脈沖真空弧離子源的質譜分析
本文介紹了脈沖真空弧離子源的特點，建立了脈沖真空弧離子源工作瞬間放氣成分的質譜分析系統。應用四極質譜儀記錄了真空系統中離子源工作前后的譜圖，并通過數據軟件的二次處理初步取得了脈沖真空弧離子源放電空間的增量成分分析；開展了不同絕緣介質對脈沖真空弧離子源工作瞬間所產生氣體成分的對比研究。
脈沖真空弧離子源由于其具有結構緊湊、工作壓強低、束流大和可以隨時立即工作等其他類型離子源所無法比擬的優點得到廣泛應用，前蘇聯、英國、美國以及以色列等國家都先后對這種離子源展開了研究[1,2,3] 。四極質譜儀(QMS)是由小型離子源和小型四極分析器構成的氣態物質組分檢測設備，以其輕便、高分辨和高靈敏度，且使用時不需用磁場等優點越來越受到廣泛的重視。在國內外主要集中應用在真空檢漏及殘氣分析，而針對真空離子源工作時的質譜分析較少，在國內未見相關報道[3,4] 。本文利用四極質譜儀對離子源工作瞬間的放氣成分進行了研究，實現了四極質譜計對離子源放電過程中產生氣體的成分分析。研究工作的開展對了解離子源放電特性及絕緣介質材料選擇具有重要意義。
1、脈沖真空弧離子源的結構
脈沖真空弧離子源是一種火花離子源，主要由絕緣介質、陰極、陽極幾部分組成，其電極為吸附氫的金屬鈦。脈沖真空弧離子源在未工作時處于高真空狀態，放電開始時，脈沖電源在離子源的電極之間施加上一個脈沖高壓，離子源電極之間發生火花流光擊穿，受帶電粒子的轟擊，鈦電極被局部蒸發并釋放出吸附的氫，氫氣被電離而形成等離子體。由于離子源工作放電時基本上是沿著絕緣介質片的表面進行，在放電過程中，除了形成有用氘離子（含氘原子離子、氘分子離子）外，質離子，如材料表面吸附氣體、金屬鈦離子及絕緣子介質高溫下分解所形成的各種雜質離子，這些雜質離子對于器件本身的應用沒有任何價值，而且會影響相關器件的性能指標，因此如何減少雜質離子對于器件本身具有重要的現實意義。本文分別選擇了云母、石英及陶瓷作為絕緣介質進行對比實驗分析。
2、脈沖真空弧離子源的質譜分析實驗
2.1、實驗裝置及實驗過程
實驗系統的原理框圖如圖1 所示，主要由真空系統、烘箱、真空計及質譜儀構成。真空系統以機械泵、吸附泵作為前級泵，濺射離子泵作為主泵的超高真空系統，極限真空可達10- 6 Pa量級。考慮到四極質譜儀中非線性因素的存在，其測量上限受到總壓強的限制，因此，離子源工作時的上限真空度應在四極質譜的工作范圍內。實驗中采用德國普發真空的QMS200 四極質譜儀作為質譜檢測儀器，該質譜儀的工作上限真空度為10- 2 Pa，滿足該實驗的要求。實驗過程中使用棒峰譜掃描方式掃描殘余氣體譜圖。掃描質量數范圍為：1~45 amu（質荷比），SEM（二次電子倍增器）電壓1400 V，發射電流2 mA，分辨率25，陰極電壓90 V，聚焦電壓8 V。為了正確得出氣體成分的定性分析結果，要求四極質譜儀本身工作時滿足一定的峰高穩定性和峰位穩定性。
圖1 脈沖真空弧離子源質譜診斷系統
實驗前，為了減少系統放氣并降低本底真空，對真空系統進行12 h 低溫烘烤；對四極質譜桿進行了烘烤排氣，冷卻到室溫后系統能夠維持在較高的真空度（10- 5 Pa）。
為了避免真空泵將工作氣體抽走影響測量準確度，在脈沖真空弧離子源工作時，關閉角閥3 和角閥4，停止真空泵運行，打開角閥2 運行質譜計，待分析系統內的真空度穩定后（10- 4 Pa），記錄此時的靜態真空本底殘余氣體譜圖，作為后續分析的參考依據。考慮到測量的準確度、結果的重復性、復現性、操作性，每個離子源重復觸發五次，每次觸發間隔2 min；為使質譜計掃描的周期時間段相同，每次觸發的時間點與四極質譜的掃描時間點同步。
試驗中使用的3 個離子源在結構上基本一致，主要區別是采用的絕緣介質不同，其中1 號離子源的絕緣介質為陶瓷、2 號離子源的絕緣介質為云母、3 號離子源的絕緣介質為石英。
3、結論
質譜法能夠實時測量脈沖真空弧離子源沖工作瞬間的氣體成分，對了解離子源放電特點和放電機理具有重要的意義。本文利用現有設備建立了脈沖真空弧離子源工作瞬間的放氣成分質譜分析系統，初步取得了對脈沖真空弧離子源放電空間的增量成分分析；開展了不同絕緣介質對離子源工作性能的影響研究，明確了絕緣介質對離子源工作性能的重要影響；但因設備限制，其結果可能有較大誤差。如何進一步對其進行更加準確的定性分析，從而逐步達到定量測量的目的是質譜法測量努力的方向。本項工作的進一步開展對研究脈沖真空弧離子源的放電過程及機理研究具有較重要的研究分析價值。
致謝：本工作在離子源裝配、封接過程中得到了馬迎英、馬蔚珊、梁莉、歐麗等同志的熱心幫助，在此向他們表示衷心的感謝！
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