真空弧离子源是一种能产生高密度高电荷态的等离子体的离子源，广泛应用于金属离子注入、金刚石薄膜沉积、离子枪及小型离子加速器等方向^[1]。由于真空弧放电的复杂性及不稳定性，为更好地控制、应用该源，首先需要对其产生的等离子体参数进行诊断。真空弧放电产生的等离子体属于低温等离子体的范畴，按照诊断是否对等离子体产生干扰的分类标准，可分为接触式诊断法和非接触诊断法^[2]。前者一般指朗缪尔探针法^[3]及阻抗测量法。后者包括光谱诊断法^[4]、质谱诊断法及微波诊断法。

真空弧放电等离子的质谱诊断主要目的是获得放电等离子体中各种离子的成分比及金属离子的电荷态分布(Charge state distributions, CSD)。国际上，研究人员已利用飞行时间法(Time of flight, TOF)对离子成分及CSD开展了大量研究^[5-8]，这些文献主要是针对金属电极放电进行的研究，目的是获得高价态的等离子体成分，用于改进现有的MEVVA源，使得该源能在加速器注入及材料表面改性上表现更加优异^[9]。

除开基于纯金属或金属合金电极的MEVVA源以外，另一类基于金属氢化物电极真空弧放电的离子源，一般用于中子发生器当中。金属氢化物电极放电等离子体中不仅包含各价态的金属离子，还有氢离子或其同位素氘离子。其中氘离子占总离子的百分比作为保证中子产额的重要指标，一直以来是人们关注的重点。

本文搭建了一个针对的金属氢化物电极真空弧离子源特性的基于磁偏转的分析平台，用于研究放电条件对氘离子产生的影响。

实验布局如图 1所示。离子源主要由阴极、触发极及阳极构成。阴极采用氘化钛电极，触发极与阳极采用不锈钢。离子源采用电阻触发的工作方式^[10]，触发电阻使用50 Ω，工作在10^-4 Pa真空度下。离子源的放电脉宽及弧流可通过离子源电源调节，一般脉宽数个微秒，弧流几十上百安培。离子源阳极与引出极之间加载20 kV的高压，用于从等离子体中拉出离子。离子通过狭缝，进入永磁铁进行偏转，磁铁具有约50 mm×50 mm的好场区，磁场强度约为0.7 T。

图 1

图 1 磁偏转实验布局图 Figure 1 Schematic diagram of ion extraction, deflexion and collection.

金属氢化物电极真空弧放电等离子体中主要离子成分有H⁺离子、D⁺离子及Tiⁿ⁺离子，其中n取1-4，根据CSD相关文献^[5]，Ti²⁺离子所占比重最大。根据以下公式可以计算这几种主要离子在磁场中的偏转半径。

式中：m、Z、e分别表述离子质量、离子电荷量、单位电荷量；V代表引出电压；B代表磁场强度；代表离子速度；r代表离子偏转半径。忽略离子初始速度及磁铁边缘场的影响，在20 kV引出电压及0.7 T磁场强度条件下，计算得到H⁺离子、D⁺离子的偏转半径分布约为29 mm及41 mm，重金属离子的偏转半径远大于H⁺离子、D⁺离子的偏转半径，以Ti²⁺离子为例，偏转半径约为143 mm。实际通过50mm×50 mm的磁场区域时，各离子的偏转轨迹可以大致参考图 1中的轨迹，重金属离子基本不偏转，容易与轻离子分开；氢离子、氘离子偏转半径相近，为尽量分开H⁺离子与D⁺离子，需要合理设置离子束流进入磁场区域的位置。

为获取各离子成分的准确偏转位置，使用了硫化锌(ZnS)闪烁屏来测束流光斑。当离子经高压加速及磁偏转以后，撞击在闪烁屏上产生可见光。使用了两块闪烁屏，其中闪烁屏1与束流平行，即图 1中的探测器2与探测器3的位置；闪烁屏2与束流方向垂直，即图 1中探测器1的位置。经调试，该系统的测量结果如图 2所示。

图 2

图 2 闪烁屏1、闪烁屏2的离子光斑位置 Figure 2 Ion flare measured by scintillation screen 1 and scintillation screen 2.

由图 2可以看出，闪烁屏1分别在标尺21 mm、35 mm处观测到了两条光斑；而闪烁屏2仅在标尺65 mm处测量得到了一条光斑。经分析，由闪烁屏1测量得到的偏转半径最小（最靠右）的光斑应该为H⁺离子产生的，而另一条光斑应为D⁺离子；由准直缝与标尺的相对位置可知，闪烁屏2测量得到的光斑对应的离子几乎没有发生偏转，因此该光斑应该是在电极中含量最多、而且质量数较大的钛离子。采用闪烁屏的探测方式可以验证该磁偏转系统的束流光学设计，可以定性地完成成份甄别任务，但是缺乏准确的定量分析能力。

