端部霍爾離子源的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

1、第 43 卷第 3 期2006 年 5 月 12 月真 空vacuumvo l. 43, no. 3m ay. 2006端部霍爾離子源的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬汪禮勝, 唐德禮, 熊濤, 陳慶川(核工業(yè)西南物理研究院, 四川 成都 610041)摘 要: 首先簡(jiǎn)單介紹了用于離子束輔助沉積的端部霍爾離子源的工作原理, 然后分析了其性能對(duì)磁場(chǎng)的要求, 據(jù)此介紹了磁路組件的設(shè)計(jì)。最后, 采用a n sys 大型有限元分析軟件對(duì)一個(gè)條形的端部霍爾離子源的磁 場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算, 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較, 獲得了滿意的結(jié)果。 通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析, 獲得了對(duì)該離子 源磁場(chǎng)分布的直觀深入的認(rèn)識(shí), 為具體的端部霍爾

2、離子源的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞: 端部霍爾離子源; 離子束輔助沉積; 磁場(chǎng); 數(shù)值模擬中圖分類號(hào): o 539文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: b文章編號(hào): 100220322 (2006) 0320055204d e s ign an d n um er ica l s im ula t ion of m a gn e t ic f ie ld f or en d- ha ll ion sourcew a n g l i2sh en g,(s ou thw es te rnta n g d e2li, x ion g t ao , ch en q in g2ch u ani n s t itu te o

3、f p hy s ics, c h en g d u 610041, c h in a )a bstra c t: in t ro duce s th e op e ra t ing p r inc ip le o f end2h a ll io n so u rce fo r io n 2beam 2a ssisted depo sit io n and d iscu sse s w h a tm agne t ic f ie ld is requ ired by end2h a ll io n so u rce. t h en , de sc r ibe s th e de sign p

4、r inc ip le s and m e tho d s fo r th e m agne t ism sy stem o f end2h a ll io n so u rce. m o reo ve r, th e m agne t ic f ie ld d ist r ibu t io n o f th e io n so u rce w a s sim u la ted th eo re t ica lly by a n sys so f tw a re, o f w h ich th e re su lt s w e re com p a red w ith tho se o f e

5、xp e r im en t s. it w a s fo und th a t th e se tw o re su lt s co nfo rm w e ll to each o th e r. a na lyzing th e sim u la t io n re su lt s, a v isua l in sigh t in to m agne t ic f ie ld o f th e io n so u rce is ga ined, th u s p ro v id ing a th eo re t ica l gu idance fo r im p ro v ing th e

6、 de sign o f end2h a ll io n so u rce.key word s: en d2h a ll io n so u rce; io n 2b eam 2a ided depo sit io n; m agn e t ic f ie ld; n um e r ica l sim u la t io n傳統(tǒng)的光學(xué)鍍膜主要采用單純的熱蒸發(fā)技術(shù),但這種技術(shù)很難獲得與基底牢固結(jié)合和性能良好的 光學(xué)薄膜。近些年來(lái), 人們根據(jù)航天電推進(jìn)技術(shù)研制 出各種民用離子源, 以實(shí)現(xiàn)離子束輔助沉積。 目前, 用于離子束輔助沉積最具有代表性的離子源是無(wú)柵極端部霍爾離子源1, 2 。這種源以其低

7、能大束流等離子體實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的離子束輔助鍍膜。此外, 材料表面 上沉積的污染物會(huì)影響表面粘結(jié)能力, 可以采用這 種離子源引出的載能離子清洗、活化和強(qiáng)化材料表 面。 為了滿足工業(yè)上大面積離子束輔助鍍膜和等離 子體清洗的需要, 我們研制了一臺(tái)條形端部霍爾離 子源, 該源的尺寸 ( 長(zhǎng)×寬×高) 為 1000 mm ×140 mm ×100 mm , 采用永久磁鐵提供磁場(chǎng), 陰極燈絲采 用直徑為 0. 5 mm 的鎢絲。端部霍爾離子源是以電磁聯(lián)合工作為基礎(chǔ)的,而合適的磁場(chǎng)是這種離子源正常工作的基礎(chǔ), 直接 影響離子源的工作性能。因此, 磁路設(shè)計(jì)是端部霍爾 離子源

