基于Mie散射在线测量真空弧放电液滴方法探索

金属液滴是真空弧放电的伴随产物,它对理解阴极斑放电性质具有重要作用,而且对工程应用也有重要影响.金属液滴的测量一般采用离线的收集法,不能获得全部空间和单次放电信息.本文提出了一种通过Mie散射在线测量真空弧放电液滴的新方法,并对它的可行性进行了探索研究.首先通过仿真程序计算了钛金属液滴的散射光性质,结果表明小直径颗粒散射光在全部角度上均有分布,随着直径增加,散射光越来越集中在前向,这为不同直径液滴信号的反演提供了可能.接着对探测器进行了分环设计,当探测器分为35环时,光能系数矩阵容易求解,同时保证测量系统具有良好的分辨率.初步实验结果表明,钛金属液滴直径主要分布在9.8μm附近,验证了Mie散射测量真空弧液滴方法的有效性.但液滴直径分布和离线测量有较大差异,缺少小直径液滴信息,主要原因来源于测量系统信噪比不够,不能有效地获得小直径液滴散射信号,还需要进一步优化.

X射线分幅相机真空弧放电损害研究

基于神光Ⅱ物理实验,研究了X射线分幅相机中真空弧放电对荧光屏和微通道板的损害。通过观测放电点在荧光屏上的位置和输出强度,发现X射线分幅相机存在的3种弧放电形式:散弧、强弧和定弧,由弧点位置和强度的时空变化比较了3种放电形式对器件的损害程度和对相机工作状态的影响。散弧在一定真空度条件下具有很好的稳定性,并且微放电不影响XFC正常性能;强弧的屏输出强饱和,MCP和荧光屏被一次性损害,相机无法正常工作;定弧对相机的正常工作没有影响,放电在两种屏压加载下都表现出稳定的趋向。由场致电子发射理论解释了放电机理,分析了弧放电损坏的稳定性,由实验结果推导了定弧的场增强因子。

真空弧放电TiH合金阴极表面形貌分析

TiH合金电极是一种含氢量非常高的金属材料,用它作真空弧离子源的电极,可在真空环境下产生强度非常高的氢离子流。相比纯金属材料电极,TiH电极除了出现真空弧放电特有的融蚀现象外,还存在气体释放过程,所以它的表面形貌具有一定的独特性。利用扫描电子显微镜观察了单次放电和多次放电后阴极表面形貌,发现阴极斑在阴极表面微裂纹附近连续分布,气体释放生成很多小孔,使阴极斑区域呈絮状结构;弧流越大,阴极斑数量越多;多次放电后,阴极斑朝含氢量多的地方移动。该结果有助于了解含氢电极的真空弧放电过程,对该类放电的应用具有一定参考意义。

触发型真空弧放电特性研究

基于沿面放电设计了短间距的触发型真空弧放电装置,利用高速相机研究了触发真空弧放电特性,获得了不同放电时刻的放电图像。通过分析放电图像,发现主弧放电开始阶段,主弧电流主要为电子电流,而且在阳极附近观察到较强的离子电流。研究发现阴极斑的形成和等离子体的扩散是主间隙击穿的关键因素。初始阴极斑不仅为触发回路提供载流子,同时影响着主间隙的击穿。文章讨论了阴极表面离子鞘层对表面电场的影响,阴极表面场强可达107V/m。同时本文讨论了背景气压对电极间隙放电延迟时间的影响。

氘化物阴极真空弧放电光斑分布

氘化物真空弧放电在许多领域均有应用,如无损检测、石油探井、中子活化分析等。和金属阴极不同,氘化物阴极放电时会释放大量的气体分子,表现出许多不同性质。采用放大镜头和ICCD相机观察了氘化物阴极真空弧放电光斑分布。测量系统的空间分辨率约为5μm,时间分辨率最小2 ns。放电脉冲半高全宽(FWHM)0.9μs,弧流波形为半周期正弦波。实验结果表明,氘化物真空弧放电时,所有阴极斑聚集为一个群落,表现为一个大光斑;在液滴作用下,阴极斑群落偶尔也会分裂为两个或多个群落;光斑形状不受弧流影响,但面积和亮度会随弧流增加而增大。氘化物阴极放电斑点聚集有利于产生高密度等离子体,提高放电效率。

阴极真空弧放电等离子体的过滤及传输

阴极真空孤放电产生高密度等离子体的同时，也产生了尺寸可达微米量级的液滴，液滴对膜层的污染限制了它的应用。为解决这个问题，可采用轴对称磁场约束阴极斑，磁过滤器过滤等离子体出束中的液滴。结果表明液滴在磁过滤器出口处已基本上被过滤掉了，该处离子束流达到１２０ｍＡ。

脉冲金属氢化物真空弧放电等离子体发射光谱特性

利用发射光谱方法对真空弧离子源放电等离子体特性进行了诊断。同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了等离子体的发射光谱拟合模型,对真空弧放电等离子体光谱进行了分析。针对TiH真空弧离子源,分别对330-340nm与498-503nm范围内Ti＋离子与Ti原子的发射光谱进行了对比拟合,获得了较好的符合度,解决了传统Boltzmann斜率法计算等离子体温度需要孤立的不受附近谱线干扰的线状光谱的困难。最后,利用该方法计算了真空弧离子源在不同放电条件下的等离子体发射光谱、等离子体密度与温度参数。结果表明,TiH真空弧放电等离子体温度在1eV左右,同时,放电所产生的氢原子要远远大于金属原子,并且随着真空弧离子源馈入功率的增加,TiH电极中解吸附出来的氢比蒸发出来的金属增加得更多,这有利于TiH离子源在中子发生器方面的应用。

