CN112366126A - 一种霍尔离子源及其放电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于管壁处理装置技术领域，公开一种霍尔离子源，包括装置本体；所述装置本体为绝缘材料制成且为圆形结构，其外侧设有槽口；所述装置本体的两侧面分别设有第一磁极和第二磁极；所述装置本体的中部设有相互对称且贯穿装置本体和两个磁极的第一永磁体和第二永磁体。本发明能够在360°方向上引出均匀的离子束流，且具有较低的自溅射和较高的工质电离率。本发明还公开了一种具有上述霍尔离子源的放电系统，使得该霍尔离子源能够以不同的工作模式来应对不同的工况。

Description

一种霍尔离子源及其放电系统

技术领域

本发明属于管壁处理装置技术领域，尤其涉及一种霍尔离子源及其放电系统。

背景技术

目前，为了延长各类管道的使用寿命，通常会对其管内壁进行处理，即朝其中壁面掺入外来原子，以改善工业过程中，管道的化学性能和/或物理性能。

为了达到以上目的，有例如化学气相沉积、阳极化处理等技术方案进行管内壁处理，但是这些方法存在膜层与基底的结合力较弱、处理技术过于复杂等缺陷。

目前，等离子体中的离子、电子和其他高能粒子已被广泛应用于基材清洗以及辅助和控制膜的生长工艺中，这些粒子不仅起到辅助镀膜作用，还将沉积下来成为膜的一部分，因此，在进行沉积镀膜前，利用等离子体进行清洗可以提高膜和基材的结合力。基于此，各大厂商开始利用等离子体渗氮的方法进行内壁处理。对于该方法来说，仍然具有一定的缺陷，即管内壁处理不均匀，特别是对于管径较小的管道，更难做到均匀的离子注入和沉积镀膜。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种霍尔离子源，能够在360度方向上引出均匀的离子束流，且具有较低的自溅射和较高的工质电离率。本发明还公开了上述霍尔离子源的放电系统，能够使该霍尔离子源具有两种放电模式，由此使得该霍尔离子源能够以不同的工作模式来应对不同的工况。本发明的具体技术方案如下：

一种霍尔离子源，包括装置本体；所述装置本体为绝缘材料制成且为圆形结构，其外侧设有槽口；所述装置本体的两侧面分别设有第一磁极和第二磁极；所述装置本体的中部设有相互对称且贯穿装置本体和两个磁极的第一永磁体和第二永磁体。

本发明利用两个永磁体，通过第一磁极和第二磁极对磁场的引导作用，在槽口产生平行于装置本体轴向的环形磁静场，由此实现霍尔离子源的360°均匀放电，通过该环形磁静场有效约束放电等离子体中的电子，从而很好的降低自溅射、提高工质气体的电离率。

优选的，所述装置本体的中部设有用于离子源气体进入装置本体的送气孔，所述槽口设有用于离子源气体从装置本体的内部喷出的若干出气孔。

在本发明中，离子源气体进入装置本体后，由磁场引导，使离子源气体从出气孔中360°喷出，由此提高放电气体的喷出均匀性。

优选的，所述装置本体的内部设有若干依次连通的环形缓冲腔；靠近装置本体中心的缓冲腔与送气孔连通；远离装置本体中心的缓冲腔与槽口连通。

在本发明中，所述缓冲腔的设置进一步解决了离子源其他流速过快而来不及电离就被喷出放电位置的问题，并以此控制了放电位置内的气压梯度和大小分布，降低气体流速，并进一步提高了放电气体的喷出均匀性。

优选的，缓冲腔共设有三级，分别为第一级缓冲腔、第二级缓冲腔和第三级缓冲腔；所述第一级缓冲腔与送气孔连通；所述第一级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的第一缓冲孔与第二级缓冲腔连通；所述第二级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的第二缓冲孔与第三级缓冲腔连通；所述第三级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的出气孔与槽口连通。

本发明利用三级缓冲腔即能很好的降低离子源气体的流速，以实现离子源气体的喷出均匀性。

优选的，出气孔的数量大于第二缓冲孔的数量大于第一缓冲孔的数量。

本发明利用逐级增加连通孔的结构，使得离子源气体的均匀性获得逐级提高，由此使得喷出的离子源气体均匀性更好。

优选的，所述装置本体远离其中心位的置两侧分别设有第一阳极和第二阳极；所述第一阳极和第二阳极的端部之间形成阳极间隙；所述第一磁极和第二磁极的端部之间形成放电位置；所述阳极间隙的一端连通出气孔，另一端连通放电位置。