8、設(shè)計(jì)的核心。 本文首先簡(jiǎn)單介紹端部霍爾離子源的工作原理, 然后從其工作性能與磁場(chǎng)的關(guān)系開始, 分析這種離子源性能對(duì)磁場(chǎng)的要求, 然后以此 為依據(jù), 探討了該離子源磁路組件的設(shè)計(jì)。 最后, 采用a n sy s 大型有限元分析軟件對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的條形 端部霍爾離子源磁場(chǎng)進(jìn)行模擬, 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較, 獲得了滿意的結(jié)果。通過(guò)對(duì)有關(guān)模擬計(jì)算結(jié) 果的分析, 獲得對(duì)磁場(chǎng)分布更為直觀深入的認(rèn)識(shí), 在 此基礎(chǔ)上為具體的端部霍爾離子源的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo), 以獲得最佳的磁場(chǎng)分布。端部霍爾離子源的工作原理典 型的端部霍爾離子源的基本工作原理如圖 1 所示, 這是一個(gè)截面圖, 實(shí)際的離子源可以做成圓柱 型的, 也

9、可以做成條形的。 在這種離子源中, 陽(yáng)極被 設(shè) 置在離子源的一端, 陰極一般是鎢絲 ( 或空心陰 極)。陽(yáng)極圍成的空間構(gòu)成了離子源的電離室。在離 子源的后部裝有電磁線圈或永久磁體, 以產(chǎn)生沿軸 線方向并逐漸發(fā)散的磁場(chǎng)。 在陽(yáng)極表面附近區(qū)域磁1收稿日期: 2005205210作者簡(jiǎn)介: 汪禮勝 (19762) , 男, 安徽省桐城市人, 工程師, 碩士生。力線和電力線幾乎是正交的, 這種交叉電磁場(chǎng)的存在捕獲了從陰極發(fā)射的電子, 這些電子繞磁力線旋 轉(zhuǎn)并且在陽(yáng)極表面附近區(qū)域內(nèi)作角向漂移, 形成環(huán)形的霍爾電流。 從而增加了電子與中性氣體分子或 原子的碰撞幾率, 提高了氣體的離化率。在陽(yáng)極表面 附近區(qū)

10、域由于電子和中性氣體碰撞電離形成了等離 子體, 其中離子在陽(yáng)極和陰極電勢(shì)差以及交叉電磁 場(chǎng)所形成的霍爾電流的共同加速下, 從離子源下游引出。由于離子在離開加速區(qū)時(shí), 正好處于磁場(chǎng)的端 部, 所以把這種離子源叫做端部霍爾離子源。為電子受到的磁場(chǎng)力造成的電勢(shì)差, k t e 為電子溫度 (ev ) , b 及b 0 為不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度。離子在此 電勢(shì)差的作用下將沿著磁場(chǎng)減弱的方向加速引出。在我們?cè)O(shè)計(jì)的條形端部霍爾離子源中, b為懸浮板上附近軸向磁場(chǎng), b 0 為出口處軸向磁場(chǎng), (b b 0 ) 在5 10 之間4 。在離子束輔助沉積光學(xué)鍍膜中, 離子能量對(duì)光 學(xué)膜層的質(zhì)量影響很大, 一般所需要

11、的最佳離子能量為10 100 ev 5, 6 。通常離子平均能量是放電電壓(陽(yáng)極電壓) 的 60% 左右。 潘永強(qiáng)等人3 對(duì)于端部霍 爾離子源的離子能量和放電電壓的關(guān)系進(jìn)行了研究, 研究表明離子能量在放電電壓較小時(shí)是放電電 壓的70% 左右電子伏特, 當(dāng)放電電壓較高時(shí), 離子能量約為放電電壓的 60% 電子伏特。這主要是由于離 子源本身的磁場(chǎng)分布特性所決定的。為了獲得大面積最佳的輔助鍍膜效果, 一般希 望具有更高的離子束流密度。一般而言, 總離子束流 密度隨著陽(yáng)極電流密度的增加而增加, 但總離子束流密度與陽(yáng)極電流密度的比值主要取決于所采用的4磁場(chǎng)及放電結(jié)構(gòu) 。 開始時(shí)這個(gè)比值隨磁場(chǎng)增加可以線性

