摘要：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。
关键字：磁过滤器；Bilek偏压；数值模拟；ANSYS有限元软件；大颗粒
中图分类号：TG174.4；TB74文献标识码：A文章编号：1002-0322（2010）01-0079-04
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；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。
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。
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。
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。
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。
2.磁过滤器的结构和磁场设计
对磁场位形的优化设计，主要是在磁过滤器外侧壁增加对称的永磁体（见图1）分布。一方面，提高了弯管内整体的磁场强度；另一方面，在不改变通道内磁场位形的基础之上，提高了磁过 滤器出口附近的磁场强度的均匀性。
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，在一定程度上提高了镀膜质量。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)，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 吸收更大的电子流，而同时正电位的Bilek板使磁 过滤弯管有大得多的传输效率。在此设计的磁过 滤器中继续使用Bilek板偏压的方法。
而对一般的弯管过滤中等离子体的损失过 大的问题，主要解决的办法是，保持原来的磁过 滤器入口大小不变的条件下，增大磁过滤器出口 面积的方法。一方面，仍保持弯管过滤的效果；另 一方面，结合磁场位形的改变，在提高出口面积 的同时，不仅增大了离子束的面积，而且也提高 了离子束的均匀性；
综合考虑磁场位形、偏压、以及磁过滤器结 构的情况，设计如下结构的磁过滤器（见图1）。
3.电磁场的数值模拟
磁过滤器的电磁场数值模拟是基于麦克斯 韦方程组的求解：
具体求解采用ANSYS10.0有限元分析软件，对磁过滤器进行二维有限元分析，给出磁过滤器内部以及出口的电磁场分布。对计算结果以及与实验结果进行对比分析,根据分析指导改进设计。
考虑到聚焦磁场对磁过滤磁场的影响，这里在把磁过滤器磁场和聚焦磁场一起进行数值模拟。磁过滤器内部磁场线分布见图2，可知磁过滤 器内部磁场线基本上沿着弯曲管道方向；图3为 Bilek板在100 V偏压下，管道弯管为地电位时的电势分布。结合图2和图3可知，磁场线的分布和等势线的分布基本相同，形成了正交的电场和磁场线，达到了对磁过滤器内部磁场位形的要求。
由磁过滤器的磁场等值线的分布图4可知， 若在磁过滤器外侧面加上永磁体后，整体上增强了靠近磁过滤器外侧的磁场强度的大小，并且使其出口平面附近的磁场强度的大小基本相同。图5为有无外侧永磁体的情况下的出口平面的磁场 强度分布，在有外侧永磁体的情况下，整体磁场强度的大小增加，并且基本上接近一水平线，最大与最小磁场的差值为0.0015 T；在没有外侧永磁体的情况下，磁场强度的分布从内测到外侧是一条下降的曲线，且最大与最小磁场差值为 0.008 T，是有外侧永磁体时的5.3倍。
为了进一步验证模拟结果的正确性，采用 高斯计对出口平面的磁场强度进行实际测量， 并且比较了在有永磁体时的试验测量结果和 数值模拟结果（见图6）。取内侧为坐标原点， 从图6可知试验测量结果和数值模拟结果有 很好的吻合。
4.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：
（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。
（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。
（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。
（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。
上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com
最近更新