CN109686631A - 一种阵列多孔空心阴极放电电子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列多孔空心阴极放电电子源，包括基座、磁体、绝缘组件、进气座、阵列多孔板、阴极环，其中进气座及阵列多孔板、阴极环为同电位的放电组件，绝缘组件将放电组件与基座之间形成电位绝缘；阵列多孔板为放电金属板，其上设置有多个阵列贯通孔，放电组件在一定真空度时产生辉光放电，放电过程中贯通孔会产生空心阴极效应电子汇聚，同时阴极环在放电过程中会进一步产生大量放电电子，同时会吸收阳离子；磁体套装在基座上，空心阴极放电效应中的阵列多孔板及阴极环在磁场的作用下，实现高能电子的射出。本发明利用贯通孔辉光放电过程中的空心阴极效应及阴极环吸收阳离子并在磁场下汇聚射出电子，为真空涂层工艺过程提供高能电子。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，具体是指一种阵列多孔空心阴极放电电子源。
背景技术
物理气相沉积(PVD)主要是通过将某种原材料通过蒸发、激光辐照或气体放电等物理过程实现某种物理状态的改变(固态变为气态、固态变为可溢出的原子态)，并沉积在待镀工件表面的过程。物理气相沉积过程中原材料的状态对成膜涂层的质量有很大的影响。例如：蒸发镀膜过程沉积的材料为气化后的物料，只能利用高真空(10-3pa)下，较大的气体原子自由程来沉积涂层，沉积原子能量低，涂层质量相对较差；磁控溅射(辉光放电)通过离化的惰性气体轰击溅射出的沉积材料离化率低，溅射原子能量低，形成的涂层结构疏松；电弧离子镀(弧光放电)是通过电极之间的弧光放电高能热电子离化沉积粒子，但放电过程中伴随有大颗粒，对涂层的结构、性能都有影响。
现阶段，物理气相沉积过程为获得高能的粒子，只能通过等离子体的离华来实现，可为真空状态下的物理气相沉积过程中提供稳定高能等离子体的为电子源及离子源。但现阶段的离子源存在两方面的问题：一是离子源的功率较低，不能形成大束流的离子源(常规的离子源放电电流在0.1-10A之间，等离子密度很低)，造成沉积速率极低；另一方面现阶段的离子源离化对象主要为惰性气体(Ar)、反应气体(C2H2)为主，不能直接对沉积的金属或非金属原子(Ti、Si)进行离化。电子源在真空镀膜中具有重要的作用，可以用来清洗，刻蚀，辅助镀膜，提高膜层的质量和与基体的结合力。现有技术中，电子源主要包括是利用空心金属管(如钽管或钨管)的空心阴极效应而产生电子以及利用耐高温金属丝大电流产生的热丝电子发射。单个空心阴极电子源的电子束流小，相关部件需要复杂的水冷冷却，同时其空心阴极放电过程中大量等离子体汇聚在放电区内，有效输出的电子很少；热丝电子发射一方面热丝寿命有限，维护周期短，另一方面热丝电子发散角随机性较大，需要较复杂的磁场设计来约束电子的运动轨迹。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种结构简单的具有大束流出射电子并可呈多点出射的阵列多孔空心阴极放电电子源。
为实现上述目的，本发明的技术方案是
一种阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征为：
其包括基座、磁体、绝缘组件、进气座、阵列多孔板、阴极环；其中进气座及阵列多孔板、阴极环为同电位的放电组件，绝缘组件将放电组件与基座之间形成电位绝缘；其中基座可通过螺栓固定在真空腔室上并实现真空密封，基座为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座进行冷却；磁体套装在基座上，并可实现在基座上的滑动；进气座为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座上，并通过绝缘套实现电位悬浮，阵列多孔板通过螺栓固定在进气座上，阵列多孔板、绝缘盖及进气座形成进气腔，可实现放电工艺气体的均匀分布，其中绝缘盖可实现放电过程中进气座的内表面的绝缘；阵列多孔板为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔，阵列贯穿孔线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；阴极环装配在阵列多孔板上，绝缘环将阵列多孔板及阴极环与基座之间实现电位悬浮；
放电组件在一定真空度时会产生辉光放电，放电过程中贯通孔会产生空心阴极效应电子汇聚，同时阴极环在放电过程中会进一步产生大量放电电子，同时会吸收阳离子；空心阴极放电效应中的阵列多孔板及阴极环在磁场的作用下，实现高能电子的射出。
进一步设置是还包括有该磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合。
