本发明涉及真空弧离子源，具体是含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量方法及装置。
背景技术：
真空弧离子源利用真空弧放电产生离子，可得到种类多、流强大的离子流，是一类重要的离子源，被广泛应用在加速器、材料表面改性等领域。含氘电极真空弧离子源是一种产生并提供氘离子的装置，是中子发生器的重要部件之一。这种类型的离子源最大特点之一是电极采用吸氘金属，氘气以化合物的形式储存在金属材料内部。放电时，离子轰击和焦耳热使得阴极表面温度升高，氘气从金属内部释放到真空环境中，然后被电子电离产生氘离子。放电时氘分子气压是了解放电过程和提高氘离子流强所需参照的重要参数，因此，对其进行测量尤为必要。然而，放电时氘分子气压变化很快，常用的真空规管等测量装置响应时间不够。此外，由于放电区域小，在不影响放电的前提下，气体探测器很难放置。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量方法，其应用时能在不干扰放电的前提下快速得到局域瞬态氘分子气压。本发明还公开了实施上述含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量方法的装置。
本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、向真空弧离子源的真空腔添加示踪气体；
步骤二、测量放电前通入真空腔的示踪气体气压；
步骤三、测量放电后某一瞬间示踪元素和氘原子的光谱强度，并计算此时示踪元素与氘原子两者光谱强度的比值；
步骤四、采用放电前测得的示踪气体气压除以步骤三所获得的光谱强度比值，得到步骤三测量时刻的瞬时氘分子气压。
进一步的，所述示踪气体为氢。因氢原子和氘原子是同位素，它们的化学性质和光谱性质都非常接近，可认为氢分子和氘分子的离解系数、激发系数等均相同，所以可认为氢原子和氘原子的光谱强度之比等于它们的分子数之比。
进一步的，所述真空腔通入氢气前气压为10-5 Pa量级，所述真空腔通入氢气后气压低于10-3 Pa量级。本发明应用时受真空腔气压和氢分子气压影响较大，本发明通过对真空腔通入氢气前后的气压做出具体限定，能避免氢分子气压过高导致放电形式变为气体放电，不是真空弧放电，离子源内等离子体性质发生改变；还能避免氢分子气压过低导致氢原子光谱信号弱，信噪比太低，使得结果误差大。
进一步的，所述步骤三中收集光谱时采用Hα谱线和Dα谱线。
含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量装置，包括含氘电极的真空弧离子源，所述真空弧离子源设有真空腔及位于真空腔内的离子源阴极和离子源阳极；还包括真空规、氢气瓶、石英玻璃窗、凸透镜、光纤、光谱仪及光谱探测器，所述真空规和氢气瓶均与真空腔接通，所述真空腔的腔壁设有开口，所述石英玻璃窗与真空腔腔壁连接且封闭真空腔腔壁上的开口，所述凸透镜正对石英玻璃窗设置，所述光纤和光谱探测器均与光谱仪连接，且光纤相对连接光谱仪端的另一端的端头设于凸透镜的焦点处。本发明的测量装置应用时，放电前，先向真空腔通一定量氢气，并采用真空规记录氢分子气压，然后放电释放氘气和产生等离子体，等离子体内电子和氢分子、氘分子离解碰撞，产生氢原子和氘原子，然后氢原子、氘原子再和电子发生激发碰撞，激发态的氢原子、氘原子会自发退激，产生光子，用光谱仪将此光子和其它原子光子分离，得到氢原子、氘原子光谱，并用光谱探测器记录下来。本发明根据之前用真空规得到的氢分子气压除以光谱探测器记录的氢、氘原子光谱强度比，即可得到氘分子气压。本发明应用时光谱探测器只能记录单次放电中某一瞬间的光谱，为了得到整个放电过程的光谱，可移动测量时刻位置，扫描整个放电过程。
进一步的，所述氢气瓶与真空腔接通的管路上设置有质量流量计。如此，本发明应用时可通过质量流量计控制通入真空腔内的氢气量，再根据真空规读数，调整通入氢气流量至合适大小。
