邓星亮，张书锋*，贾军伟，柴 昊，王 斌，高 婷，李 鹏，崔 爽，李 峥，郎 昊，刘 展

（1.北京东方计量测试研究所，北京100086；2.北京空间机电研究所，北京100076）

0 引言

等离子体态是在一定空间和时间范围内由电子和离子组成的准中性状态。宇宙中超过99.9%的物质是以等离子体状态存在。等离子体在材料改性和表面处理、空间环境模拟、空间电推进等领域应用十分广泛[1-2]。等离子体的物理过程非常复杂，对于等离子体特征参数（电子温度、电子密度）的静电探针诊断缺少溯源性和测试计量标准，因此对诊断准确性的评估一直比较模糊。本文尝试通过建立一套由标准等离子体环境模拟设备和标准静电探针测量设备组成的探针校准装置，来解决静电探针的校准和不确定度评估问题，其中标准等离子体环境模拟是一项关键技术。微波电子回旋共振（ECR）等离子体源具有电离率高、放电气压低、产生等离子体面积大等特点，常被用在空间等离子体环境模拟装置中。但ECR 源的供应商和使用者却很少详细研究其放电参数特性[3-6]。

本文针对实验室研建的探针校准装置中使用的永磁ECR 等离子体源进行试验研究，分析不同微波管电流和气压等放电条件对等离子体参数的耦合作用，以及ECR 等离子体特征参数的可调节性、长时间运行的稳定性、空间分布的均匀性及多次放电的重复性等，以验证使用永磁型ECR 等离子体源作为探针校准装置中的标准等离子体发生器的可行性。

1 试验装置和测量系统

用于探针校准的标准等离子体环境模拟装置主要由真空系统、静电探针诊断系统和ECR 等离子体源组成，其结构如图1所示。真空系统由涡轮分子泵及机械泵搭建的真空抽气系统和φ1000 mm×1500 mm 的圆柱形真空腔室组成。真空腔室的极限真空度可达5.0×10-5Pa，试验时的实时真空度测量和显示通过2组校准后的高精度电离规完成。静电探针诊断系统由水平和竖直方向2组静电单探针组成：水平方向的静电单探针为φ0.5 mm×10 mm的L形圆柱探针，安装在行程为600 mm×300 mm的二维移动平台上，该平台固定在真空腔室中的水平台上；竖直方向的静电单探针为φ0.4 mm×10 mm的圆柱探针，安装在行程为600 mm 的一维移动平台上，该平台通过波纹管与真空腔室外的测控设备连接，其重复定位精度优于0.1 mm。试验中，水平和竖直方向探针的位置分别由其所在移动平台控制。

图1 ECR 等离子体环境模拟装置和探针测量系统布局Fig.1 ECR plasma environmental simulation device and probe arrangement

ECR 等离子体源的性能是整个等离子体环境模拟系统的关键，其永磁ECR 等离子体源为直接耦合型，由磁控管、激励腔、环形器、三销钉、水负载、等离子体放电室、永磁铁、进气口和接口法兰组成，如图2所示。磁控管和激励腔的主要作用是以特定频率为系统提供连续可调的微波能量输出；环形器、三销钉和水负载的主要作用是将微波源提供的微波能量以最低的损耗传输给等离子体放电室，并确保在放电室中等离子体负载特性变化时，系统均能在匹配状态下稳定工作；等离子体放电室的主要作用是保证微波输出能量在放电区域形成特定的模式分布，稳定激发并维持等离子体；等离子体放电室外围永磁铁的主要作用是在反应腔内横过放电截面处形成一个875 G 轴向可变的ECR 层，以激发产生微波等离子体；进气口的作用是将放电气体通入放电腔；接口法兰的作用是将整个ECR等离子体源与真空腔室密封连接，其内部呈喇叭口形状，可使电离产生的等离子体稳定扩散至真空腔室中[7-8]。

图2 直接耦合型ECR 等离子体系统Fig.2 Direct coupled ECR plasma system

2 诊断处理方法

探针校准用的标准等离子体环境模拟装置应具备长期使用的稳定性，试验以半年为周期，选取多个时间点对等离子体源进行测试，相邻测试时间间隔不小于10 d，每组测试时的放电气压分别选取10-3～1 Pa 之间的不同压力，研究微波管电流变化对等离子体参数的影响和多次放电的重复性。

以标准差σ和变异系数cv作为重复性的评估标准：标准差和变异系数的值越小，则重复性越好。二者的计算式分别为：

等离子体源的放电参数稳定后，探针校准装置中的等离子体特征参数应在一定的空间范围内保持均匀。使用静电探针测量不同放电条件下腔室水平和垂直方向等离子体特征参数的空间分布均匀性U，

式中：N为等离子体特征参数；L为空间尺度。

等离子体源的放电参数稳定后，探针校准装置中的等离子体特征参数应在一段时间内保持稳定。试验过程中，在不同放电条件下，使用静电探针测量腔室不同空间位置处等离子体参数在2 h 时间内的稳定性S，

