磁镜场中空心阴极溅射金属等离子体研究

A scientific research project is proposed based on the DUHOCAMIS (Dual Hollow Cathode Metal Ion Source) test bench and its discharge experiments as an ion source, in which it has been found that the arc currents and their resistance could be adjusted in a wide range and both of them were closely related to the bottle-shaped magnetic field of the source. In this proposed project, a series of discharge experiments with multi-parameters on the DUHOCAMIS and different numerical simulations will be done; and the research works will be mainly focused on three aspects: 1) the effects and their mechanism of the bottle-shaped magnetic field to the cathode-sputtered metallic plasma, also the possibility of reducing the cathode-sputtering(erosion) by regulation of the magnetic field; 2) to further understand the function of the bottle-shaped magnetic field in the DUHOCAMIS as a new kind of metal ion sources; 3) to improve the design of the ion extraction and transportation system of DUHOCAMIS using KOBRA3-INP software with a special attention to the remote magnetic fields. This research will have both theoretical and practical values in the fields of ion/plasma sputtering and its applications to metal ion plasma, metal ion sources and metal ion beams.

一系列双空心阴极金属离子源（DUHOCAMIS）的放电实验结果表明，这种离子源放电曲线具有大范围变化弧流阻抗的特性，且与磁镜场中空心阴极溅射金属等离子体密切相关。本项目将基于DUHOCAMIS平台，进行多参数系列的金属等离子体放电实验与分析，结合数值计算模拟，研究磁镜场对于空心阴极溅射金属等离子体的形成与发展的影响规律与作用机制，进一步揭示这种新的离子源结构的物理本质与其作为一种新的金属离子源的基本属性；应用KOBRA3-INP软件进行带有磁场计算的离子源引出与传输系统的三维设计，改善DUHOCAMIS平台的离子束引出和传输效率。通过执行本项目不仅为进一步研发DUHOCAMIS夯实物理基础；而且基于对磁镜场影响空心溅射阴极金属等离子体的研究，还可探讨调整等离子体器壁附近磁场来降低器壁溅射腐蚀的可能性或途径，分析讨论磁镜场影响溅射的基础性问题。

双空心阴极金属离子源（Duhocamis）是在德国GSI间热阴极PIG离子源基础上，于2007年提出来的具有新结构的强流金属离子源，由空心阴极圆筒取代PIG中的空心阳极圆筒，用磁镜场取代其均匀磁场。然而对其空心阴极溅射金属等离子体的形成过程、放电特性及其与PIG放电的相关性了解很少，尤其缺少实验证据。本项目在原有双空心阴极金属离子源实验平台上，主要研究了Duhocamis的放电特征与其空心阴极溅射金属等离子体的形成过程。通过系列变化空心阴极和热阴极电压的弧放电实验，掲示了Duhocamis中空心阴极等离子体形成过程与热阴极弧放电过程及其各自特征、相互关系与协同效应，确立了优化产生所需金属离子的空心阴极和热阴极电位的匹配条件；根据空心阴极的材料性质优化其结构，已经引出10种离子束，开始用于金属离子注入新应用的探索实验。同时对原先实验平台进行了一系列升级改造工作，包括更换上较大间隙的离子束分析磁铁，完善高电位设备的计算机在线控制和新增地电位设备计算机控制。最后完成了全新的在线移动离子引出系统和真空系统的设计、加工和安装。执行本项目为研究双空心阴极金属离子源物理及其新结构新应用提供了新经验新知识，并创造了新的实验条件。