CN102497717A - 一种用于等离子体装置的磁铁及等离子体装置 - Google Patents

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朱昆
赵渭江
付东坡
任晓堂
刘克新
赵红卫
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Abstract

本发明公开了一种用于等离子体装置的磁铁及等离子体装置。本发明的磁铁包括“回”字形实体的磁轭、在磁轭内部的一对磁极以及包围磁极的金属线圈。其中，磁极的形状为梯台型，磁轭为扁平状。本发明的磁铁具有大间隙、高场强、大磁镜比的特点。梯台型的磁极设计，可以使磁间隙中的磁镜比达到2左右，可以很好的约束等离子体，提高等离子体的稳定性。通过磁轭的结构为扁平状的结构设计，可以使磁铁在相同功耗情况下，在相同的磁间隙中产生的磁场强度最大，节省功率20％-50％，因此实现节省功率的目的。从而实现等离子体装置节能、稳定的运行状态，提高装置的使用寿命。

Description

一种用于等离子体装置的磁铁及等离子体装置
技术领域
本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种用于等离子体装置的磁铁及等离子体装置。
背景技术
等离子体在很多领域有广泛的应用，例如等离子体沉积、等离子体刻蚀以及等离子体表面处理等领域。很多等离子体产生装置中需要使用高强度、具有适当位形的磁场来约束等离子体。现有技术中用来产生高强度磁场的磁铁包括“回”字形实体的磁轭、在磁轭内部的一对磁极以及包围磁极的金属线圈。其中，磁极采用圆形磁极结构或者方形磁极结构，这种磁铁存在以下的问题：1)产生大间隙、高强度磁场所需要的功率很高；2)这种结构不利于产生大磁镜比的磁场位形，而大磁镜比的磁场形状有利于等离子体的稳定性。因此，现有的用于为等离子体装置提供高强度磁场的磁铁利用空间小，利用效率低、磁镜比小。
发明内容
针对以上提出的现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于等离子体装置的具有大间隙、高磁场强度、大磁镜比的磁铁。
本发明的一个目的在于提供一种用于等离子体装置的磁铁。
本发明的用于等离子体装置的磁铁包括“回”字形铁框体的磁轭、在磁轭内部的一对磁极以及包围磁极的金属线圈。其中，磁极的形状为梯台型，面积较小的两个台面相对放置，面积较大的两个台面分别与磁轭的上和下横梁相连。
磁轭为扁平状“回”字形铁框体，厚度在20cm以内，宽度在0.8m至1.2m范围内，高度在0.8m至1.2m范围内。
本发明的另一个目的在于提供一种应用上述磁铁的等离子体装置。
本发明的等离子体装置包括离子源、磁铁、磁铁电源以及离子源电源，离子源安放在磁铁的间隙里，其中，磁铁采用如上所述的磁铁。
本发明的用于等离子体装置的磁铁采用梯台型的磁极结构有助于获得大的磁镜比。
由于磁铁的结构设计为扁平状，节省了电源功率。如果使用其他结构的磁铁，在相同高度的间隙中形成同样大小磁场强度，则需要的功率是它的1.5倍至2倍。
本发明的优点：
本发明的磁铁具有大间隙、高场强、大磁镜比的特点。通过扁平状的磁轭结构及梯台型的磁极设计，可以使磁间隙中的磁镜比达到2左右，可以很好的约束等离子体，提高等离子体的稳定性。磁铁在相同功耗情况下，在相同的磁间隙中产生的磁场强度最大，节省功率20％～50％，因此实现节省功率的目的。从而实现等离子体装置节能、稳定的运行状态，提高装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的用于等离子体装置的磁铁的磁轭和一对磁极的结构示意图；
图2为本发明的用于等离子体装置的磁铁的磁轭和一对磁极的立体图；
图3为本发明的用于等离子体装置的磁铁的一种实施方式的一对磁极的立体图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示：本发明的用于等离子体装置的磁铁包括“回”字形铁框体的磁轭11、在磁轭内部的一对磁极12以及包围磁极的金属线圈。其中，磁极的形状为梯台型，面积较小的两个台面相对放置，面积较大的两个台面分别与磁轭的上和下横梁相连。
本发明的一种实施方式的梯台型的磁极包括长方体的磁极底座121以及在其上的梯形的磁极头122，如图3所示。磁极头122的面积较小的台面的长边b1为20cm至30cm，短边a1为2.5cm至4cm；面积较大的台面的长边b2为32cm至40cm，短边a2为4cm至6cm。磁极底座的厚度d在20cm以内。
作为上述实施方式的一种变化形式，梯台型的磁极不包括长方形的磁极底座，只包括梯形的磁极头。
通过调节梯台型磁极的几何结构，可以得到不同的磁镜比。
磁轭11为扁平状“回”字形铁框体，厚度m在20cm以内，宽度1在0.8m至1.2m范围内，高度h在0.8m至1.2m范围内。
由于本发明中磁极的结构采用梯台型，在两个磁极对准的空间，磁场集中，因此能够同时满足大磁镜比和高磁场强度。进一步，这种梯台型结构在不增加功率消耗的条件下，能够增大磁极之间的间隙，提高了磁铁的空间利用率。
下面，通过一套双空心阴极离子源的实施例，对本发明的等离子体装置做进一步阐述。
双空心阴极离子源是一种新型的离子源，该离子源可以通过溅射的方法产生金属离子，具有结构简单、可以高效率引出高纯度高流强的各种金属离子束等优点。金属离子束在镀膜、材料表面改性等领域有非常广泛的应用。
本发明的磁铁用于双空心阴极离子源装置主要分为以下几个部分：双空心阴极离子源、磁铁、磁铁电源以及离子源电源。
双空心阴极离子源安放在大间隙高场的磁铁的间隙里。双空心阴极离子源通过潘宁放电或空心阴极放电使得离子源内的工作气体产生气体等离子体，气体等离子体在空心阴极内与空心阴极相互作用，溅射出金属离子，在空心阴极中产生气体和金属的混合等离子体。
在本发明的一个优选实施例中，磁极的磁极底座为32x13x10cm3的长方体，磁极头的较大的台面为32x13cm2，较小的台面为20x4cm2，高为12cm。磁轭的厚度m为13cm，宽l为103cm，高h为109cm。磁极的间隙为20cm。金属线圈的横截面积为10x19cm。在金属线圈的消耗功率为25kW时，磁间隙中心处的磁场强度为0.58T，磁镜比为1.96。而如果采用圆形或方形磁极头设计，同样的磁间隙宽度情况下，达到相同的磁场强度线包所消耗的功率为45～50kW。
因为磁铁的间隙比较大(20cm)，所以空心阴极的尺寸可以增加，提高空心阴极的利用效率，提高离子源的金属离子产额。磁铁的磁场强度比较高，可以很好的约束等离子体中的电子，增加了放电时高电荷态的金属离子的产额。因为磁铁在磁间隙中产生的磁场是大磁镜比的磁镜场，所以，空心阴极中的等离子体状态会比较稳定，可有效提高离子源的阴极使用寿命。由于磁铁的结构设计为扁平状，节省了电源功率。如果使用其他结构的磁铁，在相同高度的间隙中形成同样大小磁场强度，则需要的功率是它的1.5倍至2倍。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (6)

