本文介紹了脈沖真空弧離子源的特點(diǎn)，建立了脈沖真空弧離子源工作瞬間放氣成分的質(zhì)譜分析系統(tǒng)。應(yīng)用四極質(zhì)譜儀記錄了真空系統(tǒng)中離子源工作前后的譜圖，并通過(guò)數(shù)據(jù)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(kāi)展了不同絕緣介質(zhì)對(duì)脈沖真空弧離子源工作瞬間所產(chǎn)生氣體成分的對(duì)比研究。

　　脈沖真空弧離子源由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作壓強(qiáng)低、束流大和可以隨時(shí)立即工作等其他類型離子源所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，前蘇聯(lián)、英國(guó)、美國(guó)以及以色列等國(guó)家都先后對(duì)這種離子源展開(kāi)了研究^[1,2,3] 。四極質(zhì)譜儀(QMS)是由小型離子源和小型四極分析器構(gòu)成的氣態(tài)物質(zhì)組分檢測(cè)設(shè)備，以其輕便、高分辨和高靈敏度，且使用時(shí)不需用磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到廣泛的重視。在國(guó)內(nèi)外主要集中應(yīng)用在真空檢漏及殘氣分析，而針對(duì)真空離子源工作時(shí)的質(zhì)譜分析較少，在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道^[3,4] 。本文利用四極質(zhì)譜儀對(duì)離子源工作瞬間的放氣成分進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了四極質(zhì)譜計(jì)對(duì)離子源放電過(guò)程中產(chǎn)生氣體的成分分析。研究工作的開(kāi)展對(duì)了解離子源放電特性及絕緣介質(zhì)材料選擇具有重要意義。

1、脈沖真空弧離子源的結(jié)構(gòu)

　　脈沖真空弧離子源是一種火花離子源，主要由絕緣介質(zhì)、陰極、陽(yáng)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(shí)處于高真空狀態(tài)，放電開(kāi)始時(shí)，脈沖電源在離子源的電極之間施加上一個(gè)脈沖高壓，離子源電極之間發(fā)生火花流光擊穿，受帶電粒子的轟擊，鈦電極被局部蒸發(fā)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(shí)基本上是沿著絕緣介質(zhì)片的表面進(jìn)行，在放電過(guò)程中，除了形成有用氘離子（含氘原子離子、氘分子離子）外，質(zhì)離子，如材料表面吸附氣體、金屬鈦離子及絕緣子介質(zhì)高溫下分解所形成的各種雜質(zhì)離子，這些雜質(zhì)離子對(duì)于器件本身的應(yīng)用沒(méi)有任何價(jià)值，而且會(huì)影響相關(guān)器件的性能指標(biāo)，因此如何減少雜質(zhì)離子對(duì)于器件本身具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文分別選擇了云母、石英及陶瓷作為絕緣介質(zhì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。

2、脈沖真空弧離子源的質(zhì)譜分析實(shí)驗(yàn)

2.1、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，主要由真空系統(tǒng)、烘箱、真空計(jì)及質(zhì)譜儀構(gòu)成。真空系統(tǒng)以機(jī)械泵、吸附泵作為前級(jí)泵，濺射離子泵作為主泵的超高真空系統(tǒng)，極限真空可達(dá)10^{- 6} Pa量級(jí)�？紤]到四極質(zhì)譜儀中非線性因素的存在，其測(cè)量上限受到總壓強(qiáng)的限制，因此，離子源工作時(shí)的上限真空度應(yīng)在四極質(zhì)譜的工作范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中采用德國(guó)普發(fā)真空的QMS200 四極質(zhì)譜儀作為質(zhì)譜檢測(cè)儀器，該質(zhì)譜儀的工作上限真空度為10^{- 2} Pa，滿足該實(shí)驗(yàn)的要求。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用棒峰譜掃描方式掃描殘余氣體譜圖。掃描質(zhì)量數(shù)范圍為：1~45 amu（質(zhì)荷比），SEM（二次電子倍增器）電壓1400 V，發(fā)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(jié)果，要求四極質(zhì)譜儀本身工作時(shí)滿足一定的峰高穩(wěn)定性和峰位穩(wěn)定性。

