串列加速器358型双等离子体离子源改进及性能研究

宋纪高，仇猛淋,2，殷 鹏，王小霞，王广甫,2,*，罗长维

(1.北京师范大学 核科学与技术学院，射线束技术教育部重点实验室，北京 100875；2.北京市辐射中心，北京 100875；3.中国科学院 电子学研究所，北京 100080)

北京师范大学GIC4117型串列加速器是1985年从美国GIC公司引进的，在30多年的运行过程中，加速器运行基本正常。通过对束流线、靶室的建设和改造，目前已具备了质子荧光分析(PIXE)[1]、高能离子注入[2]、离子激发发光分析(IBIL)[3]和背散射分析(RBS)[4]4条应用管道。利用此加速器，实验室完成了大量离子束分析、高能离子注入领域的工作。

由于离子源漏气损坏，原装的358型双等离子体离子源在1989年退役[5]，之后一直采用860A溅射离子源。因溅射源引出束流强度有限，限制了GIC4117型串列加速器的应用，为进一步拓展其应用，2017年购置了HVE公司的358型双等离子体离子源。由于仅购置离子源源体，HVE公司未提供灯丝涂覆材料和配套电源。因此在358型双等离子体离子源调试和使用过程中，灯丝涂覆材料采用中国科学院电子学研究所提供的氧化物阴极涂料，离子源电源除弧压电源采用新采购的国产电源外，其余采用原有的旧电源，进气调节系统采用七星华创的D07质量流量控制器实现。

为提高束流强度和离子源灯丝的使用寿命，本文对358型双等离子体离子源灯丝涂覆材料(碳酸钡锶钙(BaSr-Ca)CO3)、涂覆方法、去气流程及加速器停机后离子源保护措施进行改进，且通过改进弧压电源回路解决离子源异常断弧现象。分别研究进气量、弧流、约束磁铁电流对离子源稳定性及其在双45°偏转磁铁后输出束流强度(前法束流强度)的影响。

1 358型双等离子体离子源介绍

358型双等离子体离子源结构如图1所示，其主要由阴极灯丝、阴极支撑架、磁铁线包、中间极、阳极、引出极组成。气体由进气孔引入离子源腔室，并使离子源内气压维持在适当的范围(约0.1～1.0 Pa)。在腔室1通过阴极发射的电子电离气体，产生的离子向阳极运动的过程中，首先在锥形中间极受到机械压缩，随后在腔室2的约束磁场作用下进一步压缩，经过两次压缩后的等离子体从阳极孔飞出，在引出极的作用下形成引出束流并进入后续加速系统。影响358型双等离子体离子源工作性能的主要因素有阴极灯丝性能、进气量、弧流、约束磁铁电流等。

a——阴极支撑架；b——灯丝支柱；c——阴极灯丝；d——磁铁线包；e——进气孔；f——中间极；g——腔室1；h——腔室2；i——引出束流；j——阳极；k——引出极图1 358型双等离子体离子源结构示意图Fig.1 Schematic of model 358 duoplasmatron ion source structure

2 358型双等离子体离子源的恢复及性能测试

2.1 实验条件

实验过程中工作气体为氢气，采用偏心方式引出H-束流，进气量保持在0.4～1.2 mL/min之间可调，调节精度为±0.02 mL/min；阴极灯丝工作电流范围为23～26 A；灯丝与中间级之间起弧前的弧压为150 V(空载)，起弧后弧压范围为70～110 V，弧流范围为1.3～2.0 A；引出电压为20 kV。

2.2 阴极灯丝制备及改进

阴极灯丝基材为铂金网，为提高灯丝电子发射效率需在铂金网上涂覆1层氧化物，涂覆材料为(BaSr-Ca)CO3，碳酸盐在经过高温去气后形成Ba、Sr、Ca的氧化物，其中电子发射能力主要来自于盈余Ba的贡献，Ca、Sr主要用于提高蒸发能，增加高温发射中心[6]。此外，Ca还可在一定程度上提高氧化物在灯丝上的粘连强度。

