微波ECR等离子体装置的性能研究

宋瑞海，张书锋，张明志，田虎林，李绍飞

(北京东方计量测试研究所, 北京 100029)

0 引言

空间环境中存在着以电离层等形式的低温等离子体，例如太阳在不断地喷射等离子体微粒流，形成太阳风，在磁层中充满了各种能量的带电粒子和等离子体。电离层是一种天然的、长期存在的低温、低密度的等离子体。其中等离子体的密度、温度、成分和能量等随着高度不同而有所变化。而在低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)上运行的航天器与周围等离子体、高能带电粒子、磁场和太阳辐射等环境因素的相互作用下，导致等离子体电荷在航天器上积累，使航天器与空间等离子体间不同部位间出现相对电位差，当电位差到达一定的阈值时会造成静电放电，甚至导致设备损坏。因此，从保证人员和航天仪器设备的安全角度考虑，开展等离子体环境研究，已成为了空间环境的主要课题之一[1-2]。

1 实验装置

由于低轨道航天器所处的F2层是低温、低密度的等离子体，所以等离子体模拟装置包括真空环境系统、真空获得系统、真空测量系统、等离子体源系统、设备电源系统、等离子体测试系统等。国内等离子体环境模拟设备主要集中在北京卫星环境工程研究所、中科院空间中心等单位，国外等离子体环境模拟设备主要集中在美国海军实验室和印度等离子体研究所等单位，如表1所列。

在分析国内外此类设备的结构特点后，设计基于ECR的双源结构，满足低轨道要求的等离子体环境[3]。空间等离子体环境模拟器系统如图1所示。装置的主要技术指标：温度控制范围-60～100 ℃；真空范围105～10-5Pa；等离子体产生电子密度范围为106～108个/cm3；电子温度的范围为1～10 eV；空间电位的范围为-100～50 V。

表1 国内外等离子体主要模拟单位及参数

图1 空间等离子体环境模拟器系统示意图1.供气系统；2.微波源系统；3.电气控制柜；4.探针系统；5.工控机；6.真控获得系统；7.温度控制系统

1.1 真空环境模拟系统

真空容器是直径为1 m，长度为1.5 m的真空罐，可获得清洁无油的10-5Pa真空度。真空罐采用放气率低的不锈钢材料制造，真空罐上设计有观察窗和多个真空备用接口，容器表面进行喷砂处理。

真空获得系统，采用抽速为1 600 L/s的分子泵及机械泵和插板阀等，以达到清洁无油高真空环境。为提高抽速，缩短真空获得时间，采用三台并联分子泵抽气。5 h后获得极限真空度为3.6×10-5Pa。

真空测量系统，采用电离和电阻复合式真空计，能够测量压力范围是105～10-5Pa，实时可以监测真空罐内真空度的变化。保证真空罐内的真空度完全维持在要求的真空度。

1.2 温度实验模拟系统

温度控制及测量系统，真空室内装有铜材料的热沉，采用特制硅油作工质，用外置复叠式制冷机，通过外循环对热沉进行制冷，用电加热方式对热沉进行加热。热沉表面涂航天专用黑漆，吸收率和半球反射率均高于0.9，热沉温度范围-60～100 ℃。测温采用FP-93型温控仪，加热模块及变压器，高精度的温度巡检仪和高精度铂电阻等。其中高精度铂电阻在真空室内壁布有9个测温点，温度测量的误差小于±0.3 ℃。

1.3 微波放电系统

微波电子回旋共振(ECR)离子源是一种无阴极源，具有电离能力强(约10%)、等离子体密度高(108～1014cm-3)、气压低(10-1Pa量级)、性能稳定等特点。反应粒子活性高、离子能量低、无高能粒子损伤、没有污染、磁场约束、减少等离子体与反应室壁的相互作用。是一种低气压、高密度等离子体源，能够在较低的气压下产生大面积均匀的高密度等离子体。

