CN111128647A - 磁铁底座、霍尔离子源以及磁铁热保护装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁铁底座，包括一水冷外罩；该水冷外罩两端分别设有上密封环和下密封环；所述上密封环用于连接在霍尔离子源的上盖板，所述下密封环用于连接霍尔离子源的底板；所述水冷外罩内部为中空设计，所述水冷外罩内部的空间内用于安装磁铁；所述水冷外罩在安装磁铁的空间周围布置有水路进行包裹；所述水冷外罩还设有所述水路的进水口和出水口；所述水冷外罩用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁上，并且通过所述水路对所述磁铁进行水冷散热。该方案减少了外部环境热辐射对磁铁的影响，防止了由于热辐射导致磁铁的磁性衰减的风险。另外，本申请还提供了一种霍尔离子源以及磁铁热保护装置，使得阳极的冷却结构更加简单，维护更加方便。

Description

磁铁底座、霍尔离子源以及磁铁热保护装置

技术领域

本申请涉及离子源技术领域，具体而言，本申请涉及一种磁铁底座、霍尔离子源以及磁铁热保护装置。

背景技术

离子源是一门用途广，类型多、涉及科学多、工艺技术性强、发展十分迅速的应用科学技术。而霍尔离子源作为一种十分常用、简单耐用的离子源类型，多应用于薄膜沉积领域，作为沉积辅助部件，提高薄膜物理特性。

参考图1所示，传统的霍尔离子源基本原理是：通过永磁体产生霍尔效应的磁场，阳极在一个强轴向磁场的协作下将工艺气体等离子化，等离子化后的气体通过阳极的加速，将气体离子分离并形成离子束。由于轴向磁场的作用太强，霍尔离子源离子束需要补充电子以中和离子流。如图示，常见的中和源就是钨丝(阴极)。

霍尔离子源的离子电流与气体流量几乎成比例，可获得较大离子电流，强磁场一般使用永磁体。但传统的霍尔离子源使用热灯丝阴极，发热量大，霍尔离子源的阳极电流较大，阳极本身发热量也很大，同时高温加工构件时，外部环境也很大，参考图2所示，图中所示虚线箭头为分别来源于外部环境热辐射、阳极和阴极辐射的热量对磁铁的影响。由于永磁体在高温下会失去磁性，而高温的加工工艺、外部环境温度、阳极和阴极辐射的热量等大量传导到磁铁，容易导致磁铁高温而失去磁性。

发明内容

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，特别是大量热量传导到磁铁，容易导致磁铁高温而失去磁性的问题。

为了实现上述目的，本申请提供以下技术方案：

一种磁铁底座，包括一水冷外罩；该水冷外罩两端分别设有上密封环和下密封环；

所述上密封环用于连接在霍尔离子源的上盖板，所述下密封环用于连接霍尔离子源的底板；

所述水冷外罩内部为中空设计，所述水冷外罩内部的空间内用于安装磁铁；所述水冷外罩在安装磁铁的空间周围布置有水路进行包裹；所述水冷外罩还设有所述水路的进水口和出水口；

所述水冷外罩用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁上，并且通过所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

在一个实施例中，所述上密封环和下密封环上均设有螺丝孔，分别通过螺丝固定在霍尔离子源的上盖板和底板上。

在一个实施例中，所述水冷外罩及其上密封环和下密封环为圆形结构，其截面为“工”字型。

在一个实施例中，所述上密封环和下密封环上设有气体管道通孔，用于贯穿安装气体管道。

上述磁铁底座，将磁铁处于水冷环境中，得到了完美保护，同时将磁铁与外界热源隔离，减少了外部环境热辐射对磁铁的影响，防止了由于热辐射导致磁铁的磁性衰减的风险。

一种霍尔离子源，包括磁铁，阳极，阴极，磁铁以及导磁块以及上述的磁铁底座；

所述上密封环连接在霍尔离子源的上盖板上，所述下密封环连接在霍尔离子源的底板上；

所述磁铁安装在磁铁底座的水冷外罩内部的空间内，所述导磁块安装在磁铁与阳极之间；所述阳极贴合安装于上盖板上；

所述水冷外罩将磁铁与外部隔离，阻止外部热辐射传递到磁铁上；所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