氢化钛镍合金阴极真空弧放电离子特性研究

本文将氢化钛镍合金材料应用于强流长脉冲(200 A/270μs)真空弧放电实验中,该材料能在强流长脉冲真空弧放电产生的高温条件下保持较好的稳定性。使用飞行时间谱仪获得了氢化钛镍合金阴极真空弧放电产生的离子电荷态分布和离子成分。结果表明:Tin+和Nin+电荷态为1+、2+和3+,在放电过程的早期(0~30μs),H+成分随时间逐渐增加,在30μs时达到最大比例57%,而Tin+和Nin+(n=1,2,3)离子成分随时间逐渐减少,在30μs时达到最小比例43%;在放电过程的后期(30~270μs),H+成分迅速下降且在75μs后保持在总离子流的12%左右直至放电结束,Tin+和Nin+(n=1,2,3)含量随时间逐步增加,且在75μs后保持在总离子流的88%左右直至放电结束。

阴极真空弧离子源的研制

为发展金属离子束材料表面改性技术的工业应用，北师大低能核物理所研制成阴极真空弧离子源和离子注入装置．简要介绍该设备的结构、原理和性能．

小型脉冲中子发生器用真空弧离子源研制

真空弧离子源以其结构简单、空间紧凑、氘离子流强大等优点,非常适合在小型脉冲中子发生器中使用。本文介绍了一款小型真空弧离子源,它利用氘化钛阴极同时作为氘气源和电极,避免了复杂的气路管道。该离子源外径约20 mm,长25 mm。采用电荷耦合器件(CCD)相机拍摄了该离子源放电光斑,发现弧流越大,光斑越大。采用偏压平板测量了该离子源的饱和离子流,当弧流大于100 A时,饱和离子流可达1 A以上。采用磁分析测量了等离子体中氘离子比例,结果表明氘离子比例随弧流增加而增加,最大约为27%。最后测量了该离子源在120 kV高压下打氘靶的中子产额,当弧流为100 A,脉宽为5μs时,中子产额约1×10^(5) n。该源可应用在小型脉冲中子发生器中。

过滤管道磁场在改进真空弧沉积系统中的作用

在 90°磁过滤管道和MEVVA源阴极之间加 30～ 60V的正偏压可使磁过滤管道起到阴极弧放电第二阳极的作用。在此情况下 ,就磁过滤管道磁场对MEVVA源阳极 阴极和磁过滤管道 阴极两个回路弧放电和磁过滤管道等离子体传输效率的影响进行了实验研究。研究结果表明 :随磁过滤磁场升高 ,磁过滤管道和阴极之间的弧放电规模降低 ,系统的等离子体传输效率升高 。

磁过滤真空弧沉积中过滤管道的第二阳极作用研究

利用一台磁过滤真空弧沉积装置 ,初步研究了磁过滤管道对系统弧放电的影响。实验证明 ,磁过滤管道在阴极真空弧沉积中不仅起到消除大颗粒的作用 ,还作为阴极真空弧放电的第二阳极对弧放电产生影响。给出了磁过滤阴极真空弧放电的等效电路 。

磁过滤阴极真空弧沉积装置研究中的等效电路方法

提出了模拟磁过滤阴极真空弧放电等离子体沉积装置阴极弧放电过程的等效电路 ,并用此电路定性研究了各参数对弧放电的影响 。

多阴极金属蒸气真空弧离子源

设计了一台多阴极的金属蒸气真空弧离子源,它有18个阴极,任一阴极都能在真空状态下被迅速接入电路工作。这是一种新型的强流金属离子源,特别适用于离子注入、材料改性。在脉冲工作方式下,引出了Al、Ti、Cr、Ni、Cu和Nb等元素的离子,平均束流达10mA以上,引出束流与阴极材料、弧流、引出电压等有关。该源的工作真空度为300μPa。

大束斑强流金属离子源

介绍了新研制成的 MEVVA-Ⅱ和 MEVVA-ⅡA 离子源的结构特点和某些实验结果.新源采用大面积引出,引出直径60mm.该源脉冲工作,最大束流占空比为6%,已引出 Mg,Al,Ti,V,Cr,Fe,Ni,Cu,Zn,Y,Zr,Mo,Nb,Sn,W 和 Pb 等金属元素的离子,平均束流强度在10mA 以上,最大平均束流强度已超过20mA.MEVVA-ⅡA 源还采用了可推进的阴极结构,使阴极寿命大大提高,在引出平均束流10mA(Ti)条件下,已连续稳定运行16h.

高能量离子束诊断质谱仪的研制及性能表征

本研究开发了一台应用于高能量离子束诊断的直线式飞行时间质谱仪,实现了其与高能真空弧放电离子源的联用。该仪器加速电压30 kV,飞行腔有效飞行距离1.5 m,通过短脉冲离子门精确截取,ICCD高速相机优化聚焦,仪器分辨率优于90 FWHM,对放电过程中产生的等离子体可实现不同时间的离子成分分析。将该方法用于真空弧放电离子源放电过程中离子成分的检测,放电2μs时,电离成分以气态离子C+、O+、C2+、O2+为主;放电6μs后,除气体成分外,还可以检测到Fe+、Cu+及其同位素金属离子峰。该仪器能够给出离子源放电产生离子的种类、价态以及相对含量等信息,可实现整个放电过程产生离子成分信息的准确诊断。