进一步设置是该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；
进一步设置是所述的磁体形成的磁场还包括平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
进一步设置是所述的基座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可实现对基座的冷却；所述的进气座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可对进气座进行冷却；所述的阵列多孔板为圆形及方形板中的一种，所述进气座与阵列多孔板通过螺栓装配可形成进气腔，进气腔内壁放置绝缘盖，可对进气座内表面进行电位屏蔽，进气腔内可放置对工艺气体起到均匀进气的绝缘阻隔条，从而实现工艺气体均匀性及稳定性。
进一步设置是所述的绝缘组件材料为聚四氟乙烯、陶瓷、云母、尼龙、聚苯酯中的一种及多种；绝缘组件包括对基座与放电组件电位绝缘的绝缘套及绝缘环、屏蔽进气座内壁的绝缘盖以及对螺栓进行电位悬浮的绝缘垫。
进一步设置是所述的基座为不锈钢焊接结构件，为实现良好的导电性，对其进行电镀处理，基座上可外接电极接线柱。
进一步设置是所述的阴极环为容易放电的导电环，其材质为导电氧化物、溅射产额小的石墨、铝及六硼化镧中的一种。
进一步设置是所述空心阴极效应孔的孔径为0.5-10mm，孔间距为3-30mm。
本发明的创新机理是：空心阴极放电是受电极之间的距离及真空度影响的，在一定真空度下，电极之间辉光放电在一定极板距离下，电子会发生汇聚，产生空心阴极效应，在本发明中，充分利用这一物理现象，在一定尺寸的圆形及方形耐高温金属板上机械加工分布一定尺寸的阵列多孔，在一定真空度下，金属板施加负压，阵列多孔内会发生辉光放电并出现电子汇聚，从而产生空心阴极放电，放电过程中受相邻装配的阴极环的二次电子发射及磁场的影响下，可稳定均匀输出高能电子。
与现有技术相比，本发明提供的阵列多孔空心阴极放电电子源，具有如下实质性区别和显著性进步：
(1)本发明设计结构简单，维护方便，成本低廉。
(2)本发明基座上套装的磁体一方面可在基座筒上滑动，有利于实现不同工艺的电子源输出电子形态，另一方面各种磁体的可更换性，可为涂层提供多种磁场下的高能电子。
(3)本发明利用进气座及阵列多孔板形成的进气腔，内可放置匀气的绝缘隔条，为放电过程提供稳定速率的均匀出气的工艺放电气体，提升装置的稳定性及均匀性。
(4)本发明利用阵列多孔在一定真空度下的空心阴极放电效应，可在一定尺寸的金属板上，形成均匀分布的阵列空心阴极放电孔，可为物理气相沉积过程提供均匀的电子源。
(5)本发明利用导电的阴极环一方面可加速阵列多孔板空心阴极放电产生的电子，另一方面吸收等离子体中的阳离子，同行可形成大量二次电子，进一步提升电子源的电子浓度；同时阴极环采用溅射产额较低的金属、非金属、导电氧化物、六硼化镧及其他易释放电子的材料，可产生更多的二次电子发射。
(6)本发明采用绝缘组件将放电组件与基座之间完全绝缘，并将进气座内壁包覆，放电过程稳定，杜绝了局部打火的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明一种阵列多孔空心阴极放电电子源的刨面结构示意图；
图2本发明实施例1的示意图；
图3本发明实施例2的示意图；
图4a本发明实施例1形成平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场的外磁体布置图；
图4b本发明实施例1形成平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场的外磁体布置图；
图4c本发明实施例1形成平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场的外磁体布置图；
图4d本发明实施例1形成平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场的外磁体布置图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
本发明中放电金属板的尺寸外形既可以为圆形，也可以为方形，相应的进气座及基座形状也与之相匹配，本发明所提供的方形或圆形的多空放电空心阴极电子源机械基本结构及部件功能基本相同，故本发明实施例说明中，其基本结构统一说明，具体实施例中主要论述其具体的使用工艺。
本发明中包含两组水冷，其进出水水嘴没有画出，但不影响本发明的论述。
下面，对本发明具体的结构及工作方式进行说明。
参见图1所示：