进一步的，所述氢气瓶与真空腔接通的管路上设置有减压阀。
综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）本发明应用时通过向真空腔内通入示踪气体，然后对比示踪元素原子和氘原子的光谱强度比值，采用光谱强度比值结合通入的示踪气体气压得到氘分子气压。本发明采用光学方法进行测量，具有响应速度极快、不干扰放电等优点，使得本发明应用时便于推广应用。
（2）本发明采用氢气作为示踪气体，因氢原子和氘原子光谱只相差0.18 nm，无论阴极斑位置移动还是放电波动，氢、氘原子受影响的程度都一样，如此，本发明应用时谱线强度比基本保持不变，能进一步提升测量的准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例中测量装置的结构示意图。
附图中标记所对应的零部件名称：1、真空腔，2、真空规，3、离子源阴极，4、离子源阳极，5、氢气瓶，6、减压阀，7、质量流量计，8、石英玻璃窗，9、凸透镜，10、光纤，11、光谱仪，12、光谱探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压的测量方法，包括以下步骤：步骤一、向真空弧离子源的真空腔添加示踪气体；步骤二、测量放电前通入真空腔的示踪气体气压；步骤三、测量放电后某一瞬间示踪元素和氘原子的光谱强度，并计算此时示踪元素与氘原子两者光谱强度的比值；步骤四、采用放电前测得的示踪气体气压除以步骤三所获得的光谱强度比值，得到步骤三测量时刻的瞬时氘分子气压。本实施例在具体实施时，示踪气体采用氢气。为了使本实施例应用时能有效实施并降低误差，本实施例的真空腔通入氢气前气压为10-5Pa量级，真空腔通入氢气后气压低于10-3 Pa量级，为了进一步降低测量误差，本实施例在测量真空腔通入氢气前后的气压时采用多次测量取平均值。因氢原子、氘原子光谱中Hα和Dα谱线最强，两者波长仅相差0.18 nm，因此，本实施例步骤三中收集光谱时采用Hα谱线和Dα谱线，以进一步提升本实施例应用时的测量准确性。
如图1所示，实施上述含氘电极真空弧离子源瞬态氘分子气压测量方法的装置，包括真空规2、氢气瓶5、石英玻璃窗8、凸透镜9、光纤10、光谱仪11、光谱探测器12及含氘电极的真空弧离子源，其中，真空弧离子源设有真空腔1及位于真空腔1内的离子源阴极3和离子源阳极4。本实施例的真空规2和氢气瓶5均与真空腔1接通，真空腔1的腔壁设有开口，石英玻璃窗8与真空腔1腔壁连接且封闭真空腔1腔壁上的开口，即石英玻璃窗8作为真空腔1腔壁的一部分。本实施例的凸透镜9、光纤10、光谱仪11及光谱探测器12均设于真空腔1外，凸透镜9正对石英玻璃窗8设置，光纤10和光谱探测器12均与光谱仪11连接，且光纤10相对连接光谱仪11端的另一端的端头设于凸透镜9的焦点处。本实施例的光谱探测器12采用增强电荷耦合探测器（ICCD）实现，其可获得时间分辨率小于5 ns的光谱，如此，能保证本实施例应用时氘分子气压是瞬态的。本实施例的氢气瓶5与真空腔1接通的管路上设置有减压阀6和质量流量计7，减压阀6具体位于氢气瓶5与质量流量计7之间的管路上，其用于降低使用前的气体压强。
本实施例的测量装置应用时，放电前打开氢气瓶5向真空腔1内排入氢气，质量流量计7控制通入真空腔1内的氢气量，可根据真空规2读数，调整通入氢气流量至合适大小，在通入氢气结束后，采用真空规2得到氢分子气压。放电后，离子源内等离子体由阴极3和阳极4放电产生，等离子体发出的光通过石英玻璃窗8，然后被凸透镜9收集并聚焦，凸透镜聚焦后的信号为光信号，可直接进入光纤，并经光纤10传输至光谱仪11后分光产生氢、氘原子光谱，最后光谱被光谱探测器12记录下来。根据之前用真空规2得到的氢分子气压除以光谱探测器12记录的氢、氘原子光谱强度比，即可得到氘分子气压。本实施例应用时改变测量时刻，即可得到氘分子随时间的变化关系。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。