種形狀結(jié)構(gòu)，不同的形狀可以使擴(kuò)散等離子體具有不同的空間分布。\ 等離子體 /\ I 卜一"擴(kuò)張杯賺雄隨緣片陰極圖1.2本課題使用的離子源結(jié)構(gòu)示意圖6

Magnetic field coi!圖1.1 LBLN實(shí)驗(yàn)室的MEWA H離子源結(jié)構(gòu)示意圖1.4離子源結(jié)構(gòu)及等離子體區(qū)域劃分1.4.1離子源結(jié)構(gòu)及其工作方式本課題所使用的離子源結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示，真實(shí)外觀圖如圖1.3,電極由圓片狀的陰極與陽極構(gòu)成，其中陽極電極中間帶圓孔，孔直徑約為2mm�？梢圆捎枚喾N金屬材料或者金屬氫化物材料作為陰陽極，本課題多數(shù)情況采用的是鐵金屬材料。陰陽極之間有陶瓷絕緣片，絕緣片同樣有約2mm的圓孔。陽極外接有不銹鋼制作的擴(kuò)張杯，擴(kuò)張杯具有多種形狀結(jié)構(gòu)，不同的形狀可以使擴(kuò)散等離子體具有不同的空間分布。\ 等離子體 /\ I 卜一"擴(kuò)張杯賺雄隨緣片陰極圖1.2本課題使用的離子源結(jié)構(gòu)示意圖6
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL503.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2704770