真空弧离子源的电阻触发工作方式

郑 乐 蓝朝晖 龙继东 彭宇飞 李 杰 杨 振 董 攀 石金水

（中国工程物理研究院 流体物理研究所 绵阳 621900）

真空弧离子源的电阻触发工作方式

郑 乐 蓝朝晖 龙继东 彭宇飞 李 杰 杨 振 董 攀 石金水

（中国工程物理研究院 流体物理研究所 绵阳 621900）

介绍了真空弧离子源的一种电阻触发工作方式。有别于典型金属蒸汽真空弧(Metal vapor vacuum arc, MEVVA)离子源的触发工作方式，该方式不需要高压触发脉冲发生器和高压隔离脉冲变压器，简化了电源系统。实验测量了采用电阻触法20-200 A主弧电流下的引出离子流，结果表明离子流随主弧流增大。研究了不同阻值触发电阻的起弧情况，实验结果表明在一定电阻阻值范围内，触发电阻越大，触发越难成功。电阻增大使得触发时间增长，主弧上升沿变缓，但是对引出的离子流几乎没有影响。

真空弧，离子源，触发，离子流

真空弧放电可以产生高密度与高电离态的等离子体。早在第二次世界大战期间，作为曼哈顿工程的一个组成部分，研究人员就曾经进行过利用弧光放电的离子源以产生等离子体的试验[1]。近年来，很多研究单位也陆续开展了这方面的研究工作[2]。该种离子源应用范围较广，可以根据所用阴极材料进行如下分类：使用金属电极的离子源，主要应用于材料表面改性以及高能物理研究中的金属离子注入等方面；使用导电非金属电极（通常使用碳电极）的离子源，主要应用于金刚石薄膜沉积技术；使用吸氢金属电极（吸氢金属一般使用Ti、Sc、Er等）的离子源，主要用于产生氢离子，应用于等离子体枪和中子发生器。

1 真空弧离子源的起弧方式

目前已有很多种方式来产生真空弧，常用方法有：高压真空击穿[3]、高压沿面放电[4-5]、激光触发[6-7]和低压起弧[8]等。他们的共同点都是要在一个电极附近产生初始的等离子体，再通过初始等离子体将阴阳极桥接上，使得阴阳极之间有大电流通过，并且保持一个较低的弧压。

常见的MEVVA源采用的是高压沿面放电的触发方式。典型的MEVVA源结构如图1[9]所示，图1展现了等离子体产生和引出两个部分。当离子源工作时，首先由脉冲发生器产生一个10 kV左右数个微秒脉宽的脉冲，该脉冲加载在触发电极与阴极之间，使得陶瓷绝缘子上产生沿面闪络，产生初始等离子体；而后初始等离子体由于扩散使得阴阳极导通；最后在阴阳极之间加载适当的主弧电压，产生电弧。该种方式被使用了很多年，在大部分金属材料应用中较可靠。但这种高压闪络触发方式需要一个高压脉冲放生器和一个高压隔离脉冲变压器，并且需要考虑触发电压和主弧高压的同步叠加问题。如此一来，增加了离子源电源系统的复杂性和成本。本文主要介绍一种基于高压沿面放电，利用电阻来触发起弧的方式，这种方法可以简化电源系统。

图1 典型MEVVA源布局示意图Fig.1 Schematic of typical MEVVA source.

2 电阻触发起弧的原理

图2为电阻触发起弧的原理示意图，采用了工作于微秒放电脉冲的真空弧离子源，由阴极、触发极、阳极以及绝缘介质组成。阴极接电源负高压端，阳极连接地与电源正端，触发极通过电阻R后接地，电阻R阻值可以根据需求调节。主弧电源可以提供0-10 kV的可调高压输出，脉宽为2-10 μs可调。主弧电源最大重复频率为1 Hz，但通常只工作于单次放电模式。主弧电源配合电源内阻，用来控制阴阳极之间的主弧电流IArc。

图2 电阻触发起弧的原理示意图Fig.2 Schematic of triggering a vacuum arc with a resistance.

整个工作流程可以用两个阶段描述：

第一阶段：电源加压时，由于阴极-触发极的距离较阴极-阳极近的多，且有绝缘介质的存在，因此首先在绝缘介质上发生沿面击穿。初始等离子体在阴极和触发极之间产生，并且导通触发极与阴极，此刻电阻R上有触发电流ITri通过。电流回路由阴极、触发极、等离子体通道、电阻R以及电源构成。此刻ITri的值与电源的输出电压、电源内阻、电阻R以及等离子体通道等效内阻（与电源内阻和电阻R相比很小）等相关。