在涂覆方法上，分别采用等离子体喷涂[7]和蘸涂两种方法，在铂金网灯丝上涂覆Ba∶Sr∶Ca摩尔比为58%∶38%∶4%的碳酸盐溶液，此比例形成的涂层阴极发射比例较高[8]。对比相同实验条件下的测试结果，发现不同涂覆方法对灯丝性能有着显著影响。等离子体喷涂相比于蘸涂，氧化物在铂金网上覆盖的均匀性较好，具有较强的电子发射能力，但喷涂无法在灯丝环形内层结构沉积，氧化物涂层较薄。离子源在工作过程中灯丝处在低电位，电离后的气体离子会对灯丝形成回轰现象。喷涂形成的灯丝氧化物仅在铂金网外层沉积了一薄层，受到离子轰击时氧化物脱落严重，产生大量粉末状脱落物。蘸涂处理的灯丝，其电子发射能力相比于喷涂处理的灯丝下降10%左右。但蘸涂处理后灯丝氧化物涂层较厚，且能大量沉积在灯丝铂金网的环形结构内侧，抗离子轰击能力较强，氧化物涂层脱落情况明显减少。实验对比发现，喷涂制备的氧化物阴极(Ba∶Sr∶Ca摩尔比为58%∶38%∶4%)在累计使用11.8 h后，氧化物涂层几乎完全脱落，灯丝无法继续工作。同样条件下蘸涂制备的氧化物阴极累计工作时间为23.5 h，接近喷涂制备氧化物阴极寿命的2倍。因此本文采用蘸涂的方式进行灯丝氧化物涂层的涂覆。

虽然蘸涂处理对灯丝寿命有所提高，但23.5 h的灯丝使用寿命依然不足，且涂层脱落依然较严重，氧化物涂层的开裂和脱落对离子源工作的稳定性也有着严重影响。为进一步降低氧化物涂层的脱落情况，本文提高了氧化物涂层中Ca的比例，采用Ba∶Sr∶Ca摩尔比为55%∶30%∶15%的涂料制备氧化物阴极，测试其使用寿命并观察涂层脱落情况。在同样实验条件下，Ba∶Sr∶Ca摩尔比为55%∶30%∶15%的氧化物阴极使用寿命提高到72 h，涂层脱落情况得到明显改善。

值得提出的是，灯丝涂覆完成后，涂层材料从碳酸盐转变成氧化物的去气过程对阴极灯丝的使用寿命和涂层脱落也有较大影响，去气主要包括5～12 A的水汽蒸发过程和18～29 A的碳酸盐分解过程[9]。首次去气时灯丝升温过快极易导致涂层开裂和脱落，去气过程在进入碳酸盐分解阶段后可通入适量氢气促进碳酸盐的分解[9]。

2.3 加速器停机后离子源保护措施

加速器在停机状态下，由于离子源无独立的真空设备维持高真空，灯丝氧化物涂层易受到空气中水分和CO2的污染，导致氧化物阴极使用寿命大幅降低。针对此现象，每次停机后，可在离子源腔室内充满氩气，使得氧化物阴极在停机时始终处在氩气氛围的保护中。前文提到使用寿命为72 h的氧化物阴极是在停机后无氩气保护情况下的统计结果，而在停机状态采用氩气保护后，同样条件下的氧化物阴极累计使用寿命达200 h以上(目前仍在工作中，灯丝在氩气氛围保护下停机36 d后依然可正常起弧)。

2.4 对离子源工作过程中异常断弧情况的处理

在离子源调试过程中时常会出现弧流中断情况。经过实验发现，在异常断弧前均会伴随有不同程度的弧压波动。针对这种情况，本文对358型双等离子体离子源的弧压电路进行改进，图2为离子源弧压电路示意图。

图2 离子源弧压电路示意图Fig.2 Schematic of ion source arc voltage circuit

阳极与灯丝之间空载时加有150 V的电压，改进前，起弧时通过触发开关短暂导通中间极与阳极，使得中间极与灯丝之间形成较高的电势差从而击穿气体产生电弧，并通过放电电弧导通灯丝与阳极形成闭合回路，随即断开触发开关。此时整个放电回路完全依靠气体放电维持，这种情况下若发生气体浓度波动、电压波动等情况，极易导致离子源异常断弧。为解决这一问题，将中间极与阳极之间的触发开关改为常闭状态，使阳极与中间极之间通过1 920 Ω的电阻保持在导通状态。离子源在此状态下工作时，一旦出现弧压的波动，弧压电源回路能通过分压补偿进行及时的校正，保证放电电弧的稳定，较大程度上避免了弧流中断。同时，由于触发开关一直处在导通状态，若出现不可控的异常断弧现象，灯丝与中间极之间的电压会立即上升到起弧的阈值，在极短时间内重新起弧。离子源正常工作时，分别测量了触发开关在开、闭两种状态下阴极灯丝、中间极、阳极之间的电压，结果列于表1。

