CN101851747A - 强流金属离子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可工作于直流和脉冲两种模式的大面积、高能强流金属离子源。其特点是它采用磁场控制阴极弧放电产生直流金属等离子体，金属等离子体经磁镜场输运到离子引出区域，再经过栅极加速后获得高能离子束流；在等离子体输运区域中间加有由螺线管形成的反向磁岛，可以提高输出等离子体的均匀性，同时阻挡大颗粒进入离子引出区域，提高离子束流均匀性和稳定性；离子束流引出和加速方式可采用直流或脉冲模式，以获得纯离子束流或等离子体/离子束流；还可以利用送气管在等离子体产生区域充入工作气体，使之参与等离子体放电，获得金属和气体混合的离子束流。本装置可用于在工件上注入和沉积高质量反应薄膜，离子注入和离子镀膜等。
Description
技术领域：
本发明属于离子源和材料表面处理领域，具体涉及一种强流金属离子源。
背景技术：
随着高能气体离子源和金属离子源的发展，尤其是MEVVA离子源的发明，离子注入技术的应用日益广泛。由于MEVVA离子源能产生大部分金属和半导体元素的高能离子流，从而使离子注入技术的应用范围逐渐扩展。离子注入技术大量应用于金属材料表面改性，提高金属材料的表面性能，如摩擦、磨损和抗腐蚀性能等。同时，离子注入技术在半导体和非金属材料的表面处理中的应用也日益广泛，诸如半导体掺杂和陶瓷表面金属化等。离子注入材料表面改性的优点是不改变工件尺寸，但是由于受离子能量局限的影响，离子注入的深度较浅，因此其改性层较薄，从而也限制了离子注入技术的应用。为了提高材料表面改性层的厚度，一般采用离子镀膜方法，在材料表面沉积功能或装饰薄膜，提高材料表面的硬度、耐腐蚀、抗磨损和抗疲劳等性能。但是，离子镀膜由于能量较低，沉积薄膜与基体之间结合力较差。因此，目前通过研制强流金属离子源，将离子注入和离子镀膜结合起来，实现离子注入和沉积的双重功能，从而有效提高被处理材料的表面性能。目前的MEVVA离子源，大多数只能产生脉冲金属离子流，其平均流强和注入效率也受到很大限制。现在离子源主要朝高能、强流和大面积方向发展以适应工业化生产的需要。
发明内容：
本发明的目的是提供一种强流金属离子源，它可工作于直流和脉冲两种模式，产生大面积高能强流金属离子流。
本发明技术内容如下：一种强流金属离子源，包括阴极、水冷阴极座、阳极筒、稳弧线圈、聚焦线圈、触发针、触发线包、输运直管、发散线圈、汇聚线圈、绝缘环、引出栅、支座法兰、抑制栅、支座法兰、高压绝缘环、减速电源和加速电源。阳极筒的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈和聚焦线圈，在阳极筒的上部设有法兰盖，一个倒置“T”形结构水冷阴极座固定在法兰盖的正中，并处于阳极筒内，圆台形阴极与水冷阴极座下端连接。在水冷阴极座的旁边有一个穿过法兰盖的“L”形触发针，触发针的下端的“针钩”正对着阴极的下端面，触发针的上部在法兰盖的上方包裹着一个触发线包。在阳极筒的下部连接有一个输运直管，输运直管与阳极筒之间由绝缘环隔离开来；在输运直管的上、下两端凹槽内分别密绕发散线圈和汇聚线圈，在输运直管内设有水冷螺线铜管；输运直管下端连接引出栅极支座法兰，引出栅极支座法兰对应着一个结构相似的抑制栅极支座法兰，在引出栅极支座法兰与抑制栅极支座法兰之间设有一个高压绝缘环将它们隔开一定的距离，在引出栅极支座法兰与抑制栅极支座法兰相对的位置上分别设有引出栅极和抑制栅极，抑制栅极支座法兰的另一端通过减速绝缘环连接着一个内径相同的圆环形接地法兰，接地法兰通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰与减速电源连接，减速电源的另一端接地；输运直管靠近引出栅极支座法兰的一端通过一根导线依次连接着一个电阻和一个弧放电电源的正极，其阴极通过导线连接着水冷阴极座的上部；阳极筒紧接着绝缘环的一端连着一个高压加速电源，并且该导线同时与弧放电电源的正极连接。
上述的圆台形阴极的锥形角为5°-45°。
上述的弧放电电源为直流电源，其电压为弧放电电源电压为60V-100V连续可调，输运直管与阳极筒之间连接的电阻可为50Ω-1000Ω。
上述的减速电源可以为直流负电源，电压0～-2000V；也可以为脉冲负电源，脉冲电压0～-2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz，
上述的加速电源可以为直流正电源，电压0～10000V；也可为脉冲正电源，脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz。
上述的阳极筒的顶部的法兰上增设送气管。
上述的引出栅极和抑制栅极为由均匀排布的钼丝制成的条形多孔结构。
本发明达到的有益效果：(1)本方案提供了一种可在直流和脉冲两种模式工作，产生大面积、高能、强流金属离子流的装置。本装置产生的直流离子束流最大可达500mA，脉冲离子束流最大可达到2A。(2)输运直管外的发散线圈和汇聚线圈在输运直管中产生透镜磁场，透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区，提高了等离子体的均匀性。在输运直管中间的水冷螺线铜管产生与透镜磁场相反的磁场，进一步加大透镜磁场中间段的发散会聚特性。(3)引出栅极和抑制栅极由钼丝按等间距排列形成条形引出孔，增加等离子体透射引出面积。(4)采用脉冲高压电源时，可获得脉冲高能离子束流，同时在脉冲停断期间金属等离子体也将从引出系统喷射出来，此时获得的是金属离子/等离子体流，即可实现离子注入和沉积的双重功能。
附图说明：
图1是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式1的结构示意图；
图2是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式2的结构示意图；
图3是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式3的结构示意图；
图4是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式4的结构示意图；