1.一种用于等离子体装置的磁铁，所述磁铁包括“回”字形铁框体的磁轭(11)、在磁轭内部的一对磁极(12)以及包围磁极的金属线圈，其特征在于，所述磁极(12)的形状为梯台型，面积较小的两个台面相对放置，面积较大的两个台面分别与所述磁轭(11)的上和下横梁相连。
2.如权利要求1所述的磁铁，其特征在于，所述磁极(12)包括长方体的磁极底座(121)以及在其上的梯形的磁极头(122)。
3.如权利要求2所述的磁铁，其特征在于，所述磁极头(122)的面积较小的台面的长边(b1)为20cm至30cm，短边(a1)为2.5cm至4cm；面积较大的台面的长边(b2)为32cm至40cm，短边(a2)为4cm至6cm。
4.如权利要求2所述的磁铁，其特征在于，所述磁极底座(121)的厚度在20cm以内。
5.如权利要求1所述的磁铁，其特征在于，所述磁轭(11)为扁平状，厚度在20cm以内，宽度在0.8m至1.2m范围内，高度在0.8m至1.2m范围内。
6.一种等离子体装置，包括离子源、磁铁、磁铁电源以及离子源电源，离子源安放在磁铁的间隙里，其特征在于，所述磁铁为权利要求1所述的磁铁。
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