式中T为时间尺度[9-10]。

放电前，使用标准温湿度表WS-508C对放电腔室内温度和实验室环境温度进行测量，温湿度表的测温范围为0～50℃，分辨率为0.1℃，精度为±1℃；测湿范围为0.1%～99.9%RH，分辨率为0.1%RH，精度为±5%RH。控制每次放电试验前的放电腔室温度为(20±1) ℃，湿度为(50±10)%RH。使用ALICAT 21型质量流量控制器调控放电气体（氩气）进气量，其量程为0～2 L/min，精度为±(0.8%RD+0.2%FS)，重复性为±0.2%。该流量计内置绝压和温度传感器，可充分补偿因压力和温度引起的体积流量和质量流量间的差异，并对设定的流量进行反馈修正，通过调节质量流量控制器中的阀门开度控制放电气体的流量。试验前，将微波源进气口的针阀全部打开，对管路进行充分洗气。试验所用ECR 源放电所需磁场由环形永磁体提供，磁场位形为扩散型。根据图1所示的测量系统布局和右下角的坐标关系，探针诊断区域内y和z方向的磁场强度（By和Bz）相同；杨涓等的试验研究表明[4,11]，仅与探针方向平行的磁场会对电子收集产生影响，故本文使用测量范围0～200 mT、分辨率0.01 mT的霍尔效应高斯计（特斯拉计）HT201 测量探针诊断区域内x和y方向的磁场强度（Bx和By），测量点间隔50 mm，测量结果如图3所示。

图3 探针诊断区间的水平和竖直方向磁场强度分布Fig.3 Distributions of horizontal and vertical magnetic field strength on the diagnostic area of the probe

由图3可见，在探针诊断区域，竖直方向的磁场强度By小于水平方向的磁场强度Bx，By最大值仅为2.3 mT，且随着测量点与等离子体源出口距离的增加迅速减小到0 mT，因此将L形探针按水平方向布置可最小化磁场的影响。同时，根据测量位置的磁场强度估算的电子拉莫回旋半径（约1.4 mm）远大于探针半径（0.25 mm），故在诊断过程中可按传统探针理论计算等离子体参数，磁场对探针测量结果的准确性无影响。通过改变三销钉调节器的位置，观察微波源的反射功率，将三销钉分别调节并固定在销钉刻度为19.12 mm、21.64 mm、26.72 mm 的位置，此时反射功率相对较小。

试验过程中，等离子体参数是通过在真空系统水平和竖直方向布置的静电探针来测量的，需要选择合适的静电探针理论和参数拟合方法，尽可能准确地得到等离子体参数。实验室自行设计的静电单探针尺寸很小，且根据特斯拉计的测量结果，在探针测量区域受ECR 等离子体源磁场的影响很小，满足探针无碰撞鞘层理论。根据探针扫描得到的伏安（I-V）特性曲线，可通过

使用LabVIEW 软件编写等离子体参数的计算程序，利用插值和拟合2种方法对采集到的探针电压和电流信号进行处理，根据处理后的I-V特性曲线计算出等离子体参数。计算程序的前面板如图4所示[15-16]。

图4 LabVIEW 等离子体参数计算程序前面板Fig.4 Front panel of LabVIEW program for calculating plasma parameters

3 试验测试结果分析

探针校准用永磁ECR 等离子体源的放电特性与多个放电参数有关，使用标准测量设备，将放电气压和微波管电流这2个参数外的其他放电参数固定，通过控制变量法分析不同放电气压下等离子体电子温度、电子密度等特征参数随微波输出功率的变化趋势，进而研究ECR 等离子体源的参数可调节性；在半年的时间周期内进行多组试验，研究ECR 等离子体源多次放电的重复性；使用水平和竖直方向的2组静电单探针测量真空腔室内等离子体参数在空间分布的均匀性和长时间的稳定性。

3.1 ECR 等离子体源参数的可调节性和重复性

试验使用的放电气体为高纯氩气（Ar），将真空腔室内极限真空度维持在1.0×10-3Pa，调节进气流量使得真空腔室气压分别稳定维持在5.5×10-3Pa、1.5×10-2Pa、4.0×10-2Pa、6.5×10-2Pa、1.0×10-1Pa 和5.0×10-1Pa。这6组不同的气压覆盖10-3～1 Pa 压力范围，包含ECR 等离子体源的最佳放电气压。调节ECR 等离子体装置的微波源磁控管电流，测量得到不同气压下等离子体特征参数随微波管电流的变化曲线。选择不同时间重复进行多次测量，研究长周期使用的情况下等离子体源放电的重复性。电子密度在不同气压下随微波管电流的变化曲线和重复性如图5所示，其中曲线1～4分别代表在不同时间进行的4组试验，mean 为以这4 组试验曲线的标准差作为误差棒的均值曲线。