图5是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式5的结构示意图；
图6是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式6的结构示意图；
图中，1.圆截锥形阴极 2.水冷阴极座 3.触发线包 4.触发针 5.稳弧线圈 6.聚焦线圈 7.水冷阳极筒 8.绝缘环 9.输运直管 10.发散线圈 11.水冷螺线铜管 12.引出栅极 13.抑制栅极 14.汇聚线圈 15.引出栅极支座法兰 16.高压绝缘环 17.抑制栅极支座法兰 18.减速绝缘环 19.接地法兰 20.减速电源 21.加速电源 22.电阻 23弧放电电源 24.脉冲减速电源 25.脉冲加速电源 26.送气管 27.等离子体产生区 28.等离子体输运区 29.离子引出区 30.法兰盖。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
实施例1
如图1所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为45°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个呈圆筒形的输运直管9，输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与10～20V的可调直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个盘成螺旋圆筒形的水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与电压0～2000V连续可调的直流减速电源20的负极连接，直流减速电源20的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个50Ω的电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个电压0～10000V连续可调的高压直流加速电源21的正极，直流加速电源21的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
圆台形阴极1、水冷阴极座2、触发线包3、触发针4和水冷阳极筒7组成的区域称为阴极真空弧放电区，也称为等离子体产生区27，稳弧线圈5产生轴向磁场约束和稳定弧放电，聚焦线圈6产生的聚焦磁场将等离子体导入输运直管9内部的等离子体输运区28，缠绕在输运直管9入口外侧的发散线圈10和出口外侧的汇聚线圈14在等离子体输运区28产生透镜磁场，透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区29，插入输运直管9中间的水冷螺线铜管11产生与透镜磁场相反的磁场，进一步加大透镜磁场中间段的发散、会聚特性。离子引出区29包含引出栅极12和抑制栅极13，引出栅极12和抑制栅极13由钼丝按等间距排列形成条形引出孔，增加等离子体透射引出面积。在等离子体产生区27，圆截锥形阴极1和水冷阳极筒7之间连接的弧放电电源23，当触发针4在触发线包3带动下接触阴极端面后离开，即在阴极端面产生阴极弧斑，弧放电电源23随即在圆台形阴极1和阳极筒7之间产生稳定的弧放电，产生直流金属等离子体。利用稳弧线圈5产生的轴向磁场和圆截锥形阴极1斜面的夹角来约束和稳定阴极弧放电发生在阴极端面，在5-25mT稳弧磁场作用下，弧放电可以在10-1Pa～10-3Pa的气压下工作，及在高真空下也可稳定工作，从而达到引出高能离子束流的条件。由于稳弧磁场作用，阴极和阳极之间的工作电压在30-60V，弧放电电源23电压在60-100V。聚焦线圈6产生的聚焦磁场将等离子体聚焦进入输运直管9形成的等离子体输运区28。发散线圈10和汇聚线圈14在等离子体输运区28产生透镜磁场，透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区29，插入输运直管9中间的水冷螺线铜管产生与透镜磁场相反的磁场，进一步加大透镜磁场中间段的发散会聚特性，提高等离子体进入离子引出区29的均匀性。当正高压加速电源21通过电阻22施加在引出栅极12上，金属等离子体就从离子引出区中被引出和加速，同时负高压减速电源20施加在抑制栅极13上以抑制高能离子束流轰击所产生的二次电子流返回引出区域。从而获得高能大面积金属离子束流。
实施例2
如图2所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为5°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个呈圆筒形的输运直管9，输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与10～20V的可调直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个盘成螺旋源筒形的水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与脉冲电压为0～2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲减速电源24的负极连接，脉冲减速电源24的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个1000Ω的电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲加速电源25的正极，脉冲加速电源25的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
实施例3