表1 离子源弧压分压情况Table 1 Partial pressure of ion source arc pressure

触发开关闭合与断开两种情况下弧压的分压情况仅相差0.6 V，对离子源的正常工作暂未发现任何影响。在触发开关导通时，离子源正常工作状态下未发现不可逆的异常断弧情况发生。

2.5 离子源主要参数对其工作性能的影响

图3 离子源弧流对引出束流强度及前法束流强度的影响Fig.3 Effect of ion source arc current on leading beam intensity and front Faraday cup beam intensity

图3为离子源弧流对引出束流强度及前法束流强度的影响，在进气量为0.6 mL/min、约束磁铁电流为1 A、灯丝电流为25 A且离子源工作状态稳定时，引出束流强度及前法束流强度随弧流的增大而显著增大。但多次实验发现，弧流超出1.3～1.8 A时离子源易发生断弧现象。这是由于进气量一定时，离子源腔室内单位时间可电离气体的总量有限导致的。经实验验证，当进气量增加至1.3 mL/min时，弧流稳定范围上限可增加到2.2 A。

在弧流为1.5 A、约束磁铁电流为1 A、灯丝电流为25 A且离子源工作状态稳定时，测试离子源进气量对前法束流强度的影响(图4)。在测试时，先缓慢增加进气量观察前法束流强度变化情况，再缓慢降低进气量验证前法束流强度的变化。由图4可知，两条曲线变化情况基本一致，且在进气量达到0.64 mL/min后前法束流强度随进气量的增大变化明显变缓。这是由于当弧流一定时，其对气体的电离能力有限，电离能力达到饱和时，前法束流强度将不再随进气量的增大而增大。同时过大的进气量将会导致离子源腔室真空度变差，造成引出束流频繁波动。经实验验证，离子源进气量不宜超过1.0 mL/min。

图4 离子源进气量对前法束流强度的影响Fig.4 Effect of ion source intake on front Faraday cup beam intensity

在进气量为0.6 mL/min、弧流为1.7 A、灯丝电流为25 A且离子源工作状态稳定时，测试了约束磁铁电流对前法束流强度的影响(图5)。前法束流强度随约束磁铁电流的增加而增强，并逐渐趋于平缓。由于离子源采用偏心引出，约束磁铁电流的大小体现在磁场对离子源腔室内等离子体的约束作用，当离子源阳极孔偏心位置合适时，约束磁铁电流应存在一最佳值，使得阳极孔引出离子流密度最大，且在这个最佳值附近束流强度变化平缓。

图5 约束磁铁电流对前法束流强度的影响Fig.5 Effect of restrained magnet current on front Faraday cup beam intensity

图6为前法束流强度随灯丝电流的变化情况。灯丝电流主要用于加热灯丝，氧化物涂层使其发射电子。可看出，当灯丝电流达到25 A时，前法束流强度不再随灯丝电流的增加而增加，此时灯丝电子发射能力达到最大值。即25～26 A为灯丝的最佳工作电流，过大的灯丝电流会导致灯丝温度过高，造成盈余Ba的加速蒸发，致使灯丝快速老化[7]。

图6 灯丝电流对前法束流强度的影响Fig.6 Effect of filament current on front Faraday cup beam intensity

3 结论

经过多次调试和实验，目前358型双等离子体离子源采用了Ba∶Sr∶Ca摩尔比为55%∶30%∶15%的涂料所制备的氧化物阴极，且停机时始终保持氧化物阴极在氩气氛围的保护下，离子源累计工作寿命已达到200 h以上。此离子源目前能引出50～100 μA的束流，靶室束流强度由原来采用溅射源时的20 nA提高到10 μA，提高约500倍。同时，通过对离子源弧压电源的改进解决了异常断弧及稳定性问题。358型双等离子体离子源改进后性能得到较大提升且工作状态稳定，能满足大部分实验及工作需求。