12、增加, 但到達(dá)某個(gè)臨界磁場(chǎng)后就飽和了。此外 磁場(chǎng)也不能過(guò)大, 否則放電就不穩(wěn)定, 所以磁場(chǎng)必須 取一個(gè)合適的值。為了提高放電效率、降低放電損失及中性損失,放電區(qū)的磁場(chǎng)一般采用邊緣磁場(chǎng)及發(fā)散磁場(chǎng)。 氣耗 與中性損失相關(guān), j 0 = k 2b v a 12 , 其中 j 0 為中性損 失即未經(jīng)電離的中性氣體量, k 2 為常數(shù), b 為放電 區(qū)的磁場(chǎng), v a 為陽(yáng)極 (放電) 電壓。 可見(jiàn)適當(dāng)采用低圖 1 端部霍爾離子源工作原理圖f ig. 1 sch em a t ic o f end2h a ll io n so u rce端部霍爾離子源結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 不需要柵極, 從 離子源引出的離子能

13、量較低 ( 離子的能量可降低到100 ev 左右) , 并且具有離子束發(fā)散角大、離子束流 密度高等特點(diǎn), 因而使其更利于光學(xué)鍍膜的需要3 。端部霍爾離子源對(duì)磁場(chǎng)的要求最初研究霍爾離子源主要是用于航天推進(jìn)器, 霍爾推進(jìn)器初期設(shè)計(jì)時(shí), 其電離區(qū)域深入推進(jìn)器通 道內(nèi)部, 靠近陽(yáng)極底板表面。 這樣, 盡管軸向電場(chǎng)將 電離出來(lái)的離子沿軸向加速, 但由于徑向磁場(chǎng)的存 在, 這些運(yùn)動(dòng)離子會(huì)受到周向洛侖茲力的作用而偏 離軸線方向, 這極大地降低了推進(jìn)器的性能和壽命, 但是對(duì)于輔助鍍膜來(lái)說(shuō), 離子偏離軸線反而增加了 離子的發(fā)散角度, 使其更利于輔助鍍膜的需要。在端 部霍爾離子源中, 由于磁場(chǎng)的存在, 主要有兩種

14、機(jī)理 產(chǎn)生加速離子的電勢(shì)差1, 2 。 其一, 由于在磁場(chǎng)的平 行方向和垂直方向的電導(dǎo)率相差很大 ( µ ) , 造 成了電勢(shì)分布類似于磁力線的分布, 離子在該電勢(shì) 分布造成的電場(chǎng)作用下向軸中心加速, 該電勢(shì)差只 占陽(yáng)極電壓的一小部分。其二, 由于端部霍爾離子源 的軸向存在較大的磁場(chǎng)梯度, 在該磁場(chǎng)梯度作用下, 電子回旋半徑在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度位置下也不同, 在環(huán) 形軌道上運(yùn)動(dòng)的電子所受的非均勻磁場(chǎng)作用的隨時(shí) 間平均的力平行于磁場(chǎng)并指向磁場(chǎng)減弱的方向 ( 或 逆向磁場(chǎng)梯度方向)。 對(duì)于均勻的等離子體密度, 等2磁場(chǎng)能減少氣耗, 但過(guò)分降低b的離子流, 這并不可取4 。值會(huì)降低所能獲得從以上

15、分析可以知道, 端部霍爾離子源的磁場(chǎng)分布對(duì)離子引出、離子能量、離子束流密度和氣耗等 都有很大影響。 要想得到理想的用于大面積均勻輔助鍍膜、清洗的離子束流, 磁力線的分布必須合理, 如圖 1 磁場(chǎng)分布, 磁力線在陽(yáng)極極靴表面附近幾乎 與其平行, 并且在陽(yáng)極極靴表面附近區(qū)域的磁場(chǎng)較 強(qiáng), 出口處磁場(chǎng)較弱, 磁力線呈發(fā)散狀, 并且懸浮板 上附近軸向磁場(chǎng)與出口處軸向磁場(chǎng)之比在 5 10 之間。磁路組件的設(shè)計(jì)3端部霍爾離子源的磁路組件主要有電磁線圈(或永久磁鐵)、磁極靴等。電磁線圈 (或永久磁鐵) 產(chǎn) 生的磁場(chǎng)在經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的磁極靴的合理引導(dǎo)下, 在離子源陽(yáng)極附近區(qū)域及出口處形成滿足要求的磁 場(chǎng)。磁路的