第二阶段：由于阴极与触发极之间产生的初始等离子体具有扩散作用，当初始等离子体达到阳极后，形成阴极-阳极等离子体通道，从而导通阴极和阳极。由于此通道等效内阻远小于电阻R，从阴极出来的电流，大部分会从阴极-阳极等离子体通道流走，从而在阴极和阳极之间形成稳定的电弧。此刻的主弧电流IArc回路由阴极、阳极、等离子体通道及电源构成。IArc的值与电源的输出电压、电源内阻以及等离子体通道的等效内阻相关。

图3为电阻触发成功的触发电流-主弧电流示波器波形图。该次触发的电源输出电压设定约为7.3kV，输出脉宽约5 μs，电阻R为400 Ω。获得约4 μs的主弧平顶电流，平顶幅值为140 A。根据上述第二阶段回路情况，忽略等离子体通道的等效内阻，则可以计算得到电源内阻值Ri≈52.2 Ω。从图3中数据可知，触发电流ITri的峰值约为16 A，根据第一阶段电流回路情况，同样忽略等离子体通道的等效内阻，则可计算得到R'≈404 Ω。与实际的R阻值相差不大。验证了两个阶段回路描述的正确性。

图3 触发电流ITri和主弧电流IArc波形Fig.3 Waveform of trigger current ITri and arc current IArc.

3 采用电阻触发的离子源特性

3.1 离子束流强度随弧流的变化

离子源的一个重要指标是离子束流强度，而离子束流强度与弧流密切相关。采用图2所示的实验装置研究了离子束流强度与弧流的关系。实验时阴极采用了Ti电极，采用距离阳极约3 cm且加有直流负偏压的收集极来收集离子束，收集板面积远大于阳极孔面积，以求收集到绝大部分离子。图2中探头1、2分别用于监测主弧电流和接收板的离子电流，用示波器采集波形。其他电参数设置如下：电阻R约为150 Ω；直流电源电压输出为-150 V；主弧电源输出电压脉宽为5 μs，调节输出电压确保主弧电流能在20-200 A变化，每20 A测量一个数据点。考虑到真空弧离子源的不稳定性，每个弧流下测量20次取平均来确定离子流。主弧电源放电由DG535控制，放电间隔为3 s。

实验结果如图4所示，图4中误差棒是根据20次离子流测量值的标准差所绘。由图4可知，离子流IIon随主弧流IArc增长，出现这种趋势的原因是显而易见的。由于电源的输出功率增大，主弧电流增大，主弧电流由离子流IIon与电子流Ie共同构成，即IArc=IIon+Ie，两者电流方向相反，通常Ie远大于IIon。作为主弧流的主要部分，Ie增大意味着放电区域里有更高密度的电子，而高密度的电子更容易使中性原子发生碰撞电离，产生更多的离子，从而离子流增大。由误差棒看出，随弧流的增大，离子源的不稳定性也越明显。同时离子流IIon与IArc的比值随弧流IArc增大，这说明了主弧电流越大时，离子源放电产生的等离子体中的离子电离效率更高。

图4 离子流随弧流的变化关系Fig.4 Dependence of ion current IIon on arc current IArc.

3.2 触发电阻阻值对放电的影响

为了研究触发电阻阻值对放电产生的影响，设计如下实验，如图2所示。触发电阻设置为3个档，分别为：150 Ω、400 Ω和1000 Ω。其他电参数设置：弧电源内阻为50 Ω，输出电压为5 kV，输出脉宽约为6 μs，直流电源输出-150 V。改变电阻的阻值，监测弧电流IArc、触发电流ITri以及离子流IIon的状况。每个阻值下测量多次电流值取平均以减少离子源不稳定造成的影响。

实验得到的不同触发电阻阻值下触发电流波形如图5，主弧电流波形如图6。从图5看出，触发电流随触发电阻的增大而减小，而半高宽有明显的增大趋势，脉宽时间增加为μs量级。如果将阴极与触发极等效为一个平板电容，再加上电源内阻、触发电阻和分布电容，它们就构成了一个RC电路。由RC电路原理可知，电源给阴极触发极等效电容充电的时间跟RC时间常数接近。由于阴极与触发极的面积及距离都是μm量级，粗略估算得到等效电容的值应小于pf量级，从而以不同触发电阻算得的RC时间常数都应小于ns量级。可以看出，RC时间常数远小于触发电流增加的脉宽时间。因此，由RC电路带来的充电时间延迟并非触发电流脉宽时间增加的主要原因。造成触发电流脉宽变大的主要原因应为：当触发电阻变大时，由于触发电流受到限制，所提供的初始等离子体密度减小，导致初始等离子体要导通阴阳极就需要更长的时间。从图6所示主弧电流波形实验结果可以进一步验证上述解释，当触发电阻为1000 Ω时，相对于150 Ω和400Ω的情况，主弧上升沿时间tRise明显增长，主弧半高宽度也相应减小。这说明了电阻阻值越大时，从上述的第一阶段到第二阶段的转变时间增加了，触发变得更加困难。