在一个实施例中，所述磁铁采用中空结构的永磁体；

所述上密封环的密封面通过密封圈贴合连接到所述上盖板上，所述下密封环的密封面通过密封圈贴合连接到所述底板上。

在一个实施例中，所述上盖板采用导热材料制作，所述阳极将热量传导至所述上盖板；

所述水冷外罩与上盖板紧密贴合，所述上盖板将热量传导至水冷外罩上，并通过所述水路进行散热。

在一个实施例中，所述阳极与所述上盖板接触部位之间安装有绝缘导热陶瓷，在绝缘导热陶瓷还设有导热石墨片；

所述阳极通过所述绝缘导热陶瓷和导热石墨片将热量传导至所述上盖板。

在一个实施例中，所述的霍尔离子源还包括插拔式设计的屏蔽外壳；

所述屏蔽外壳采用导磁材料制作，所述屏蔽外壳通过磁力吸合方式固定到所述底板上。

上述霍尔离子源，将磁铁处于水冷环境中，得到了完美保护，同时将磁铁与外界热源隔离，减少了外部环境热辐射对磁铁的影响，防止了由于热辐射导致磁铁的磁性衰减的风，从而可以整体提高霍尔离子源的稳定性。进一步的，基于阳极的冷却方式，提供一个间接水冷方案，将阳极的热量传导至磁铁底座上水冷散热，使得阳极的冷却结构更加简单，维护更加方便。

一种磁铁热保护装置，用于保护霍尔离子源的磁铁，包括一内部为中空设计的水冷外罩；

所述水冷外罩内部的空间内用于安装磁铁；所述水冷外罩在安装磁铁的空间周围布置有水路进行包裹；所述水冷外罩还设有所述水路的进水口和出水口；

所述水冷外罩用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁上，并且通过所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

上述磁铁热保护装置，可以直接用于保护霍尔离子源的磁铁，改进霍尔离子源等，通过将磁铁处于水冷环境中，得到了完美保护，同时将磁铁与外界热源隔离，减少了外部环境热辐射对磁铁的影响，防止了由于热辐射导致磁铁的磁性衰减的风险。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是传统霍尔离子源的结构示意图；

图2是磁铁所受到热辐射的示意图；

图3是一实施例的磁铁底座的结构示意图；

图4是磁铁底座的截面示意图；

图5是一实施例的霍尔离子源的截面示意图；

图6是屏蔽外壳安装示意图；

图7是磁铁热保护装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

霍尔离子源的磁场主要是通过永磁体产生，使用热灯丝作为自由电子产生源。热阴极通过加热灯丝产生电子，温度一般能到1000℃以上。热辐射效果容易引起永磁体的磁场产生失磁。同时，在镀膜工艺中，会同时和多个强热辐射部件一起同时工作。例如热电子枪，热电阻蒸发组件，还有一些工艺，这些设备需要加热到数百度；在这些高温环境中，永磁体将受到各个方向的热辐射威胁。另外，阳极的电流一般会在10A左右，发热量大，来自阳极的辐射会影响到磁铁的效果。

基于上述大量热量传导到磁铁，容易导致磁铁高温而失去磁性的问题，本申请提供一种磁铁底座，用于霍尔离子源的磁场中安装磁铁使用，从而减少磁铁受到热辐射影响。

参考图3所示，本申请提供的磁铁底座包括一水冷外罩10；该水冷外罩10两端分别设有上密封环110和下密封环120；

所述上密封环110用于连接在霍尔离子源的上盖板21，所述下密封环120用于连接霍尔离子源的底板22；

所述水冷外罩10内部为中空设计，所述水冷外罩10内部的空间内用于安装磁铁51；所述水冷外罩10在安装磁铁51的空间周围布置有水路130进行包裹；所述水冷外罩10还设有所述水路130的进水口1301和出水口1302；

所述水冷外罩10用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁51上，并且通过所述水路130对所述磁铁51进行水冷散热。

上述实施例的磁铁底座，可以用于霍尔离子源中保护磁铁51，在实际使用中，将磁铁放入水冷外罩10的中控部位，然后按照到霍尔离子源里面，再接上外部的进出水管道，对磁铁51进行水冷散热，为磁铁51提供了一个全保护结构，使得磁铁51处于水冷环境中，水冷外罩10本身有可以将磁铁与外界热源隔离，由此可以大幅度降低磁铁51的温度。

在一个实施例中，参考图4所示，从图中可以看出，水冷外罩10及其上密封环110和下密封环120是一体成型设计的，水冷外罩10及其上密封环110和下密封环120为圆形结构，其截面为“工”字型。

结合图3和图4，所述上密封环110和下密封环120上均设有螺丝孔102，分别通过螺丝固定在霍尔离子源的上盖板21和底板22上。所述上密封环110和下密封环120上设有气体管道通孔101，用于贯穿安装气体管道。