离子源气体的电离位置在第一磁极和第二磁极之间，本发明利用第一阳极和第二阳极之间形成的阳极间隙，使得离子源气体能够先经过气体预电离，由此再进一步提高离子源气体喷出后的均匀性。

优选的，所述第一阳极和第一磁极之间，以及第二阳极和第二磁极之间均设有第一绝缘体。

在本发明中，所述第一绝缘体的设置能够保证霍尔离子源的正常工作，避免导体对磁场产生影响，从而使喷出的离子源气体达不到均匀性。

优选的，所述装置本体设有用于冷却第一阳极和第二阳极的冷却水通道。

由于在高功率工况下，运行霍尔离子源时会产生较高的热效应，此时高能电子主要落在第一阳极和第二阳极的表面，因此会导致两者的温度较高，因此，冷却水通道的设置能够对第一阳极和第二阳极很好的降温，以确保其正常工作状态。

优选的，所述冷却水通道包括设置于第一阳极一侧的第一水道，以及设置于第二阳极一侧的第二水道；所述第一水道设有第一入水口和第一出水口；所述第二水道设有第二入水口和第二出水口；所述装置本体设有贯穿其中部的第一管道孔和第二管道孔；所述第一管道孔的一端通过第一冷水管与第一出水口连通，另一端通过第二冷水管与第二入水口连通；所述第二管道孔的一端通过第三冷水管与第二出水口连通。

在本发明中，霍尔离子源由两个半体组成，因此第一阳极和第二阳极相对分开的，由此本发明通过上述水道和冷水管的设置，使冷却水通道形成完整的水路，由此使冷却水于其中流动，确保达到第一阳极和第二阳极的冷却目的。

优选的，所述第一管道孔和第二管道孔的两端均设有第二绝缘体。

在本发明中，所述第二绝缘体的设置确保了装置本体整体的绝缘设计，由此确保霍尔离子源的正常工作。

一种霍尔离子源的放电系统，包括如上所述的霍尔离子源；所述第一阳极和第二阳极组成第一阳极电极；所述第一磁极和第二磁极组成接地电极；若干缓冲腔组成第二阳极电极；所述第一阳极电极与外部阳极电源电性连接，所述第二阳极电极与另一个外部阳极电源电性连接，所述接地电极接地。

在本发明中的放电系统中，具有三个电极，其与霍尔离子源中的磁场产生交叉电磁场，由此使离子源气体获得很好的电离和加速，由此在保证离子源气体的分离率的基础上，提高了霍尔离子源的工作范围；此外，还能够通过对第一阳极电极和第二阳极电极的电压调节，捕获实际需求中需要获得的粒子束流。

优选的，所述槽口的口径由靠近装置本体中心的一端朝向远离装置本体中心的一端逐渐增大。

由于槽口的口径的不同，因此离子源气体经电离后，电子的路径呈角向运动行程霍尔电流，此时在槽口的斜面上具有最大的磁场强度，由此配合三个电极，在槽口中产生正交的电磁场区域，实现了对放电等离子体的有效约束，同时能够保证较低的器壁的刻蚀，解决了镀膜前的清洗或镀膜时的杂质污染问题。

和现有技术相比，本发明公开的一种霍尔离子源，实现了其360°均匀放电，并以此实现了管内壁的离子注入和沉积镀膜的双重功能，有效的提高了管内壁的性能；本发明还有效降低了霍尔离子源气体的流速，控制了放电位置的气压梯度和大小分布；此外，本发明能够很好的实现第一阳极和第二阳极的冷却。本发明还公开了上述霍尔离子源的放电系统，能够实现直流放电或脉冲放电，由此可用于多种利用等离子体进行内壁处理的工艺之中。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视图；

图2为本发明实施例中三级缓冲腔的示意图；

图3为图2的的剖视图；

图4为本发明实施例中第一本体的示意图；

图5为本发明实施例中第二本体的示意图；

图6为本发明实施例加载直流正电压的示意图；

图7为本发明实施例加载脉冲正电压的示意图。

图中：1-槽口；2-第一磁极；3-第二磁极；4-第一永磁体；5-第二永磁体；6-第一本体；7-第二本体；8-送气孔；9-第一级缓冲腔；10-第二级缓冲腔；11-第三级缓冲腔；12-第一缓冲孔；13-第二缓冲孔；14-第一阳极；15-第二阳极；16-阳极间隙；17-放电位置；18-第一绝缘体；19-第一水道；20-第二水道；21-第一入水口；22-第一出水口；23-第二入水口；24-第二出水口；25-第一管道孔；26-第二管道孔；27-第二绝缘体。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1～图5所示，一种霍尔离子源，包括装置本体；所述装置本体为绝缘材料制成且为圆形结构，其外侧设有槽口1；所述装置本体的两侧面分别设有第一磁极2和第二磁极3；所述装置本体的中部设有相互对称且贯穿装置本体和两个磁极的第一永磁体4和第二永磁体5。