阵列多孔空心阴极放电电子源1包括基座11、磁体12、绝缘套13、绝缘盖14、进气座15、绝缘环16、阴极环17、阵列多孔板18；其中进气座15及阵列多孔板18、阴极环17为同电位的放电组件101，绝缘组件102将放电组件101与基座11之间形成电位绝缘；基座11可通过螺栓固定在真空腔室上并实现真空密封，基座11为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座11进行冷却；磁体12套装在基座11上，并可实现在基座11上的滑动；进气座15为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座11上，并通过绝缘套13与基座11实现电位悬浮，阵列多孔板18通过螺栓固定在进气座15上，阵列多孔板18、绝缘盖14及进气座15形成进气腔103，可实现放电工艺气体的均匀分布，其中绝缘盖14可实现放电过程中进气座15的内表面的绝缘；阵列多孔板18为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔104，阵列贯穿孔104线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；阴极环17装配在阵列多孔板18上，绝缘环16将阵列多孔板18及阴极环17与基座11之间实现电位悬浮。
进气腔103为进气座15及阵列多孔板18通过螺栓禁锢而成的，其可通过绝缘套13及绝缘环17与基座11实现电位绝缘，为保证空心阴极效应放电过程的稳定性，进气腔103内进气座15内壁需绝缘盖14进行完全屏蔽绝缘，同时进气腔103将外接进气管将工艺气体输入电子源内，为保证进气的稳定性及均匀性，进气腔103内可放置进行匀气的绝缘隔条从而实现进气的均匀稳定可靠。
放电组件101是由进气座15、阵列多孔板18及阴极环17装配而成，其中进气座15为保证具有良好的导电性，可对整个结构焊接件进行性电镀处理，阵列多孔板18为耐高温金属钨、钽，阴极环为六硼化镧，进气座15、阵列多孔板18及阴极环17同电位，并将通过绝缘组件102实现与其他组件的电位绝缘。
绝缘组件包括基座11与进气座15之间实现电位绝缘的绝缘套13、阵列多孔板18及阴极环17与基座11之间电位绝缘的绝缘环16、屏蔽进气座15内壁的绝缘盖14以及螺栓装配过程中的绝缘垫。
参见图4(a、b、c、d)所示：磁体12在筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场(参见图4a所示)。当然本发明该磁体12在外筒体内所形成的磁场还可以为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场(参见图4b所示)、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场(参见图4c所示)或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场(参见图4d所示)中一种或多种组合；磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，通过以下技术方案实现，磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。其具体可参见本发明人的在先发明专利CN102936718A。
需要说明的是：阵列多孔板既可以为圆形，亦可以为方形，其不同形状的阵列多孔板所形成的阵列多孔空心阴极放电电子源其机械结构基本相同，其相应的工艺方式有一定的区别，下面结合具体的实施例进行说明。
实施例1圆形阵列多孔空心阴极放电电子源
如图2所示，圆形阵列多孔空心阴极放电电子源的阵列多孔板为圆形的，相应的基座及进气座、阴极环及绝缘组件也为圆形。本实施例中圆形阵列多孔板上的阵列多孔直径为2mm，孔心间距为10mm，阵列多孔为环形分布。
参见图1、图2所示，圆形阵列多孔空心阴极放电电子源通过基座11上的装配孔螺栓禁锢在真空腔室上，待真空腔室达到一定真空本底(0.005pa)，通过外接气体质量流量计通入一定流量的氩气使得真空度达到1.5pa，接通外接电极上联通的电源，电压为500v，圆形阵列空心阴极放电电子源产生辉光放电，进一步增大放电电源的电压，辉光放电中的等离子体强度急剧增强，此时放电电压压升很小，电流成倍增大，此时，圆形阵列多孔内的辉光放电电子发生汇聚，产生空心阴极效应，在阴极环的作用下，一方面吸收阳离子，并产生二次电子发射，另一方面加速电子的运动速度。通过调节磁场的位置及磁场形态以及电源的输出电流，可获得满足工艺要求的高能电子。
实施例2方形阵列多孔空心阴极放电电子源
如图3所示，方形阵列多孔空心阴极放电电子源的阵列多孔板为方形的，相应的基座及进气座、阴极环及绝缘组件也为方形。本实施例中方形阵列多孔板上的阵列多孔直径为5mm，孔心间距为20mm，阵列多孔为均匀分布。
