金属离子源磁过滤器磁场位形的设计与实验研究

　　根据磁过滤器对磁场的要求，利用水冷铜管产生的反向磁场，设计一个轴向磁场较弱的磁镜式磁过滤器。由数值模拟和实验研究的结果可知：磁过滤器磁场位形是一个轴向较弱的磁镜式磁场分布；并且在磁过滤器的出口处，磁场强度的均匀性较好；还增强了水冷铜管和磁过滤器壁之间的磁场。由离子束测试实验可知在加反向磁场时离子束的均匀性比没有反向磁场时高很多。

　　金属离子源由于其高离化率、高离子能量、高效率、高沉积速率等优点，在镀膜技术、离子注入技术中有着重要的应用。由于离子源中熔化的金属包含金属离子、金属蒸气、宏观粒子团等，并且在高熔点金属材料中的电弧中会夹杂大量的块状颗粒。这些宏观离子团和块状颗粒会造成工件表面粗糙，膜和基底的结合力降低等缺陷。此外，在高质量的镀膜中，提高离子束的均匀性、消除大颗粒和提高金属离子源的效率对镀膜的均匀性以及膜和基底的结合力都有着极其重要的作用。当前采取的主要措施有利用几何挡板法、磁场控制弧斑法以及磁场过滤法。

　　几何挡板法的传输效率较低，而利用磁场控制弧斑法的效果较差。磁过滤法是利用磁场来控制金属离子的运动方向，使其沿着设计的磁场方向到达离子源的出口，最终达到被镀件表面，由于磁场的存在宏观离子团和块状颗粒则不能达到出口处。其具体的实现的方法很多，不过目前广泛采用的有效的滤除大颗粒方法是利用磁过滤弯管，在一定程度上得到较大的等离子体输出量。但仍存在金属离子损失大、离子束均匀性差等缺点。所以为了解决现在磁过滤器存在的不足之处，提高金属离子源的效率，本文设计了一个轴向磁场较弱的磁镜式磁过滤器。通过数值模拟磁过滤器内部的电磁场分布，以及利用实验测量粒子束分布结果，来分析磁过滤器在过滤离子源中的宏观离子团和块状颗粒和提高引出均匀离子束两个方面的优点。

1、磁过滤的磁场位形的设计

　　金属离子源磁过滤器的结构如图1 所示。此金属离子源可工作在直流、脉冲两种方式下，能够产生大面积、高能量的离子束。其磁场位形主要由稳弧线圈、聚焦线圈、发散线圈、汇聚线圈以及水冷螺旋铜管产生。而磁过滤器部分主要由发散线圈、汇聚线圈以及水冷螺旋铜管构成。发散线圈和汇聚线圈之间产生磁镜磁场位形，透镜磁场先将等离子体发散，之后再在汇聚线圈处汇聚进入金属离子的引出区，提高了等离子体的均匀性，而水冷铜管的作用是产生与磁镜磁场轴向相反的磁场，这样进一步提高了等离子体的发散特性和汇聚特性，还有助于提高引出离子束的均匀性。

图1 磁过滤器的结构

2、磁过滤的电磁场模拟

　　利用二维有限元分析法得到磁过滤器内部以及出口的电磁场分布，并且把此结果与实验结果进行对比分析，来验证此离子源此过滤器设计的合理性。由于磁过滤磁场会受到聚焦磁场的影响，故把磁过滤器磁场及稳弧和聚焦磁场一起进行数值模拟。由图2 磁过滤器内部磁力线的分布结果可知磁过滤器内部形成轴向较弱的磁镜场，并且此磁场位形是由聚焦磁场与磁过滤器的磁场共同形成的，再结合图4 磁感应强度B 的等值线分布，更容易看出聚焦磁场与磁过滤器磁场之间搭配的合理性；图3 为电场的等势线分布。结合磁力线和电场等势线的分布结果可知，两者基本相吻合，即形成了正交的电场和磁力线( 磁感应强度B 与电场强度E 垂直) ，这样金属离子就能在正交的电磁场的洛伦兹力的作用下加速引出离子源。

图2 磁过滤器内磁场的分布

　　图4 为磁通密度的等值线分布，在汇聚线圈的下方磁通密度的分布比较均匀，并且在磁过滤器内中轴线上磁场较弱，而在水冷螺旋铜管和磁过滤管壁之间的磁场较强。从图5 在水冷铜管上表面有无反向磁场时磁场分布的比较，更明显地看出有无反向磁场时的磁场大小分布的变化。水冷铜管产生的反向磁场的作用：首先提高了发散线圈所产生磁场的发散性，不仅减弱了轴向磁场，还增强了水冷铜管和磁过滤器壁之间的磁场，这样有利于把金属离子和大颗粒子的带电粒子分开；第二，使得出口平面磁场的均匀性有所提高，即提高了引出离子束的均匀性，从图6 有无反向磁场时在距离出口200 mm 处离子束的分布来看，在加反向磁场时的离子束在- 50~ 50 mm之间更均匀；再次，就是在螺旋形的水冷铜管能阻挡一部分大颗粒的带电粒子，减少了镀膜中大颗粒的影响，提高了镀膜质量。

图3 电场的等势线分布

3、总结离子束测试

　　实验时，通过常规金属离子源电源给离子源供电，工作在直流方式下，Ar 流量为6.1ml/ min ( 标准状态下) 、真空度2.2 × 10^{- 2} Pa、电弧电流60 A、引出电压4 kV、抑制电压800 V、水冷铜管的电流为15 A。

图4 磁通密度的等值线分布

　　在距离离子源0.2 m 的地方，放置一个自制的静电探针，测得离子束的径向200 mm 的范围内的分布( 见图6) 。可知离子束在直径10 cm 左右较均匀，从有无反向磁场来比较，在加反向磁场时的离子束在- 50~ 50 mm 之间更均匀。并且根据测量用的探针截面的大小和测得的电流的大小，可计算出均匀的离子束电流密度为1.14 A/ m²。

图5 在水冷铜管上表面磁场强度的分布

图6 离子束径向分布

4、总结

　　为了提高强流金属离子源引出离子束的均匀性，利用水冷铜管产生的反向磁场使得磁镜式磁过滤器的出口处磁场的均匀性大大提高；不仅减弱了磁镜场的轴向磁场，还增强了水冷铜管和磁过滤器壁之间的磁场，这样有利于把金属离子和大颗粒子的带电粒子分开，使得大颗粒被水冷铜管处的挡板所阻挡，而金属离子在发散区被发散，之后再在汇聚线圈处汇聚进入金属离子的引出区。由离子束流的径向分布实验可知，在距离源头200 mm 左右，从有无反向磁场来比较，在加反向磁场时离子束的均匀性更好，这充分说明了所设计的轴向较弱的磁镜式磁过滤器是符合设计要求的。