为定量分析离子成分，使用了法拉第杯作为离子接受器，可利用上述闪烁屏测得的结果来确定法拉第杯的放置位置，然后通过测量各法拉第杯接收到的电信号，即可获得各离子间的成份比。当使用法拉第杯收集离子信号时，由于离子信号以及高压电源同时存在，信号会受到高压电源的干扰。必须考虑屏蔽。本实验为了将高压区域以及低压信号区域隔离，将磁铁以及收集铜板放置在了一个接地屏蔽盒中。另外，本实验采用了两个地电位，一个给高压电源回路提供地电位，另一个给信号测试回路提供地电位，实现了地电位的隔离。为了获得示波器可直接观察的信号波形，还需要考虑信号的传输以及信号放大。采用同轴线传输离子电信号，并且同轴线外线接信号测试地，可以有效减小干扰信号。由于整套系统中使用了一个准直孔，只有少量的离子能够进入偏转区域被铜板接收，电流大小估计只有0.01-0.1 mA量级。为观察方便，将电流信号通过400 Ω左右后流进入地，通过测量电阻上的电压信号获得离子组分。

利用上述测量系统，研究了氘化钛阴极放电产生的等离子体成分。典型的波形图如图 3所示。图 3中波形面积约等于放电期间三个法拉第杯分别收集的电荷量与相应放大电阻的乘积。由于这里三个通道都采用相同的放大电阻，那么面积之比就能反映离子的组分情况。由图 3可知，钛离子接受板的信号较强，且有一个平顶，而氘与氢离子都是前面高后面低的趋势。图 3中氢离子信号主要来源于源片上的杂质污染以及环境真空，随弧放电而被电离产生。

图 3

图 3 典型的信号波形图 Figure 3 Waveforms of ion signals during discharging.

调节离子源放电电源，使得离子源工作在30-80 A弧流下，脉宽5 μs左右。测得离子组分情况如图 4所示。考虑到真空弧放电的不稳定性，其中每个数据点均由20次放电取平均值所得，图 4中误差棒是由20次测试样本数据求得的标准差。由图 4可知，随着弧流的上升，氘含量会增多，当弧流增大到一定程度，即本次实验当中的60 A左右，氘含量的增幅变缓，甚至有略微下降的趋势。

图 4

图 4 氢、氘离子含量随弧流的变化趋势 Figure 4 Waveforms of ion ratios with different arc current.

分析其中原因可能如下：低弧流时，由焦耳定律可知，增大弧流有助于提高阴极斑放电区域附近的温度，提高了氘气释放量；另外一个方面，电子的能量很大一部分来源于弧流产生的焦耳热^[11]，因此当弧流提高时，在一个自由程内电子的碰撞能量相应增加，从而增大了电子与氘蒸气原子的碰撞截面，产生更多的氘离子。而金属钛原子的电离能很低，与较低能量的电子碰撞电离率本身就很高，因此其含量不会有太明显的提升。而在高弧流下，电极烧蚀加剧，更多的金属原子从电极蒸发出来参与放电，使得氘离子比例增长变缓，甚至下降。

对于氢离子成分随弧流的变化曲线：氢电离能与氘类似都远大于钛原子，因此理应氢离子成分有随弧流而增大的趋势。但是氢本身来源于杂质或者真空环境，含量很少，没有持续的来源，这一点从图 3也可以看出，氢的波形只是刚开始有一点峰，后面很少，所以氢成分随弧流变化趋势较小。

在实验过程，当工作弧流较大时，常可以观察到钛离子信号通道如图 5所示的双峰波形。引出结构不变的情况下，将离子源弧流从40 A提高到80 A时，观察到80 A弧流波形出现双峰，且信号幅值低于40 A情况。这是由于等离子与引出结构不匹配造成^[12]，其原理示意图如图 6所示。当等离子体密度适中时，如图 6(a)，等离子体发射面趋于平整，引出的离子均能穿过引出极孔，被后续法拉第杯接受，但是当等离子体密度过高时，如同图 6(b)所示，等离子体发射面会向外凸起，导致引出离子产生角度。离子部分打在引出极上被吸收掉，部分穿过孔被后续接受，这样就导致了信号幅值的下降。而对于放电初始与放电结束前，放电产生的等离子体密度是较小的，而放电期间的等离子体密度是较高的，从而形成信号波形两端出现峰，而中间凹下去的现象。改善双峰问题的办法有两种：一是通过增加栅网来减小等离子体密度来与现有引出结构匹配；二是改善引出结构使得引出结构能与更高密度的等离子体匹配。本实验目前采用的是第一种方法来获得正常引出的测试数据，在80 A弧流工作以下，钛离子不会出现双峰问题，确保了含氘比例测量的准确性。

图 5

图 5 弧流40 A、80 A钛离子信号波形对比 Figure 5 Waveforms of Ti signals working at 40 A and 80 A.

图 6

图 6 等离子体引出示意图 Figure 6 Schematic diagram of ion extraction from a plasma.

建立了一套磁偏转系统，采用小型永磁铁，放置在真空腔体内，紧凑有效，解决了离子偏转位置标定、信号采集、干扰屏蔽、束流引出等问题，获得了可靠的离子电流信号，可以获得氢离子、氘离子、钛离子的成分比。利用这套系统，研究了氘化钛源片工作在30-80 A弧流放电下的含氘量，实验表明，随着弧流增大，氘所占比例会有所增加，弧流达到60 A以上氘含量增幅不明显，因此增大弧流在一定程度上可以提高氘的含量，如果要继续提高氘含量还需要从其他方面入手。而氢离子所占比例随弧流增大变化不明显。