脉冲真空弧离子源的质谱分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院电子工程研究所 作者:程焰林

  本文介绍了脉冲真空弧离子源的特点,建立了脉冲真空弧离子源工作瞬间放气成分的质谱分析系统。应用四极质谱仪记录了真空系统中离子源工作前后的谱图,并通过数据软件的二次处理初步取得了脉冲真空弧离子源放电空间的增量成分分析;开展了不同绝缘介质对脉冲真空弧离子源工作瞬间所产生气体成分的对比研究。

  脉冲真空弧离子源由于其具有结构紧凑、工作压强低、束流大和可以随时立即工作等其他类型离子源所无法比拟的优点得到广泛应用,前苏联、英国、美国以及以色列等国家都先后对这种离子源展开了研究[1,2,3] 。四极质谱仪(QMS)是由小型离子源和小型四极分析器构成的气态物质组分检测设备,以其轻便、高分辨和高灵敏度,且使用时不需用磁场等优点越来越受到广泛的重视。在国内外主要集中应用在真空检漏及残气分析,而针对真空离子源工作时的质谱分析较少,在国内未见相关报道[3,4] 。本文利用四极质谱仪对离子源工作瞬间的放气成分进行了研究,实现了四极质谱计对离子源放电过程中产生气体的成分分析。研究工作的开展对了解离子源放电特性及绝缘介质材料选择具有重要意义。

1、脉冲真空弧离子源的结构

  脉冲真空弧离子源是一种火花离子源,主要由绝缘介质、阴极、阳极几部分组成,其电极为吸附氢的金属钛。脉冲真空弧离子源在未工作时处于高真空状态,放电开始时,脉冲电源在离子源的电极之间施加上一个脉冲高压,离子源电极之间发生火花流光击穿,受带电粒子的轰击,钛电极被局部蒸发并释放出吸附的氢,氢气被电离而形成等离子体。由于离子源工作放电时基本上是沿着绝缘介质片的表面进行,在放电过程中,除了形成有用氘离子(含氘原子离子、氘分子离子)外,质离子,如材料表面吸附气体、金属钛离子及绝缘子介质高温下分解所形成的各种杂质离子,这些杂质离子对于器件本身的应用没有任何价值,而且会影响相关器件的性能指标,因此如何减少杂质离子对于器件本身具有重要的现实意义。本文分别选择了云母、石英及陶瓷作为绝缘介质进行对比实验分析。

2、脉冲真空弧离子源的质谱分析实验

2.1、实验装置及实验过程

  实验系统的原理框图如图1 所示,主要由真空系统、烘箱、真空计及质谱仪构成。真空系统机械泵、吸附泵作为前级泵,溅射离子泵作为主泵的超高真空系统,极限真空可达10- 6 Pa量级。考虑到四极质谱仪中非线性因素的存在,其测量上限受到总压强的限制,因此,离子源工作时的上限真空度应在四极质谱的工作范围内。实验中采用德国普发真空的QMS200 四极质谱仪作为质谱检测仪器,该质谱仪的工作上限真空度为10- 2 Pa,满足该实验的要求。实验过程中使用棒峰谱扫描方式扫描残余气体谱图。扫描质量数范围为:1~45 amu(质荷比),SEM(二次电子倍增器)电压1400 V,发射电流2 mA,分辨率25,阴极电压90 V,聚焦电压8 V。为了正确得出气体成分的定性分析结果,要求四极质谱仪本身工作时满足一定的峰高稳定性和峰位稳定性。

脉冲真空弧离子源质谱诊断系统

图1 脉冲真空弧离子源质谱诊断系统

  实验前,为了减少系统放气并降低本底真空,对真空系统进行12 h 低温烘烤;对四极质谱杆进行了烘烤排气,冷却到室温后系统能够维持在较高的真空度(10- 5 Pa)。

  为了避免真空泵将工作气体抽走影响测量准确度,在脉冲真空弧离子源工作时,关闭角阀3 和角阀4,停止真空泵运行,打开角阀2 运行质谱计,待分析系统内的真空度稳定后(10- 4 Pa),记录此时的静态真空本底残余气体谱图,作为后续分析的参考依据。考虑到测量的准确度、结果的重复性、复现性、操作性,每个离子源重复触发五次,每次触发间隔2 min;为使质谱计扫描的周期时间段相同,每次触发的时间点与四极质谱的扫描时间点同步。

  试验中使用的3 个离子源在结构上基本一致,主要区别是采用的绝缘介质不同,其中1 号离子源的绝缘介质为陶瓷、2 号离子源的绝缘介质为云母、3 号离子源的绝缘介质为石英。

3、结论

  质谱法能够实时测量脉冲真空弧离子源冲工作瞬间的气体成分,对了解离子源放电特点和放电机理具有重要的意义。本文利用现有设备建立了脉冲真空弧离子源工作瞬间的放气成分质谱分析系统,初步取得了对脉冲真空弧离子源放电空间的增量成分分析;开展了不同绝缘介质对离子源工作性能的影响研究,明确了绝缘介质对离子源工作性能的重要影响;但因设备限制,其结果可能有较大误差。如何进一步对其进行更加准确的定性分析,从而逐步达到定量测量的目的是质谱法测量努力的方向。本项工作的进一步开展对研究脉冲真空弧离子源的放电过程及机理研究具有较重要的研究分析价值。

  致谢:本工作在离子源装配、封接过程中得到了马迎英、马蔚珊、梁莉、欧丽等同志的热心帮助,在此向他们表示衷心的感谢!

参考文献

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