阴极弧离子源磁过滤器的磁场设计与数值模拟

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　　对于阴极弧离子源，磁过滤器的磁场设计是提高其性能的关键技术之一。针对现有磁过滤器对大颗粒过滤不足之处，本文利用永磁体优化磁过滤器的磁场位形,并且增大磁过滤器出口面积等方法，对弯管磁过滤器进行结构和磁场优化设计。由模拟结果可知:此过滤器具有弯管过滤、Bilek 偏压、较大的出口面积、出口平面磁场强度大小均匀分布等优点。
" ~; x7 C# g- q4 G+ A　　阴极弧离子源技术自70 年代问世以来，由于其结构简单，蒸发材料的离化率高，离子能量高，沉积速率高等优点，已在沉积硬质耐磨薄膜、装饰薄膜方面得到成功应用，但是阴极弧产生的大颗粒对镀膜质量有较大的影响。随着阴极弧等离子体工业应用的日益广泛，特别是阴极弧等离子体制备纳米叠层膜和超硬膜等新一代表面技术的出现，消除大颗粒和提高阴极弧等离子体传输效率研究工作受到普遍重视，成为研究热点针对消除大颗粒有较多的研究工作消除大颗粒的措施主要分两类：
　　①磁场控制弧斑法；
6 M& m7 m' W" G7 P- t7 w0 J! M　　②过滤法。
　　第一类方法试图从起源上消除大颗粒，但效果较差[1] 。过滤法包括直管过滤、弯管过滤、方桶过滤、视线遮挡过滤、百叶窗过滤、旋转叶片过滤等[2] 。迄今为止，磁过滤弯管是广泛采用的简单而较有效的滤除大颗粒方法，并有较大的等离子体输出量。尽管这样，磁过滤弯管仍有等离子体损失大的缺点，影响工作效率，为此人们提出一些改进磁过滤弯管传输效率的方案。Bilek[3]提出了在磁过滤弯管内部外侧面上铺偏压板(Bilek板)，与整管偏压相比，这样的偏压形式在反射正离子的同时又可减少电子在管壁上的损失在磁过滤弯管是地电位条件下， 与地电位时Bilek 板相比， 正电位的Bilek 板要吸收更大的电子流，而同时正电位的Bilek 板也使磁过滤弯管有更大的传输效率。
- ?- L8 d  g# m6 ~3 y& I　　尽管现有的磁过滤器在过滤大颗粒方面起到一定的作用，但是在高效、高质量的镀膜技术中就略显不足，比如光学镀膜等。所以根据磁过滤技术的要求，本文设计了一个新型磁过滤器，并且对此磁过滤器内部的电磁场进行数值模拟分析。
1、阴极弧离子源磁过滤器对磁场的要求
　　对磁过滤器的设计，包括很多参数，如几何形状、磁场分布、电势以及偏压类型等。这些参数的优化组合依赖于管中等离子体的参数，又与真空弧电流及阴极材料相互依存。
/ b7 ^: v9 `" j2 [& h7 E5 V　　首先，对磁场强度的要求，必须能使电子被约束在过滤器中而离子在正交的电磁场的相互作用下被加速引出。因此过滤器的长度L 要大于电子的拉莫尔回旋半径而远小于离子的拉莫尔回旋半径[4] ：

　　其中，Ud 是放电电压，qi 是离子的电量，B 是磁感应强度，mi 是离子质量，me 是电子质量。这个关系式是过滤设计的关键。
! {8 g) ~$ B1 _. m' _! B　　其次，是对磁场位形的要求，在磁过虑器内部的磁场尽可能地和电场线正交，这样在正交电磁场所形成的洛伦兹力作用下离子被加速引出。因为引出离子束的均匀性在很大程度上取决于出口平面的磁场强度的均匀性，故在磁过滤器出口平面的磁场强度要尽可能地均匀。
% Y/ E! \: R0 z$ ~- w9 p3 b　　最后，聚焦磁场与磁过滤器的磁场之间最佳比率也是很重要的[5] 。聚焦磁场太低，进入磁过滤器的等离子体将受到磁镜的反射作用；反之，部分磁力线又将穿过管壁，造成等离子体的复合损失。所以在设计磁过滤器磁场时，一定要考虑聚焦磁场的影响。
1 M. W' F  v( ?9 ~% s6 k/ A/ N4、结论
　　本文根据阴极弧离子源磁过滤器对磁场的要求，在增大磁过滤器出口面积以及Bilek 偏压的基础上，利用永久磁铁来优化磁过滤器的磁场位形设计了新型的弯管磁过滤器。最后利用有限元法对设计的磁过滤器的磁场进行模拟，由模拟结果可知此过滤器具有如下几个方面的优点：
8 l- n7 P) m1 |　　（1）具有弯管磁过滤的优点。在弯管内等离子体传输的方向上建立一个磁力线弯曲的磁场，其磁力线具有一定偏转角度和偏转半径，等离子体将会沿着这条磁力线的方向传输而不带电的微粒会以直线运动而被分离开。
+ K2 s( W1 m+ X* M* ^　　（2）Bilek 板偏压。这样的偏压形式在反射正离子的同时又可减少电子在管壁上的损失，在磁过滤弯管是地电位条件下，正电位的Bilek 要吸收较大的电子流，而同时正电位的Bilek 板也使磁过滤弯管有更大的传输效率。
& Z8 c$ ?; H1 {0 A! P$ ?　　（3）较大的出口平面面积。适合较大面积的镀膜过程，并且大面积的离子束能提高成膜的均匀性。
$ }  g5 f9 M; b7 {　　（4）出口平面的磁场强度大小基本相等。由于离子的运动受到磁场的约束，所以磁场的均匀性保证了出口平面离子束的均匀性。
参考文献
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　　[4] Frank Stanley Gulezinski III.Examination of the Structure and Evolution of Ion Energy Properties of a 5kW Class Laboratory Hall Effect Thruster at Various Operational Conditions [D].1999.
　　[5] 王广甫，张荟星.聚焦磁场对系统弧放电和传输效的影响[J]. 北京师范大学学报（自然科学版），2000,36 (3).
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