综合上述实施例的磁铁底座，可以用于改进传统的霍尔离子源，将磁铁51放入磁铁底座，结合水冷结构的保护，从而可以从根本解决了来源于外部环境热辐射、阳极23和阴极24辐射的热量对磁铁51的影响，避免了永磁体在高温下会失去磁性的风险。

基于前述实施例中所提供的磁铁底座，本申请也提供了一种霍尔离子源；参考图3至5所示，该霍尔离子源，包括磁铁51，阳极23，阴极24，磁铁导磁块25以及上述任一实施例提供的磁铁底座；

所述上密封环110连接在霍尔离子源的上盖板21上，所述下密封环120连接在霍尔离子源的底板22上；

所述磁铁51安装在磁铁底座的水冷外罩10内部的空间内，所述导磁块25安装在磁铁51与阳极23之间；所述阳极23贴合安装于上盖板21上；

所述水冷外罩10将磁铁51与外部隔离，阻止外部热辐射传递到磁铁51上；所述水路130对所述磁铁进行水冷散热。

在上述实施例的霍尔离子源，主要是通过磁铁底座对磁铁进行保护，根本上解决了来源于外部环境热辐射、阳极23和阴极24辐射的热量对磁铁51的影响，避免了永磁体在高温下会失去磁性的风险，从而可以整体提高霍尔离子源的稳定性。

为了进一步提高霍尔离子源的稳定性，下面结合附图和若干实施例来陈述霍尔离子源的更多改进方案。

在一个实施例中，霍尔离子源的磁铁51可以采用中空结构的永磁体；通过中空结构，使得空气可以在磁铁51上下进行流动，从而可以进一步提升了热交换，将更多热量通过水路130散出去。

进一步的，如图4所示，上密封环110的密封面通过密封圈贴合连接到所述上盖板21上，所述下密封环120的密封面通过密封圈贴合连接到所述底板22上；通过密封设计，可以确保磁铁底座与离子源气体腔体部分完成密封隔离，使得其用于真空环境中时，能够保持稳定的工作性能。

考虑到霍尔离子源阳极的冷却需求，传统技术中往往是在阳极里面设计水路，通过水冷散热，由于阳极电压较高，对于水路连接要求较高，难以保证密封和绝缘。而且阳极需要经常拆装维护，水路拆装次数过多容易导致部件磨损，产生漏水漏气情况，维护极其不方便。

为了解决上述缺陷，减少密封和绝缘成本和故障风险，降低阳极拆装和维护难度。在一个实施例中，如图5所示，霍尔离子源的上盖板21可以采用导热材料制作，便于阳极23将热量传导至所述上盖板21；所述水冷外罩10与上盖板21紧密贴合，所述上盖板21将热量传导至水冷外罩10上，并通过所述水路130进行散热。优选的，在所述阳极23与所述上盖板21接触部位之间还可以安装有绝缘导热陶瓷28，在绝缘导热陶瓷28上下还设有导热石墨片29；所述阳极23通过所述绝缘导热陶瓷28和导热石墨片29将热量传导至所述上盖板21。

在上述实施例中，充分利用了霍尔离子源的内部结构，基于阳极23的冷却方式，设计了一套间接水冷方案，共用磁铁底座上的水路130来进行散热，通过利用导热材料将阳极23的热量最大限度地传导至磁铁底座，从而可以去掉了在阳极23中设置水路130，使得阳极23的冷却结构更加简单，维护起来更加方便。

基于前述实施例提供的霍尔离子源，由于磁铁底座与气体腔室已经是严格密封，因此，在设置外部的屏蔽外壳41时，可以通过更加便捷的方式进行安装，以降低拆卸和维护难度。

在一个实施例中，参考图6所示，本申请提供的霍尔离子源还可以包括插拔式设计的屏蔽外壳41；所述屏蔽外壳41采用导磁材料制作，所述屏蔽外壳41通过磁力吸合方式固定到所述底板22上。

结合图2和图6的屏蔽外壳41结构对比，可以看出图2中为了实现密封，底板22和整个屏蔽外壳41一体化设计，非常不利于拆卸和维护，而图6所示的结构，由于阳极23部分与磁铁底座部分是严格密封隔离的，因此，屏蔽外壳41只需要以磁力吸合方式固定即可，不影响整体密封情况，直接插拔屏蔽外壳41，实现了无螺丝安装。