在本实施例中，所述装置本体由两个部分组成，分别为第一本体6和第二本体7，所述第一本体6和第二本体7均为绝缘材料；当第一本体6和第二本体7扣合于一体时，其内部具有用于离子源气体放电的部件；在此基础上，所述第一磁极2位于第一本体6远离第二本体7的一侧，所述第二磁极3位于第二本体7远离第一本体6的一侧，而第一永磁体4和第二永磁体5从装置本体和两个磁极的中部贯穿；当离子源气体进入装置本体后，从槽口1喷出，此时由于第一磁极2、第二磁极3、第一永磁体4和第二永磁体5的协同作用，在槽口1中形成环形磁静场，由此实现霍尔离子源的360°均匀放电。

需要说明的是，在本实施例中，所述第一磁极2和第二磁极3均为环形结构，在具体机构中，相当于第一本体6嵌入第一磁极2，第二本体7嵌入第二磁极3。

为了更好的使用本实施例，所述装置本体的中部设有用于离子源气体进入装置本体的送气孔8，所述槽口1设有用于离子源气体从装置本体的内部喷出的若干出气孔。若干出气孔在槽口1中，呈360°圆形阵列分布，以使得离子源气体在环形磁静场中均匀喷出。

如图2和图3所示，为了更好的使用本实施例，所述装置本体的内部设有若干依次连通的环形缓冲腔；靠近装置本体中心的缓冲腔与送气孔8连通；远离装置本体中心的缓冲腔与槽口1连通。缓冲腔共设有三级，分别为第一级缓冲腔9、第二级缓冲腔10和第三级缓冲腔11；所述第一级缓冲腔9与送气孔8连通；所述第一级缓冲腔9通过若干沿其腔壁均匀排列的第一缓冲孔12与第二级缓冲腔10连通；所述第二级缓冲腔10通过若干沿其腔壁均匀排列的第二缓冲孔13与第三级缓冲腔11连通；所述第三级缓冲腔11通过若干沿其腔壁均匀排列的出气孔与槽口1连通。出气孔的数量大于第二缓冲孔13的数量大于第一缓冲孔12的数量。

在本实施例中，所述第一缓冲孔12具有4个，所述第二缓冲孔13具有8个，所述出气孔具有24个；由此实现对离子源气体流速的降低，并通过三级缓冲腔逐次提高放电气体的均匀性。需要说明的是，在第一本体6和第二本体7之间具有安装缓冲腔的槽，两个本体之间的槽相互匹配形成放置腔，而缓冲腔即安装在放置腔内；在本实施例中，第一级缓冲腔9、第二级缓冲腔10和第三级缓冲腔11之间相互密封焊接即可。在其他的一些实施例中，三级缓冲腔可以作为一个整体设置在装置本体的内部。

为了更好的使用本实施例，所述装置本体远离其中心位的置两侧分别设有第一阳极14和第二阳极15；所述第一阳极14和第二阳极15的端部之间形成阳极间隙16；所述第一磁极2和第二磁极3的端部之间形成放电位置17；所述阳极间隙16的一端连通出气孔，另一端连通放电位置17。

在本实施例中，阳极间隙16位于槽口1靠近装置本体中心的一侧，而放电位置17位于槽口1远离装置本体中心的一侧；即由此实现，当离子源气体被喷出第三级缓冲腔11后，先于阳极间隙16进行预电离，然后再于放电位置17进行主电离，经过双极电离的作用确保了气体的电离率和离子源的工作范围。

需要说明的是，在本实施例中，所述第一阳极14和第二阳极15均为环形结构，在具体结构中，相当于第一阳极14嵌入第一本体6，第二阳极15嵌入第二本体7。

为了更好的使用本实施例，所述第一阳极14和第一磁极2之间，以及第二阳极15和第二磁极3之间均设有第一绝缘体18。

为了保证霍尔离子源的正常工作，在第一本体6和第二本体7均为绝缘材料制成的基础上，还需要满足两个阳极、两个磁极和三级缓冲腔之间的绝缘效果，因此第一绝缘体18的设置是十分必要的。此外，在实际运用过程中，三级缓冲腔需要加载一定的电压，因此，在送气孔8应当与外部气路绝缘器连通，使得离子源气体通过外部气路绝缘器经送气孔8进入缓冲腔，由此也确保了霍尔离子源的绝缘效果。