既然触发电阻对离子源的起弧过程会产生影响，就可能会对离子束流强度产生影响。为此，实验研究了同样弧流下不同触发电阻对离子流强的影响，主弧流为100 A时，当触发电阻R为100 Ω、150 Ω、250 Ω、400 Ω、1000 Ω、2000 Ω和4000 Ω时，离子流IIon分别为2.74 A、2.78 A、2.70 A、2.78A、2.90 A、2.98 A和2.94 A，即随触发电阻R的改变，离子流的变化范围在2.7-3.0 A，考虑到实验测量误差，可以认为触发电阻R的改变不会对离子流产生显著影响。上述结果说明，触发极-阴极之间产生的初始等离子体只是起到帮助阴极-阳极击穿的种子电子作用，对主弧等离子体参数影响不大，即对离子流强度不会产生显著影响。

图5 不同触发电阻的触发电流波形（主弧电流为100 A）Fig.5 Waveform of trigger current with different trigger resistances (arc current is 100 A).

图6 不同触发电阻的弧电流波形Fig.6 Waveform of arc current with different trigger resistances.

4 结语

介绍了一种利用电阻来触发真空弧离子源使其起弧的方法，该方法最大的优点在于不需要高压脉冲放生器和高压隔离脉冲变压器，大大简化了电源系统。并且这种工作方式也不需要控制触发电压与主弧电压的工作时序，只要配以合适的触发电阻值，离子源便可以自动达成触发起弧。

通过实验研究了电阻触发方式的基本规律，触发电阻阻值越大时，触发电流的幅值越小，电流持续脉宽时间越长。这说明了触发电流减小，产生的初始等离子体密度也会减小，导致了触发过程变得更慢更困难。但是一旦触发成功，引出的离子流大小几乎不受触发电阻阻值大小和触发快慢的影响，仅随主弧电流增长。

该种触发方式下，从触发电流到主弧电流的这一转化过程是相当复杂的，涉及到等离子体的形成、扩散以及形成导电通道等过程。本文只是给出了一个简单直观的解释，对这一转化过程及其特性有待进一步研究。

1 Brown I G. Metal vapor vacuum arc ion sources[J]. Review of Scientific Instruments, 1992, 63(4): 2351-2356

2 Brown I G, Oks E M. Vacuum arc ion sources - a brief historical review[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1997, 25(6): 1222-1228

3 Anders A, Anders S, Jüttner B, et al. Pulsed dye laser diagnostics of vacuum arc cathode spots[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1992, 20(4): 466-472

4 Evans P J, Watt G C, Noorman J T. Metal vapor vacuum arc ion source research at Ansto[J]. Review of Scientific Instruments, 1994, 65(10): 3082-3087

5 Watt G C, Evans P J. A trigger power supply for vacuum arc ion sources[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 21(5): 547-551

6 Meunier J L. Pressure limits for the vacuum arc deposition technique[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1990, 18(6): 904-910

7 Siemroth P, Scheibe H J. The method of laser-sustained arc ignition[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1990, 18(6): 911-916

8 Anders A, Brown I G, MacGill R A, et al. “Triggerless”triggering of vacuum arcs[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1998, 31(5): 584-587

9 Anders A, Schein J, Qi N. Pulsed vacuum-arc ion source operated with a “triggerless” arc initiation method[J]. Review of Scientific Instruments, 2000, 71(2): 827-829

CLCTL503.3

Method of triggering the vacuum arc ion source with a resistor

ZHENG Le LAN Zhaohui LONG Jidong PENG Yufei LI Jie YANG Zhen DONG Pan SHI Jinshui
(Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: The metal vapor vacuum arc (MEVVA) ion source is a common source which provides strong metal ion flow. To trigger this ion source, a high-voltage trigger pulse generator and a high-voltage isolation pulse transformer are needed, which makes the power supply system complex. Purpose: To simplify the power supply system, a trigger method with a resistor was introduced, and some characteristics of this method were studied. Methods: The ion flow provided by different main arc current was measured, as well as the trigger current. The main arc current and the ion current were recorded with different trigger resistances. Results: Experimental results showed that, within a certain range of resistances, the larger the resistance value, the more difficult it was to success fully trigger the source. Meanwhile, the main arc rising edge became slower on the increasing in the trigger time. However, the resistance value increment had hardly impact on the intensity of ion flow extracted in the end. The ion flow became stronger with the increasing main arc current. Conclusion: The power supply system of ion source is simplified by using the trigger method with a resistor. Only a suitable resistor was needed to complete the conversion process from trigger to arc initiating.

Vacuum arc, Ion source, Trigger, Ion current

TL503.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010202

国家自然科学基金(11105130、11305162)资助

郑乐，男，1989年出生，2011年毕业于中国科学与技术大学，现为硕士研究生，从事脉冲真空弧放电及等离子体特性研究

龙继东，E-mail: longjidong@tsinghua.org.cn

2013-11-14，

2013-12-20