圖1 脈沖真空弧離子源質(zhì)譜診斷系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)前，為了減少系統(tǒng)放氣并降低本底真空，對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行12 h 低溫烘烤；對(duì)四極質(zhì)譜桿進(jìn)行了烘烤排氣，冷卻到室溫后系統(tǒng)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(cè)量準(zhǔn)確度，在脈沖真空弧離子源工作時(shí)，關(guān)閉角閥3 和角閥4，停止真空泵運(yùn)行，打開(kāi)角閥2 運(yùn)行質(zhì)譜計(jì)，待分析系統(tǒng)內(nèi)的真空度穩(wěn)定后（10- 4 Pa），記錄此時(shí)的靜態(tài)真空本底殘余氣體譜圖，作為后續(xù)分析的參考依據(jù)�？紤]到測(cè)量的準(zhǔn)確度、結(jié)果的重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性、操作性，每個(gè)離子源重復(fù)觸發(fā)五次，每次觸發(fā)間隔2 min；為使質(zhì)譜計(jì)掃描的周期時(shí)間段相同，每次觸發(fā)的時(shí)間點(diǎn)與四極質(zhì)譜的掃描時(shí)間點(diǎn)同步。

　　試驗(yàn)中使用的3 個(gè)離子源在結(jié)構(gòu)上基本一致，主要區(qū)別是采用的絕緣介質(zhì)不同，其中1 號(hào)離子源的絕緣介質(zhì)為陶瓷、2 號(hào)離子源的絕緣介質(zhì)為云母、3 號(hào)離子源的絕緣介質(zhì)為石英。

3、結(jié)論

　　質(zhì)譜法能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量脈沖真空弧離子源沖工作瞬間的氣體成分，對(duì)了解離子源放電特點(diǎn)和放電機(jī)理具有重要的意義。本文利用現(xiàn)有設(shè)備建立了脈沖真空弧離子源工作瞬間的放氣成分質(zhì)譜分析系統(tǒng)，初步取得了對(duì)脈沖真空弧離子源放電空間的增量成分分析；開(kāi)展了不同絕緣介質(zhì)對(duì)離子源工作性能的影響研究，明確了絕緣介質(zhì)對(duì)離子源工作性能的重要影響；但因設(shè)備限制，其結(jié)果可能有較大誤差。如何進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定性分析，從而逐步達(dá)到定量測(cè)量的目的是質(zhì)譜法測(cè)量努力的方向。本項(xiàng)工作的進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)研究脈沖真空弧離子源的放電過(guò)程及機(jī)理研究具有較重要的研究分析價(jià)值。

　　致謝：本工作在離子源裝配、封接過(guò)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！

參考文獻(xiàn)

　　[1] 王志文,嚴(yán)東海.四極質(zhì)譜計(jì)用作等離子體診斷時(shí)的幾個(gè)問(wèn)題[J].真空，2003,(01)：49- 52.
　　[2] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:1222- 1235.
　　[3] 唐平瀛,戴晶怡,談效華,金大志,劉鐵,丁伯南.真空弧離子源脈沖工作瞬間的放電行為[J].核技術(shù)，2005,68(03)：217- 220.
　　[4] 鄧秉林,周錦寶,薛紀(jì)欽.大功率速調(diào)管殘余氣體的質(zhì)譜分析[J].真空，2008,45(03)：75- 77.
　　[5] Walko RJ,Rochau GE.A High Output Neutron Tube Using an Occluded Gas Ion Source [J].IEEE Trans Nucl Sci,1981,NS- 28(2):1531－1534
　　[6] 馮焱,李得天.四極質(zhì)譜計(jì)在真空檢漏中的應(yīng)用[J].真空，2006,43(03)：45- 47.
　　[7] 李得天. 分壓力質(zhì)譜計(jì)的校準(zhǔn)[J]. 真空，2003,(03)：43- 48.
　　[8] 舒雄文,徐晨,田增霞,沈光地.離子源放電電流對(duì)真空室壓力影響機(jī)理研究[J].真空，2006,43(03)：36- 38.
　　[9] 黃理勝,于炳琪.常見(jiàn)混合氣體的四極質(zhì)譜定量分析方法及有效性評(píng)估[J].真空，1997,(05)：9- 14.
　　[10] 張兆祥,薛增泉,趙興鈺,侯士敏,劉惟敏,陳海峰,劉忠范. 一種超高密度存儲(chǔ)材料的四極質(zhì)譜分析[J].真空，2001,21(05)：352- 355.
　　[11] 馮焱, 李得天, 張滌新.四極質(zhì)譜計(jì)靈敏度與離子源參數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù),2003 (3):203- 206.