下面结合附图阐述磁铁热保护装置的实施例。

在霍尔离子源中，为了提升其磁铁的稳定性，避免磁铁高温而失去磁性的问题。本申请设计了一种可以直接用于保护霍尔离子源磁铁的磁铁热保护装置。

参考图7所示，该磁铁热保护装置可以包括一内部为中空设计的水冷外罩10；所述水冷外罩10内部的空间内用于安装磁铁51；所述水冷外罩10在安装磁铁51的空间周围布置有水路130进行包裹；所述水冷外罩10还设有所述水路130的进水口1301和出水口1302；所述水冷外罩10用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁51上，并且通过所述水路130对所述磁铁51进行水冷散热。

上述实施例的磁铁热保护装置，可以用于改进霍尔离子源，从而保护磁51铁，将磁铁51放入水冷外罩10的中控部位后重新安装回霍尔离子源中，再接上外部的进出水管道，对磁铁51进行水冷散热，为磁铁提供了一个全保护结构，使得磁铁51处于水冷环境中，水冷外罩10本身有可以将磁铁51与外界热源隔离，由此可以大幅度降低磁铁51温度。该技术方案能够方便地改装各种霍尔离子源，使得其工作效果更好，更加稳定。

关于磁铁热保护装置的其他实施例方案，与上述磁铁底座中类同，在此不再一一赘述。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁铁底座，其特征在于，包括一水冷外罩；该水冷外罩两端分别设有上密封环和下密封环；

所述上密封环用于连接在霍尔离子源的上盖板，所述下密封环用于连接霍尔离子源的底板；

所述水冷外罩内部为中空设计，所述水冷外罩内部的空间内用于安装磁铁；所述水冷外罩在安装磁铁的空间周围布置有水路进行包裹；所述水冷外罩还设有所述水路的进水口和出水口；

所述水冷外罩用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁上，并且通过所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

2.根据权利要求1所述的磁铁底座，其特征在于，所述上密封环和下密封环上均设有螺丝孔，分别通过螺丝固定在霍尔离子源的上盖板和底板上。

3.根据权利要求1所述的磁铁底座，其特征在于，所述水冷外罩及其上密封环和下密封环为圆形结构，其截面为“工”字型。

4.根据权利要求3所述的磁铁底座，其特征在于，所述上密封环和下密封环上设有气体管道通孔，用于贯穿安装气体管道。

5.一种霍尔离子源，包括磁铁，阳极，阴极，磁铁以及导磁块，其特征在于，还包括权利要求1至4任一项所述的磁铁底座；

所述上密封环连接在霍尔离子源的上盖板上，所述下密封环连接在霍尔离子源的底板上；

所述磁铁安装在磁铁底座的水冷外罩内部的空间内，所述导磁块安装在磁铁与阳极之间；所述阳极贴合安装于上盖板上；

所述水冷外罩将磁铁与外部隔离，阻止外部热辐射传递到磁铁上；所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

6.根据权利要求5所述的霍尔离子源，其特征在于，所述磁铁采用中空结构的永磁体；

所述上密封环的密封面通过密封圈贴合连接到所述上盖板上，所述下密封环的密封面通过密封圈贴合连接到所述底板上。

7.根据权利要求5所述的霍尔离子源，其特征在于，所述上盖板采用导热材料制作，所述阳极将热量传导至所述上盖板；

所述水冷外罩与上盖板紧密贴合，所述上盖板将热量传导至水冷外罩上，并通过所述水路进行散热。

8.根据权利要求7所述的霍尔离子源，其特征在于，所述阳极与所述上盖板接触部位之间安装有绝缘导热陶瓷，在绝缘导热陶瓷还设有导热石墨片；

所述阳极通过所述绝缘导热陶瓷和导热石墨片将热量传导至所述上盖板。

9.根据权利要求7所述的霍尔离子源，其特征在于，还包括插拔式设计的屏蔽外壳；

所述屏蔽外壳采用导磁材料制作，所述屏蔽外壳通过磁力吸合方式固定到所述底板上。

10.一种磁铁热保护装置，用于保护霍尔离子源的磁铁，其特征在于，包括一内部为中空设计的水冷外罩；

所述水冷外罩内部的空间内用于安装磁铁；所述水冷外罩在安装磁铁的空间周围布置有水路进行包裹；所述水冷外罩还设有所述水路的进水口和出水口；

所述水冷外罩用于隔离外部热辐射传递到内部的磁铁上，并且通过所述水路对所述磁铁进行水冷散热。

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