如图7所示，为了更好的使用本实施例，所述装置本体设有用于冷却第一阳极14和第二阳极15的冷却水通道。所述冷却水通道包括设置于第一阳极14一侧的第一水道19，以及设置于第二阳极15一侧的第二水道20；所述第一水道19设有第一入水口21和第一出水口22；所述第二水道20设有第二入水口23和第二出水口24；所述装置本体设有贯穿其中部的第一管道孔25和第二管道孔26；所述第一管道孔25的一端通过第一冷水管与第一出水口22连通，另一端通过第二冷水管与第二入水口23连通；所述第二管道孔26的一端通过第三冷水管与第二出水口24连通。所述第一管道孔25和第二管道孔26的两端均设有第二绝缘体27。

需要说明的是，所述第一绝缘体18和第二绝缘体27在本实施例均属于第一本体6和/或第二本体7中的一部分；在其他一些实施例中，三者之间也可以是可拆卸结构。

在本实施例中，需要对两个阳极进行冷却处理，因而本实施例设置了冷却水通道，对冷却水的流动路径进行了限定，以此使冷却水先后在第一水道19和第二水道20中流动，以此冷却第一阳极14和第二阳极15，从而保证第一阳极14和第二阳极15的正常工作状态。所述第二绝缘体27同样是为了确保霍尔离子源的绝缘效果。

如图1、图6和图7所示，一种霍尔离子源的放电系统，包括如上所述的霍尔离子源；所述第一阳极14和第二阳极15组成第一阳极14电极；所述第一磁极2和第二磁极3组成接地电极；若干缓冲腔组成第二阳极15电极；所述第一阳极14电极与外部阳极电源电性连接，所述第二阳极15电极与另一个外部阳极电源电性连接，所述接地电极接地。

在本实施例中，离子源气体的预电离发生在第一阳极14电极和第二阳极15电极之间；离子源气体的主电离发生在第一阳极14电极和接地电极之间；当三个电极通电，并有离子源气体通过时，该处形成交叉电磁场，产生正常的辉光放电，电子被环形磁镜场约束产生角向运动形成霍尔电流，而未被磁化的离子在电场的作用下经过加速快速离开放电位置17。

在不同的实施例中，第一阳极14电极和第二阳极15电极除了可以加载直流正电压外，还可以加载脉冲正电压，一般来说，加载脉冲正电压时，第一阳极14电极和第二阳极15电极加载的脉冲正电压不同，通过调节脉冲电压、脉冲频率，使霍尔离子源适用于多种不同的工况。由于高电压、小电流的放电状态是脉冲放电模式的特点，其最高放电电压可达5000V以上，因此，此时离子束流密度小，能量高，由此达到管内壁处理的效果。

为了更好的使用本实施例，所述槽口1的口径由靠近装置本体中心的一端朝向远离装置本体中心的一端逐渐增大。该结构近似于喇叭状；由于离子源气体产生正常辉光放电时，电子被环形磁镜场约束产生角向运动形成霍尔电流，因此喇叭状结构使其斜面具有磁场强度，由此实现对放电等离子体的有效约束。

需要说明的是，在本实施例中，以第一本体6说明，实际上槽口1从靠近装置本体中心的一端朝其外侧依次是第一阳极14、第一本体6和第一磁极2。

如图6所示，当本实施例霍尔离子源使用直流放电模式时，第一阳极14电极的电压为0.5～2kV，第二阳极15电极的电压为0～2kV；接地电极接入大地。此时第一永磁体4和第二永磁体5产生的磁场通过第一磁极2和第二磁极3在放电区域形成一个磁镜场，放电位置17磁场强度为100～500Gs。离子源气体在第一阳极14电极和第二阳极15电极之间进行预电离，之后主电离。在这个过程中，离子源气体在交叉的电磁场区域内发生碰撞电离，通过级联碰撞产生的电子被磁化而约束在放电位置17，未被磁化的离子在电场的作用下加速离开放电区域，此时放电等离子体稳定工作气压不高于10-1Pa～10-3Pa。

若需要提高离子束能量，可通过降低第二阳极15电极电压或者将第二阳极15电极改为悬浮电极，拉高第一阳极14电极的电压，即可在360°的方向上获得均匀的高能离子束流。

当离子源气体为惰性气体时，可以作为各种金属或非金属管内壁清洗离子源；当离子源气体为N2时，霍尔离子源工作在高压工况下，可对金属管进行离子注入材料，以达到表面改性。注入的氮离子与管内壁或外壁表面的金属原子键合，形成Fe-N、Ti-N、Al-N键；同理，当工作气体为C2H2时，可以在管内壁沉积类金刚石膜。