参见图1、图3所示，方形阵列多孔空心阴极放电电子源通过基座11上的装配孔螺栓禁锢在真空腔室上，待真空腔室达到一定真空本底(0.005pa)，通过外接气体质量流量计通入一定流量的氩气使得真空度达到5pa，接通外接电极上联通的电源，电压为550v，方形阵列空心阴极放电电子源产生辉光放电，进一步增大放电电源的电压，辉光放电中的等离子体强度急剧增强，此时放电电压压升很小，电流成倍增大，此时，方形阵列多孔内的辉光放电电子发生汇聚，产生空心阴极效应，在阴极环的作用下，一方面吸收阳离子，并产生二次电子发射，另一方面加速电子的运动速度。通过调节磁场的位置及磁场形态以及电源的输出电流，可获得满足工艺要求的高能电子。
本发明中工艺气体以氩气为例进行说明，实际生产工艺中，工艺气体包括氮气、氩气、乙炔、氧气、氢气，本发明有很强的实用性及普适性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征为：
其包括基座、磁体、绝缘组件、进气座、阵列多孔板、阴极环；其中进气座及阵列多孔板、阴极环为同电位的放电组件，绝缘组件将放电组件与基座之间形成电位绝缘；其中基座可通过螺栓固定在真空腔室上并实现真空密封，基座为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座进行冷却；磁体套装在基座上，并可实现在基座上的滑动；进气座为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座上，并通过绝缘套实现电位悬浮，阵列多孔板通过螺栓固定在进气座上，阵列多孔板、绝缘盖及进气座形成进气腔，可实现放电工艺气体的均匀分布，其中绝缘盖可实现放电过程中进气座的内表面的绝缘；阵列多孔板为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔，阵列贯穿孔线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；阴极环装配在阵列多孔板上，绝缘环将阵列多孔板及阴极环与基座之间实现电位悬浮；
放电组件在一定真空度时会产生辉光放电，放电过程中贯通孔会产生空心阴极效应电子汇聚，同时阴极环在放电过程中会进一步产生大量放电电子，同时会吸收阳离子；空心阴极放电效应中的阵列多孔板及阴极环在磁场的作用下，实现高能电子的射出。
2.根据权利要求1所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：该磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合。
3.根据权利要求2所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述的磁体形成的磁场还包括平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
4.根据权利要求1所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述的基座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可实现对基座的冷却；所述的进气座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可对进气座进行冷却；所述的阵列多孔板为圆形及方形板中的一种，所述进气座与阵列多孔板通过螺栓装配可形成进气腔，进气腔内壁放置绝缘盖，可对进气座内表面进行电位屏蔽，进气腔内可放置对工艺气体起到均匀进气的绝缘阻隔条，从而实现工艺气体均匀性及稳定性。
5.根据权利要求1所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述的绝缘组件材料为聚四氟乙烯、陶瓷、云母、尼龙、聚苯酯中的一种及多种；绝缘组件包括对基座与放电组件电位绝缘的绝缘套及绝缘环、屏蔽进气座内壁的绝缘盖以及对螺栓进行电位悬浮的绝缘垫。
6.根据权利要求5所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述的基座为不锈钢焊接结构件，为实现良好的导电性，对其进行电镀处理，基座上可外接电极接线柱。
7.根据权利要求1所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述的阴极环为容易放电的导电环，其材质为导电氧化物、溅射产额小的石墨、铝及六硼化镧中的一种。
8.根据权利要求1所述的阵列多孔空心阴极放电电子源，其特征在于：所述空心阴极效应孔的孔径为0.5-10mm，孔间距为3-30mm。
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