如图3所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为45°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个的输运直管9，输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与10～20V的可调直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极1相当，可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进入离子引出区29，提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与脉冲电压为0～2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲减速电源24的负极连接，脉冲减速电源24的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个500Ω连续可调的电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调高压脉冲加速电源25的正极，脉冲加速电源25的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
实施例4
如图4所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为30°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管9，这样减少等离子体在输运管中间段壁上的损失，提高等离子体输出效率，从而提高离子束流密度。输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与200V的直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个盘成螺旋圆筒形的水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极1相当，可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进入离子引出区29，提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与脉冲电压为0～2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲减速电源24的负极连接，脉冲减速电源24的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个300Ω电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调高压脉冲加速电源25的正极，脉冲加速电源25的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
实施例5
如图5所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为15°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管9，这样减少等离子体在输运管中间段壁上的损失，提高等离子体输出效率，从而提高离子束流密度。输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与200V的直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极1相当，可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进入离子引出区29，提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与脉冲电压为0～2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲减速电源24的负极连接，脉冲减速电源24的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个800Ω电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调高压脉冲加速电源25的正极，脉冲加速电源25的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
实施例6
如图6所示，一种强流金属离子源，它包括阴极1、水冷阴极座2、阳极筒7、稳弧线圈5、聚焦线圈6、触发针4、触发线包3、输运直管9、发散线圈10、汇聚线圈14、绝缘环8、引出栅极12、支座法兰15上、抑制栅极13、支座法兰17、高压绝缘环16、减速电源20、加速电源21、水冷螺线铜管11、减速绝缘环18、接地法兰19、送气管26、电阻22和弧放电电源23。阳极筒7的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈5和聚焦线圈6，阳极筒7的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖30。一个倒置“T”形结构水冷阴极座2从法兰盖30的中心轴线处穿过，并伸入阳极筒7内。圆台形阴极1与水冷阴极座2连接，其中圆台形阴极1的斜边与轴线的夹角为45°；在水冷阴极座2的旁边有一个穿过法兰盖30的“鱼钩”形触发针4，触发针4下端的“针钩”正对着阴极1的下端面，触发针4的上部包裹着一个触发线包3用于引发电离。在法兰盖30的顶部固定有一个送气管26，便于将工作气体如Ar、N2、C2H2等送入等离子体放电区域，使工作气体也参与等离子体放电，气体被活化或部分电离，使输出的金属等离子体/离子流中包含气体等离子体/离子，从而有助于反应注入和沉积。在水冷阳极筒7的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管9，这样减少等离子体在输运管中间段壁上的损失，提高等离子体输出效率，从而提高离子束流密度。输运直管9与阳极筒7之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环8。在输运直管9两端的凹槽内分别密绕发散线圈10和汇聚线圈14，这两个线圈分别与10～20V的直流电源连接。