如图7所示，当本实施例霍尔离子源使用脉冲放电模式时，第一阳极14电极的电压为1～10KV，第二阳极15电极的电压为0～10kV，脉冲频率为0.5～20kHz，接电电极接入大地。此时第一永磁体4和第二永磁体5产生的磁场通过第一磁极2和第二磁极3在放电位置17形成一个磁镜场，放电位置17磁场强度为100～500Gs。离子源气体在第一阳极14电极和第二阳极15电极之间进行预电离，之后主电离。此时离子源气体在交叉的电磁场区域内发生碰撞电离，通过级联碰撞产生的电子被磁化而约束在放电位置17，未被磁化的离子在电场的作用下加速离开放电区域，此时放电等离子体的工作气压稳定在10-1Pa～10-3Pa下。

在本实施例中，可通过调整第一阳极14电极上的脉冲电压大小和第二阳极15电极上的脉冲电压大小来获得不同的离子束流大小。

利用惰性气体为离子源气体时，可以作为各种金属或非金属管内壁清洗的离子源，也可以用来改变非金属内壁的亲水性；当离子源气体为N2时，提高第一阳极14电极的脉冲放电电压和脉冲频率，并适当降低脉冲电压的占空比，可对金属管进行高能离子注入，注入的更多的氮离子与管内壁或外壁表面的金属原子键合，形成Fe-N、Ti-N、Al-N键；同理，当工作气体为C2H2时，可以在内壁沉积类金刚石膜。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种霍尔离子源，其特征在于，包括装置本体；所述装置本体为绝缘材料制成且为圆形结构，其外侧设有槽口；所述装置本体的两侧面分别设有第一磁极和第二磁极；所述装置本体的中部设有相互对称且贯穿装置本体和两个磁极的第一永磁体和第二永磁体。

2.如权利要求1所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述装置本体的中部设有用于离子源气体进入装置本体的送气孔，所述槽口设有用于离子源气体从装置本体的内部喷出的若干出气孔。

3.如权利要求2所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述装置本体的内部设有若干依次连通的环形缓冲腔；靠近装置本体中心的缓冲腔与送气孔连通；远离装置本体中心的缓冲腔与槽口连通。

4.如权利要求3所述的一种霍尔离子源，其特征在于，缓冲腔共设有三级，分别为第一级缓冲腔、第二级缓冲腔和第三级缓冲腔；所述第一级缓冲腔与送气孔连通；所述第一级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的第一缓冲孔与第二级缓冲腔连通；所述第二级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的第二缓冲孔与第三级缓冲腔连通；所述第三级缓冲腔通过若干沿其腔壁均匀排列的出气孔与槽口连通。

5.如权利要求4所述的一种霍尔离子源，其特征在于，出气孔的数量大于第二缓冲孔的数量大于第一缓冲孔的数量。

6.如权利要求4所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述装置本体远离其中心位的置两侧分别设有第一阳极和第二阳极；所述第一阳极和第二阳极的端部之间形成阳极间隙；所述第一磁极和第二磁极的端部之间形成放电位置；所述阳极间隙的一端连通出气孔，另一端连通放电位置。

7.如权利要求6所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述第一阳极和第一磁极之间，以及第二阳极和第二磁极之间均设有第一绝缘体。

8.如权利要求6所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述装置本体设有用于冷却第一阳极和第二阳极的冷却水通道。

9.如权利要求8所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述冷却水通道包括设置于第一阳极一侧的第一水道，以及设置于第二阳极一侧的第二水道；所述第一水道设有第一入水口和第一出水口；所述第二水道设有第二入水口和第二出水口；所述装置本体设有贯穿其中部的第一管道孔和第二管道孔；所述第一管道孔的一端通过第一冷水管与第一出水口连通，另一端通过第二冷水管与第二入水口连通；所述第二管道孔的一端通过第三冷水管与第二出水口连通。

10.如权利要求9所述的一种霍尔离子源，其特征在于，所述第一管道孔和第二管道孔的两端均设有第二绝缘体。

11.一种霍尔离子源的放电系统，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的霍尔离子源；所述第一阳极和第二阳极组成第一阳极电极；所述第一磁极和第二磁极组成接地电极；若干缓冲腔组成第二阳极电极；所述第一阳极电极与外部阳极电源电性连接，所述第二阳极电极与另一个外部阳极电源电性连接，所述接地电极接地。

12.如权利要求11所述的一种霍尔离子源的放电系统，其特征在于，所述槽口的口径由靠近装置本体中心的一端朝向远离装置本体中心的一端逐渐增大。

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