微波ECR等离子源校准装置是由微波源与传输波导、石英玻璃的放电室、空间环境工作室、真空抽气系统与供气系统组成。ECR源采用的微波频率为2.45 GHz，功率为0～550 W连续可调，磁控管产生的微波经耦合波导、环行器、定向耦合器、三销钉调谐器、阻抗匹配器及直波导输入石英玻璃的放电室。在此形成高密度等离子体，一端与微波输入波导相接，称为微波窗口，为了维持真空度，微波窗口用绝缘陶瓷板密封，另一端与空间环境工作室相连；在放电室后侧，利用同轴线圈或永磁体组合成形磁镜场或会切场如图2所示，提供电子回旋共振的磁场，并约束等离子体粒子扩散、运动。在放电室中，电子在垂直磁场的平面上受洛伦兹力的作用而做回旋运动如图3所示。

磁场强度在8.75×10-2T处，电子回旋频率和沿磁场传播的右旋圆极化微波频率都为2.45 GHz时，电子在微波电场中将不断同步、无碰撞加速因而获得的能量将大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和离子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应离子，形成高密度的ECR低温等离子体[4-5]。

图2 会切场磁场位形(磁力线)及其对等离子体的约束

图3 带电粒子在磁场中的回旋运动

1.4 等离子体测量系统

静电探针亦称朗缪尔探针(Langmuir Probe)，用来诊断等离子体特性的工具。具有测量范围宽，结构简单等优点。这种静电探针主要是测量流入探针的电流和加到探针上电压之间的关系，形成静电探针I-V特性曲线。根据等离子体理论公式，推导出等离子体的电子温度(Te)、电子密度(ne)、电子能量分布(EEDF)和等离子体空间电位(Vsp)，等离子体悬浮电位(Vf)等重要参数，进而得知等离子体的状态[6]。

2 测试与理论分析

2.1 测试结果

两个微波ECR源功率各为400 W，工作气体为Ar气体，气体流量为9.85×10-8m3/s，朗缪尔探针位于模拟设备的中心位置(探针伸长约为500 mm)，磁场电流为80 A，工作环境压力为1.7×10-1Pa，电源扫描电压为-100～50 V，根据电压和电流的测量结果，得出双ECR源产生的等离子体I-V特性曲线，如图4所示。

由理论分析可知，当Vp≥Vsp时，探针电流到达电子饱和电流；而当Vp≤Vsp时，探针电流是指数函数衰减形式。故在I-V特性曲线上会出现一个拐点，此拐点对应的横坐标(x轴)即为等离子体空间电位Vsp，I-V曲线在横坐标上的交点为悬浮电位Vf，此处流经探针的电子电流与离子电流大小相等而方向相反，总电流为零。

图4 双ECR源产生等离子体的I-V特性曲线

再由静电探针I-V特性曲线，根据电压和电流关系(29.92 V，-1.54 E+07 A)(30.92 V，1.34 E+07 A)计算电流为0时，得出悬浮电位Vf=30.5 V。对I-V曲线求一阶导数最大值(或二阶导数为零值)是为拐点，得到Vp=37.9 V。

电子温度：在I-V特性曲线过渡区内，探针电流Ip与等离子体鞘层电场 (Vp-Vsp)之间是指数函数关系，如公式(1):

(1)

式中:Ie为探针的电子电流；Ii为探针的离子电流；k为玻耳兹曼常数；kTe的单位为eV对上式两边取对数，可得公式(2)：

(2)

如果将实验测得的I-V特性曲线取半对数，得ln(Ip)=f(Vp)，则过渡区应呈线性关系，由该直线的斜率就可以求出等离子体的电子温度Te，如公式(3)：

(3)

将Vp和Vf两点的I-V值代入公式(3)，可以计算电子温度为1.79 eV。

电子密度：对应等离子体空间电位Vp的纵坐标(y轴)即为电子饱和电流Ie，如公式(4)：

(4)

式中：Ap为静电探针的表面积，cm2；Ie0为电流，mA；电子温度kTe，eV。

由等离子体的电中性特性可知：ni=ne0，故可求得离子密度ni。离子密度ni与电子密度ne0，根据实验数据，计算出的电子密度为2.77×1013m-3。

2.2 性能分析

根据不同的实验结果看出，空间环境模拟设备中心区域200 mm以内的等离子体密度均匀性比较好，为进一步研究等离子体特征参数与校准设备参数之间的关系，使朗缪尔探针的设置参数和模拟设备的工作参数不变，研究等离子体特征参数(电子温度、电子密度、悬浮电位和空间电位)与微波功率的关系如图5、图6所示。