16、設(shè)計(jì)對(duì)端部霍爾離子源是至關(guān)重要的。如第 3 期汪禮勝, 等: 端部霍爾離子源的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬·57·處磁場(chǎng)就達(dá)不到要求, 如磁力線與等勢(shì)面有一定夾角, 這樣就造成電子在磁力線方向獲得一速度, 電子 就有可能直至陽(yáng)極, 降低了對(duì)電子的約束, 從而降低了電離效率, 降低了離子源的性能。在保證離子源正 常工作所需要的磁場(chǎng)形狀與大小的前提下, 磁路設(shè) 計(jì)還應(yīng)盡量使離子源性能、結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。潘永強(qiáng)等人3 從電磁場(chǎng)和永久磁場(chǎng)兩種模式下 端部霍爾離子源的工作穩(wěn)定性和離子能量以及離子束分布特性的研究和比較中得出, 采用永久磁鐵提 供磁場(chǎng)不僅可使離子源在結(jié)構(gòu)上由于簡(jiǎn)化了水冷裝 置而更加簡(jiǎn)

17、單, 而且在電源上也可以減少一路電源 使操作更方便, 在不影響離子能量的基礎(chǔ)上, 使離子 源的工作穩(wěn)定性范圍增大, 離子束分布均勻性提高。因此, 采用永久磁鐵提供磁場(chǎng), 使這種離子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、性能穩(wěn)定以及成本降低, 這更利于其在工業(yè)中的 應(yīng)用。為了增大離子束輻照面積, 我們?cè)O(shè)計(jì)了尺寸 (長(zhǎng)×寬×高) 為 1000 mm ×140 mm ×100 mm 的條形 端部霍爾離子源, 它是通過(guò)永久磁體提供磁場(chǎng), 這種離子源非常適用于寬面積靶。 如圖 2 是有燈絲的條 形端部霍爾離子源截面圖, 其中永久磁鐵放在離子 源底部, 外圍為磁極靴, 陽(yáng)極和懸浮板采用不導(dǎo)

18、磁的 不銹鋼材料。力線的分布圖, 其上磁極靴的長(zhǎng)度增長(zhǎng)了5 mm , 圖3(c) 是上磁極靴增長(zhǎng)了 5 mm 、增高了 10 mm 時(shí)離子 源磁力線的分布圖。從這幾個(gè)圖中可以看出, 磁場(chǎng)沿著軸方向是發(fā)散的, 在陽(yáng)極表面附近區(qū)域的磁場(chǎng)較強(qiáng), 出口處磁場(chǎng)較弱。圖 3 (a )、3 (b ) 磁力線沿軸向梯 度差不多, 圖 3 ( c) 磁力線沿軸向梯度更大, 但圖 3 (a)、3 (c) 中陽(yáng)極表面附近磁力線與陽(yáng)極表面有一定 夾角, 而圖 3 (b ) 中磁力線在陽(yáng)極表面附近幾乎與其 平行, 因此綜合考慮, 圖 3 ( b ) 這種結(jié)構(gòu)尺寸的離子 源的磁場(chǎng)分布更能滿足設(shè)計(jì)要求。(a) 最初設(shè)計(jì)的尺

19、寸; ( b ) 兩個(gè)上極靴尺寸向里伸長(zhǎng)了 5mm ;(c) 兩個(gè)上極靴尺寸向里伸長(zhǎng)了 5 mm , 同時(shí)增高了 10 mm。 圖 3 不同尺寸的條形端部霍爾離子源磁力線分布f ig. 3 m agne t ic fo rce line d ist r ibu t io n s o f ba r end2h a ll io n so u rce o f d iffe ren t size s為了進(jìn)一步研究條形端部霍爾離子源內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況, 我們通過(guò)a n sy s 有限元軟件模擬了離 子源內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度b 的等值線的分布圖, 如圖 4 所示, 圖右邊的一組數(shù)據(jù)表示的是圖中磁場(chǎng)的等值 線從離子