在输运直管9的正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管11，该螺线铜管11的两端固定在输运直管9的侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极1相当，可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进入离子引出区29，提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管9的下端与引出栅极支座法兰15通过螺纹连接，与引出栅极支座法兰15相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰17，引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17通过螺钉固定连接，它们之间设有一个高压绝缘环16，将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰15与抑制栅极支座法兰17相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极12和抑制栅极13。抑制栅极支座法兰17的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰19，它们之间垫有减速绝缘环18，接地法兰19通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰17与脉冲电压为0～2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲减速电源24的负极连接，减速电源24的正极接地。输运直管9靠近引出栅极支座法兰15的一端通过一根导线依次连接着一个100Ω的电阻22和一个电压为60V-100V连续可调的弧放电电源23的正极，弧放电电源23的阴极通过导线连接着水冷阴极座2的上部。水冷阳极筒7紧接着绝缘环8的一端连着一个脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz的可调脉冲加速电源25的正极，脉冲加速电源25的负极接地，并且该导线同时与弧放电电源23的正极连接。
Claims (7)
1.一种强流金属离子源，其特征在于：该强流离子金属离子源包括阴极(1)、水冷阴极座(2)、阳极筒(7)、稳弧线圈(5)、聚焦线圈(6)、触发针(4)、触发线包(3)、输运直管(9)、发散线圈(10)、汇聚线圈(14)、绝缘环(8)、引出栅(12)、支座法兰(15)、抑制栅(13)、支座法兰(17)、高压绝缘环(16)、减速电源(20)和加速电源(21)；阳极筒(7)的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈(5)和聚焦线圈(6)，在阳极筒(7)的上部设有法兰盖(30)，一个倒置“T”形结构水冷阴极座(2)固定在法兰盖(30)的正中，并处于阳极筒(7)内，圆台形阴极(1)与水冷阴极座(2)下端连接；在水冷阴极座(2)的旁边有一个穿过法兰盖(30)的“L”形触发针(4)，触发针(4)的下端的“针钩”正对着阴极(1)的下端面，触发针(4)的上部在法兰盖(30)的上方包裹着一个触发线包(3)；在阳极筒(7)的下部连接有一个输运直管(9)，输运直管(9)与阳极筒(7)之间由绝缘环(8)隔离开来；在输运直管(9)的上、下两端凹槽内分别密绕发散线圈(10)和汇聚线圈(14)，在输运直管(9)内设有水冷螺线铜管(11)；输运直管(9)下端连接引出栅极支座法兰(15)，引出栅极支座法兰(15)对应着一个结构相似的抑制栅极支座法兰(17)，在引出栅极支座法兰(15)与抑制栅极支座法兰(17)之间设有一个高压绝缘环(16)将它们隔开一定的距离，在引出栅极支座法兰(15)与抑制栅极支座法兰(17)相对的位置上分别设有引出栅极(12)和抑制栅极(13)，抑制栅极支座法兰(17)的另一端通过减速绝缘环(18)连接着一个内径相同的圆环形接地法兰(19)；接地法兰(19)通过一个导线接地；抑制栅极支座法兰(17)与减速电源(20)连接，减速电源(20)的另一端接地；输运直管(9)靠近引出栅极支座法兰(15)的一端通过一根导线依次连接着一个电阻(22)和一个弧放电电源(23)的正极，其阴极通过导线连接着水冷阴极座(2)的上部；阳极筒(7)紧接着绝缘环(8)的一端连着一个高压加速电源(21)，并且该导线同时与弧放电电源(23)的正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种强流金属离子源，其特征在于：上述的圆台形阴极(1)的锥形角为5°-45°。
3.根据权利要求1所述的一种强流金属离子源，其特征在于：上述的弧放电电源(23)为直流电源，其电压为弧放电电源(23)电压为60V-100V连续可调，输运直管(9)与阳极筒(7)之间连接的电阻(22)可为50Ω-1000Ω。
4.根据权利要求1所述的一种强流金属离子源，其特征在于：上述的减速电源(20)可以为直流负电源，电压0～-2000V，减速电源(20)也可以为脉冲负电源，脉冲电压0～-2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz。
5.根据权利要求1所述的一种强流金属离子源，其特征在于：上述的加速电源(21)可为直流正电源，电压0～10000V，加速电源(21)也为脉冲正电源，脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的任意一种强流金属离子源，其特征在于：上述的阳极筒(7)的顶部的法兰(30)上增设送气管(26)。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的任意一种强流金属离子源，其特征在于：上述的引出栅极(12)和抑制栅极(13)为由均匀排布的钼丝制成的条形多孔结构。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |