双等离子体离子源的结构如图1所示^[9], 其由空心阴极、中间电极、阳极、永磁铁、散热片等部分组成。磁铁在中间电极和阳极之间产生聚焦磁场, 中间电极、阳极和离子源的纯铁外壳形成离子源的磁场回路。氧气由进气孔进入离子源腔体, 使离子源内部气压保持在适当范围。从阴极发射的电子引起气体放电, 放电产生的离子从阴极向阳极运动的过程中, 首先在中间电极端部受到机械“ 压缩” , 随后在中间电极和阳极之间的磁场作用下产生聚焦, 经阳极孔飞出, 最后由抽取电极引出, 进入后续的离子光学系统。空心阴极不断提供放电过程中所需电子, 中间电极电位介于阴极和阳极之间, 在自给栅偏的作用下, 会保证放电持续稳定^[6]。散热片释放电离过程中产生的热量, 以维持束流稳定。

图1

Fig.1

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	图1 双等离子体离子源结构示意图Fig.1 Schematic diagram of duoplasmatron ion source

本研究的测试平台如图2所示。系统的初级真空用ACP15干泵(德国Pfeiffer公司生产)抽取, 抽速4 L/s, 高级真空用Hipace 300和Hipace 80型分子泵(德国Pfeiffer公司生产)抽取, 抽速分别为245、67 L/s。离子源和检测腔体通过阳极孔形成差级真空。真空规1、真空规2分别用于测试离子源和腔体真空度。针阀用于控制O₂流量, 调节离子源放电室气压。由于该离子源的磁场由铁氧体永磁铁产生, 强度不能连续变化, 实验中通过调整磁铁数量, 达到改变磁场强度的目的, 使用霍尔探头测量中间电极和阳极之间的磁场强度。抽取电极和测试腔体外壳为系统零电势端, 离子源阳极电势为-10 kV, 为防止离子源放电电源(电压输出范围0~2500 V, 电流输出范围0~200 mA)被高压击穿, 使用隔离变压器给其供电, 隔离电压为20 kV。

图2

Fig.2

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	图2 离子源性能测试平台(a)测试平台结构示意图Fig.2 Overview of test bench

图2

Fig.2

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	图2 离子源性能测试平台(b)测试平台实物图Fig.2 Overview of test bench

离子束经抽取电极引出后其能量为10 keV, 空间密度服从高斯分布, 越往中间离子密度越大, 通过调节偏转板的偏转电压, 控制离子束的飞行路径, 使用离子透镜对离子束聚焦, 使其中心通过微孔, 滤除周围的杂散离子。离子束中包含O^-、 、电子等粒子, 需使用离子筛选器滤除O^-以外的其他带电粒子。该离子筛选器由一对平行的电磁铁和一对平行电极组成, 用于产生平行电场和平行磁场, 且电场方向、磁场方向与离子入射方向两两垂直, 筛选器出口处设有小孔。调节磁场和电场大小, 使O^-受到的电场力和磁场力大小相等、方向相反, O^-将继续当前飞行路径, 顺利通过小孔, 其他种类的离子所受磁场力和电场力大小不同, 撞击到部件上损耗掉。离子束从质量筛选器出来后, 将通过一个与测试点距离为260 mm、孔径为1 mm的微孔, 该微孔有两个作用:一是使离子束中心部分通过微孔, 滤除周围的杂散离子, 以减小球面误差; 二是将通过小孔的离子束斑直径限定为1 mm, 可以根据离子束立体角、微孔处束斑直径、微孔与测试点的距离以及测试点处束斑直径之间的关系, 计算离子束立体角。使用刀边法测量测试点处离子束斑的大小^[10], 具体是将刀片安装在一个分辨率为10 μ m的传动装置上, 移动刀片, 同时使用法拉第杯检测刀片后的离子束强度。在检测到的离子束强度为最大值的10%~90%过程中, 刀片移动的距离为该点束斑大小。法拉第杯入口处接一个-90 V的电极, 用于抑制二次电子, 同时将皮安表接于杯体, 检测离子束强度。若测试点处离子束斑直径为d, 离子束强度最大值为I, 则离子束亮度为:

气压低于50 mTorr或高于300 mTorr时, 离子源不能稳定工作, 因此实验中采用的气压范围为50~300 mTorr。当设定放电电流为120 mA、磁场强度为0.25 T时, 测得离子流强度和束斑直径与气压之间的关系如图3所示。从图3可以看出, 气压对束斑直径影响较小, 但对离子流强度影响非常明显。在140 mTorr处, 离子流强度达到135 nA的最大值。当气压降低时, 电子的平均自由程随之增大, 有效电离碰撞减少, 产生的离子数降低, 导致离子流强度减小; 当气压升高时, 离子扩散损失率增大, 离子流亦随之减小^[7]。

图3

Fig.3

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	图3 气压对离子流强度和束斑直径的影响Fig.3 Variation of ion current, beam diameter as a function of pressure

根据图3和式(1), 得出离子束亮度随气压变化如图4所示。气压变化时, 离子束亮度基本由离子流强度决定, 两者变化趋势基本一致, 在140 mTorr处, 亮度最大, 为32.4 A/(cm²· sr)。

图4

Fig.4

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	图4 不同气压下的离子束亮度Fig.4 Variation of brightness as a function of pressure

离子源放电电压高低表明离子源放电的稳定程度^[11], 其不仅受自身结构影响, 还取决于工作气压。不同气压下的离子源放电电压如图5所示。实验中, 气压在110~170 mTorr时, 离子源放电电压低且波动小, 离子源工作稳定; 当气压高于170 mTorr, 放电电压随气压上升而增大; 当气压低于110 mTorr, 放电电压随气压下降而急剧增大, 随之离子源放电停止。

图5

Fig.5

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	图5 不同气压下的放电电压Fig.5 Variation of voltage as a function of pressure

实验中, 通过调整磁铁数量, 改变磁场强度。设定气压为140 mTorr、放电电流为120 mTorr时, 测得的离子流强度和束斑直径的变化趋势如图6所示。从图6可以看出, 离子流强度随磁场增大而增强。磁场强度为0.11 T时, 束斑直径有最大值400 μ m。离子束亮度和磁场强度的关系如图7所示, 离子束亮度整体上具有随磁场强度增大而变大的趋势。

图6

Fig.6

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	图6 磁场强度对离子流强度和束斑直径的影响Fig.6 Variation of ion current, beam diameter as a function of magnetic field

图7

Fig.7

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	图7 不同磁场强度下的离子束亮度Fig.7 Variation of brightness as a function of magnetic field

磁场的作用是聚焦从中间电极运动至阳极孔的离子束, 以使更多的离子进入阳极孔, 从离子源中引出。因此, 当离子束运动至阳极孔时的束斑直径越小, 越多的离子能够进入阳极孔, 从离子源中引出的离子束越强。为了解释这一现象, 使用COMSOL有限元仿真软件模拟磁场对离子束强度的影响。图8为中间电极和阳极之间的磁场强度 变化时O^-离子束聚焦示意图。可以看出, 当磁场强度为0.75 T, 聚焦磁场未能使离子束完全聚焦, 阳极孔处离子束斑直径较大, 只有部分离子可以通过阳极孔; 当磁场强度为1.5 T, 到达阳极板的离子束聚焦效果较佳, 绝大部分离子可以通过阳极孔; 当磁场强度为1.9 T, 离子束从中间电极向阳极运动的过程中, 会先聚焦后发散, 阳极处离子束斑直径亦较大, 只有部分离子可以通过阳极孔。

图8

Fig.8

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	图8 离子束聚焦示意图Fig.8 Schematic diagram of ion beam focusing

离子束运动至阳极孔处束斑直径和磁场强度之间的关系如图9所示。束斑直径越小, 从离子源中引出的离子束越强。因此, 从离子源中引出的离子流强度随着磁场强度的增大, 先增大后减小。在图6中, 随着磁场增强, 离子束强度增大, 很有可能是因为使用永磁铁所能达到的0.25 T最大聚焦磁场还是偏弱, 达不到适合O^-离子束聚焦的最优磁场。因此, 若使用电磁铁作为该离子源的磁场源, 增大磁场强度, 能够提高离子束强度, 增大离子束亮度。

图9

Fig.9

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	图9 磁场强度对离子聚焦的影响Fig.9 Variation of beam diameter as a function of magnetic field

图10

Fig.10

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	图10 放电电流对离子流强度和束斑直径的影响Fig.10 Variation of ion current, beam diameter as a function of arc current

放电电流低于50 mA时, 离子源不能稳定工作, 因此, 实验中采用50 mA以上的放电电流。设定气压为140 mTorr、磁场强度为0.25 T时, 测得离子流强度和束斑直径与放电电流之间的关系如图10所示。从图10可以看出, 离子流强度随放电电流的增大而增强。这是由于在此电流范围内, 离子源放电工作在正常模式下, 气体电离效率随放电电流增大而提高, 离子流强度也随之增强^[8]。在110 mA处, 束斑直径最大, 为370 μ m。

放电电流对离子束亮度的影响如图11所示。离子束亮度随着放电电流的增大而提高, 当放电电流为200 mA时, 离子束亮度达到52.4 A/(cm²· sr)。

图11

Fig.11

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	图11 不同放电电流下的离子束亮度Fig.11 Variation of brightness as a function of arc current