由图5可见：ECR 等离子体源在微波管电流增加到20 mA 左右时开始放电，逐渐增加微波源输出能量时，在5.0×10-3～1.0×10-1Pa 的低气压范围，等离子体电子密度整体呈上升趋势，数值范围覆盖1.0×1014～5×1016m-3；在0.1～1 Pa 的较高气压范围，微波管电流达到35 mA 以上放电才会稳定；在相同的放电气压下，4次测量的等离子体电子密度随微波管电流变化曲线的标准差较小，变异系数的平均值为0.165。

以上试验结果表明：不同气压、不同功率下的电子密度特性曲线可以作为ECR 等离子体源的参数调节曲线，且等离子体参数具有较好的可调节性，可以在较大范围内实现等离子体密度参数的定点调节；相同放电条件下进行多次测量时，等离子体源的特征参数具有较好的重复性。

图5 ECR 源电子密度在不同气压下随微波管电流变化曲线和重复性Fig.5 Curvesof electron density against thecurrent of microwavetube at different pressuresand thedata repeatability

3.2 ECR 等离子体源参数的空间分布均匀性

试验过程中，将水平方向L 形圆柱探针针尖从距离等离子体源出口中心处0 mm 位置移至450 mm位置，每隔一定间距测量一组等离子体特征参数；将竖直方向圆柱探针针尖从0 mm 位置向下运动至550 mm 处（竖直方向下移500 mm 时，探针针尖位于等离子体源出口处），每隔一定间距测量一组等离子体特征参数。其中，放电气压4.0×10-2Pa、微波管电流60 mA 时，两探针测量得到的ECR 等离子体特征参数在水平和竖直方向的空间分布均匀性如图6所示。

由图6可见：在真空腔室的水平方向，随着测量点与等离子体源出口距离的增加电子密度呈下降趋势，在0～100 mm 范围下降速率较大（均匀性U=1.92×1014m-3/mm），而在100～300 mm 和300～450 mm 范围下降速率较小（U分别为1.17×1013m-3/mm 和2.67×1013m-3/mm）；电子温度呈均匀下降趋势，下降约2 eV，U=3.98×10-3eV/mm。在真空腔室的竖直方向，随着测量点与等离子体源出口距离先减小后增加，等离子体电子密度先逐渐上升，后在等离子体源出口处趋于稳定，在0～300 mm的范围，密度上升速率较大（U=1.90×1013m-3/mm），在300～600 mm 的范围，密度趋于稳定（U=2.33×1012m-3/mm）；电子温度呈均匀上升趋势，U=2.87×10-3eV/mm。

图6 ECR 等离子体特征参数在水平和竖直方向的空间分布均匀性Fig.6 Spatial distribution of characteristic parametersof ECR plasma in horizontal and vertical directions

以上试验结果表明：微波ECR 等离子体源的特征参数在距离等离子体源出口处300～600 mm（竖直方向）和100～300 mm（水平方向）的空间范围内均匀性较好。

3.3 ECR 等离子体源参数的时间稳定性

将L形圆柱探针固定在距离等离子体源中心100 mm 的位置，测量2组不同放电条件下等离子体源的稳定性，放电条件分别为4.0×10-2Pa、80 mA和1.0×10-1Pa、60 mA，每隔5 min 测量1组数据，持续测量120 min，得到等离子体特征参数的时间稳定性如图7所示。

由图7可见：在4.0×10-2Pa、80 mA 的放电条件下，等离子体密度在2.5×1016m-3左右波动，稳定性S=5.17%（120 min）；电子温度在2.65 eV 上下波动，S=1.71%（120 min）。在1.0×10-1Pa、60 mA 的放电条件下，等离子体密度在4.3×1015m-3左右波动，S=3.78%（120 min）；电子温度在1.50 eV 上下波动，S=2.70%（120 min）。

图7 等离子体特征参数的时间稳定性Fig.7 Time stability of characteristic parameters of ECR plasma

以上试验结果表明：在稳定的放电条件下，ECR 等离子体源的特征参数在长时间内具有较好的稳定性。

4 结束语

本文针对实验室研建的探针校准装置中使用的永磁ECR 等离子体源，通过试验研究了不同气压和微波管电流等放电条件对等离子体参数的耦合作用，发现等离子体参数具有较好的可调节性，可以在较大范围内实现等离子体密度参数的定点调节；放电条件相同的情况下，等离子体源的特征参数具有较好的重复性；ECR 等离子体源特征参数在距离等离子体源出口处300～600 mm（竖直方向）和100～300 mm（水平方向）的空间范围内有较好的均匀性；放电条件保持稳定的条件下，ECR 等离子体源特征参数在长时间内具有较好的稳定性。

通过本文的试验研究，掌握了永磁ECR 等离子体源参数随气压、功率等放电条件的耦合关系；获得了不同气压、功率下的等离子体参数特性曲线，证明ECR 等离子体源的特性满足探针校准用标准等离子发生器的要求，可为后续标准等离子体发生器研制及探针的校准技术研究提供参考。