對(duì)于陰極弧離子源，磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)是提高其性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)現(xiàn)有磁過(guò)濾器對(duì)大顆粒過(guò)濾不足之處，本文利用永磁體優(yōu)化磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)位形,并且增大磁過(guò)濾器出口面積等方法，對(duì)彎管磁過(guò)濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。由模擬結(jié)果可知:此過(guò)濾器具有彎管過(guò)濾、Bilek 偏壓、較大的出口面積、出口平面磁場(chǎng)強(qiáng)度大小均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。

　　陰極弧離子源技術(shù)自70 年代問(wèn)世以來(lái)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，蒸發(fā)材料的離化率高，離子能量高，沉積速率高等優(yōu)點(diǎn)，已在沉積硬質(zhì)耐磨薄膜、裝飾薄膜方面得到成功應(yīng)用，但是陰極弧產(chǎn)生的大顆粒對(duì)鍍膜質(zhì)量有較大的影響。隨著陰極弧等離子體工業(yè)應(yīng)用的日益廣泛，特別是陰極弧等離子體制備納米疊層膜和超硬膜等新一代表面技術(shù)的出現(xiàn)，消除大顆粒和提高陰極弧等離子體傳輸效率研究工作受到普遍重視，成為研究熱點(diǎn)針對(duì)消除大顆粒有較多的研究工作消除大顆粒的措施主要分兩類(lèi)：

　　①磁場(chǎng)控制弧斑法；

　�、谶^(guò)濾法。

　　第一類(lèi)方法試圖從起源上消除大顆粒，但效果較差^[1] 。過(guò)濾法包括直管過(guò)濾、彎管過(guò)濾、方桶過(guò)濾、視線(xiàn)遮擋過(guò)濾、百葉窗過(guò)濾、旋轉(zhuǎn)葉片過(guò)濾等^[2] 。迄今為止，磁過(guò)濾彎管是廣泛采用的簡(jiǎn)單而較有效的濾除大顆粒方法，并有較大的等離子體輸出量。盡管這樣，磁過(guò)濾彎管仍有等離子體損失大的缺點(diǎn)，影響工作效率，為此人們提出一些改進(jìn)磁過(guò)濾彎管傳輸效率的方案。Bilek^[3]提出了在磁過(guò)濾彎管內(nèi)部外側(cè)面上鋪偏壓板(Bilek板)，與整管偏壓相比，這樣的偏壓形式在反射正離子的同時(shí)又可減少電子在管壁上的損失在磁過(guò)濾彎管是地電位條件下， 與地電位時(shí)Bilek 板相比， 正電位的Bilek 板要吸收更大的電子流，而同時(shí)正電位的Bilek 板也使磁過(guò)濾彎管有更大的傳輸效率。

　　盡管現(xiàn)有的磁過(guò)濾器在過(guò)濾大顆粒方面起到一定的作用，但是在高效、高質(zhì)量的鍍膜技術(shù)中就略顯不足，比如光學(xué)鍍膜等。所以根據(jù)磁過(guò)濾技術(shù)的要求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型磁過(guò)濾器，并且對(duì)此磁過(guò)濾器內(nèi)部的電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1、陰極弧離子源磁過(guò)濾器對(duì)磁場(chǎng)的要求

　　對(duì)磁過(guò)濾器的設(shè)計(jì)，包括很多參數(shù)，如幾何形狀、磁場(chǎng)分布、電勢(shì)以及偏壓類(lèi)型等。這些參數(shù)的優(yōu)化組合依賴(lài)于管中等離子體的參數(shù)，又與真空弧電流及陰極材料相互依存。

　　首先，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求，必須能使電子被約束在過(guò)濾器中而離子在正交的電磁場(chǎng)的相互作用下被加速引出。因此過(guò)濾器的長(zhǎng)度L 要大于電子的拉莫爾回旋半徑而遠(yuǎn)小于離子的拉莫爾回旋半徑^[4] ：

　　其中，Ud 是放電電壓，qi 是離子的電量，B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度，mi 是離子質(zhì)量，me 是電子質(zhì)量。這個(gè)關(guān)系式是過(guò)濾設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　其次，是對(duì)磁場(chǎng)位形的要求，在磁過(guò)慮器內(nèi)部的磁場(chǎng)盡可能地和電場(chǎng)線(xiàn)正交，這樣在正交電磁場(chǎng)所形成的洛倫茲力作用下離子被加速引出。因?yàn)橐�出離子束的均勻性在很大程度上取決于出口平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性，故在磁過(guò)濾器出口平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度要盡可能地均勻。

　　最后，聚焦磁場(chǎng)與磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)之間最佳比率也是很重要的^[5] 。聚焦磁場(chǎng)太低，進(jìn)入磁過(guò)濾器的等離子體將受到磁鏡的反射作用；反之，部分磁力線(xiàn)又將穿過(guò)管壁，造成等離子體的復(fù)合損失。所以在設(shè)計(jì)磁過(guò)濾器磁場(chǎng)時(shí)，一定要考慮聚焦磁場(chǎng)的影響。

4、結(jié)論

　　本文根據(jù)陰極弧離子源磁過(guò)濾器對(duì)磁場(chǎng)的要求，在增大磁過(guò)濾器出口面積以及Bilek 偏壓的基礎(chǔ)上，利用永久磁鐵來(lái)優(yōu)化磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)位形設(shè)計(jì)了新型的彎管磁過(guò)濾器。最后利用有限元法對(duì)設(shè)計(jì)的磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，由模擬結(jié)果可知此過(guò)濾器具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

　�。�1）具有彎管磁過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)。在彎管內(nèi)等離子體傳輸?shù)姆较蛏辖�立一個(gè)磁力線(xiàn)彎曲的磁場(chǎng)，其磁力線(xiàn)具有一定偏轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)半徑，等離子體將會(huì)沿著這條磁力線(xiàn)的方向傳輸而不帶電的微粒會(huì)以直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)而被分離開(kāi)。

　�。�2）Bilek 板偏壓。這樣的偏壓形式在反射正離子的同時(shí)又可減少電子在管壁上的損失，在磁過(guò)濾彎管是地電位條件下，正電位的Bilek 要吸收較大的電子流，而同時(shí)正電位的Bilek 板也使磁過(guò)濾彎管有更大的傳輸效率。

　�。�3）較大的出口平面面積。適合較大面積的鍍膜過(guò)程，并且大面積的離子束能提高成膜的均勻性。

　　（4）出口平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小基本相等。由于離子的運(yùn)動(dòng)受到磁場(chǎng)的約束，所以磁場(chǎng)的均勻性保證了出口平面離子束的均勻性。

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