20、源出口到懸浮板上附近 ( 從上到下) 的 b 值, 單位高斯 (g s)。 從圖中右邊數(shù)據(jù)可以算出懸浮 板 上附近軸向磁場(chǎng)與出口處軸向磁場(chǎng)之比 (b b 0 )為 6 7 之間, 符合 (b b 0 ) 值的范圍, 進(jìn)一步證實(shí)了 這種結(jié)構(gòu)的端部霍爾離子源符合設(shè)計(jì)要求。最初在設(shè)計(jì)這種離子源時(shí), 發(fā)現(xiàn)條形離子源兩端的磁場(chǎng)很難滿足要求, 后來(lái)通過(guò) a n sy s 軟件對(duì)圖 2 有燈絲的條形端部霍爾離子源截面圖f ig. 2 sec t io na l v iew o f ba r end2h a ll io n so u rce w ith f ilam en t條形端部霍爾離子源磁場(chǎng)數(shù)值模擬采用

21、a n sy s 大型有限元分析軟件對(duì)條形端部 霍爾離子源的二維和三維結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元 分析, 通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬, 獲得了比較滿意的結(jié)果, 基 本定性、定量地反映了離子源內(nèi)部磁場(chǎng)的分布。在此 詳細(xì)地給出模擬結(jié)果以及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較, 通過(guò) 對(duì)離子源磁場(chǎng)的模擬可以進(jìn)一步指導(dǎo)改進(jìn)對(duì)離子源 的設(shè)計(jì)。圖 3 為條形端部霍爾離子源的二維磁場(chǎng)分布, 在對(duì)這種離子源磁場(chǎng)的模擬中, 假定陽(yáng)極、懸浮板都 不導(dǎo)磁。圖 3 (a) 是最初設(shè)計(jì)的條形端部霍爾離子源 磁力線的分布圖, 圖 3 (b ) 是改進(jìn)設(shè)計(jì)后的離子源磁4這種離子源兩端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維的磁場(chǎng)模擬, 不斷改變離子源結(jié)構(gòu)尺寸, 最終獲得了合乎要求的磁

22、場(chǎng) 分布。圖5 (a) 是條形離子源端頭處簡(jiǎn)化的三維結(jié)構(gòu), 圖 5 (b ) 是條形離子源端頭處磁力線的三維分布。從 圖 5 (b ) 中可以看出磁場(chǎng)在三面極靴方向上分布基 本均衡, 磁場(chǎng)強(qiáng)度也基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。擬和測(cè)量結(jié)果比較表明, 模擬結(jié)果有很好的可信度,同時(shí)也驗(yàn)證了a n sy s 有限元分析軟件對(duì)離子源的 磁場(chǎng)模擬的可行性。 以該軟件作為離子源的磁路組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)的平臺(tái)是可靠的。圖 6 沿著軸線方向從陽(yáng)極附近到出口處磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較f ig. 6 com p a r iso n be tw een num e r ica l and exp e r im en t

23、a l re su lt s o f m agne t ic f ie ld a lo ng ax is o f end2h a ll io n so u rce f rom ano de ne igh bo rhoo d to ex it圖4 條形端部霍爾離子源內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度b 的等值線的分布圖f ig. 4iso line d ist r ibu t io n o f m agne t ic f lux den sity o f ba rend2h a ll io n so u rce結(jié)論5端部霍爾離子源內(nèi)部磁場(chǎng)的最佳分布是: 在陽(yáng)極表面附近磁力線幾乎與其平行, 并且在陽(yáng)極表面 附近區(qū)域的

24、磁場(chǎng)較強(qiáng), 出口處磁場(chǎng)較弱, 磁力線呈發(fā) 散狀, 并且懸浮板上附近軸向磁場(chǎng)與出口處軸向磁 場(chǎng)之比在5 10 之間。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析, 獲得了對(duì)該離子源磁場(chǎng)分布的直觀深入的認(rèn)識(shí), 同時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知, 采用a n sy s 大型有限元分析 軟件分析端部霍爾離子源內(nèi)部磁場(chǎng)分布是可信的。通過(guò)該軟件模擬磁場(chǎng), 可為具體的端部霍爾離子源 的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo), 以便大量縮短離子源的設(shè)計(jì)周期, 降低設(shè)計(jì)成本, 提高經(jīng)濟(jì)效益。(a)參考文獻(xiàn):1h a ro ld r. kaufm an , r aym o nd s. r o b in so n, r ich a rd ianseddo n. e nd- h a ll io n so u rce j . j. v ac. sc i. t ech no l,1987, a 5 (4)