图5 微波功率和电子密度的关系

图6 电子密度与微波功率的关系

由图6可看出，微波功率从200 W增加到450 W，等离子体密度几乎线性增加，当微波功率增加到550 W时，等离子体密度增加量很小，可能有趋于饱和现象。形成这种饱和现象的主要原因是：ECR等离子体微波放电是一个气体动态平衡过程，此过程既有电离又有复合，当微波功率较低的时候，气体电离过程占主导作用，随着微波功率的不断增加，气体复合过程的状态也越来越强，当实验气体的电离和复合达到平衡状态时，其电离程度将趋于饱和；此外，电子能量与电子碰撞电离截面的关系是非线形的，虽然电子能量会随微波功率增加而增加，然而电子能量超过某一阀值时，电离截面反而减小，这也导致饱和现象的发生[7]。另外由于实验设备功率范围有限，不能达到千瓦级，如果随着功率到达千瓦级之后，实验规律有可能又有新的发现。

同理对等离子体影响较大的另一个因素是气体流量，等离子体参数与气体流量之间的关系如图7、图8所示。

图7 气体流量和电子温度的关系

图8 气体流量和电子密度的关系

随着气体流量的增加，电子温度表现为先下降后趋于稳定的状态，分析原因为气体流量增加导致气压的升高，并且促使粒子间碰撞增加，过于频繁的碰撞使电子无足够时间获得使气体电离的能量时，从而导致电子温度下降。而对于电子密度的变化是先缓慢增加，然后逐渐减小。分析认为，通过观测功率反射系数得知，流量开始变大导致微波功率吸收更加充分，促使气体电离，所以电子密度缓慢增加。随着流量的继续增加，微波功率的吸收已饱和，电子和中性粒子的碰撞频率增加使电子温度下降，从而电离度下降，导致电子密度下降。空间电位和悬浮电位也是先增大后都逐渐减小，和电子密度的变化有点相似，这是因为随着气体流量的增加微波被充分吸收，模拟装置中电子密度变大，空间电位和悬浮电位都变大，而当流量继续增加的时候，电子密度变低，导致电位都变低。可见，等离子体的密度是一个关键的参数，会影响到电位的大小[8-9]。

3 结论

通过对两个ECR等离子体源的对称放置，减小了环境模拟装置中的密度梯度，形成较均匀的等离子体，相对于应用环境模拟装置中顶部使用一个ECR等离子体源来说，产生的等离子体较好。以上实验结果分析得出，对ECR源产生的等离子体，及空间电位、悬浮电位、电子密度和电子温度等模拟参数，可以得到最优化的微波ECR等离子体工作状态，满足低轨道航天器空间等离子体环境下校准朗缪尔探针的需求。

参考文献：

[1]Hopkins M B. Langmuir Probe Measurements in the Gaseous Electronics Conference RF Reference Cell[J] . Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,1995,100(4):415-425.

[2]Francis F. Chen Langmuir Probe Diagnostics[R]. Mini-Course on Plasma Diagnostics, IEEE-ICOPS meeting, Jeju, Korea, 2003.

[3]Lieberman M, Lichtenberg A. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing[M]. New York: John Wiley and Sons, 1994.

[4]齐燕文,王存池,任兆杏.空间等离子体源与测试系统设计[J].航天器环境工程,2006, 23(5):253-256.

[5]钱程,陈志,马鸿义, 等,2.45 GHz ECR离子源的微波阻抗匹配[J].原子核物理评论,2013, 30(1):32-27.

[6]谭必松. ECR 等离子体离子参数的测量研究[D].湖北：武汉工程大学,2011.

[7]POZAR D M. 微波工程[M].第三版.//张肇仪译.北京: 电子工业出版社, 2006:66-223.

[8]沈武林,马志斌,谭必松, 等.ECR等离子体的磁电加热研究[J].物理学报,2011,60(10): 1-5.

[9]戴阳,吴卫东,高映雪, 等.Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度[J]. 强激光与粒子束,2010, 22(6):1234-1238.