CN115305436B - 双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及工业生产技术领域，特别涉及一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法，其中，包括：设备本体；空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体；至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。由此，解决了相关技术中等离子激发设备由于等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层，无法有效提高扩散速率等问题。
Description
技术领域
本申请涉及工业生产技术领域，特别涉及一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法。
背景技术
离子渗氮是一种环保、高效的金属表面强化方式，是金属表面改性的常用方式之一，可以大幅提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性而被广泛运用在工业生产中，将将氮原子渗入工件表面，可以改变工件表层化学成分和组织。
相关技术中，扩渗设备多利用辉光放电，将高电压加载在两电极上，激发电极间气体形成等离子体，但是等离子体密度不够，若想获得较厚的渗氮层，需延长热处理时间，能耗高，且易导致工件大变形。
发明内容
本申请提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法，以解决相关技术中等离子激发设备由于等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层，无法有效提高扩散速率等问题。
本申请第一方面实施例提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备，包括：设备本体；空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体；至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。
可选地，所述射频放电线圈包括：金属线圈，所述金属线圈与射频电源相连，用于根据所述射频电源通入的高频交流电在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体；隔离层，所述隔离层包裹在金属线圈的表面，用于隔离金属线圈外部的等离子体。
可选地，所述金属线圈为空心结构，还包括：冷却管，所述冷却管设置于所述金属线圈内，且所述冷却管内通入冷却液，用于对所述金属线圈进行冷却降温。
可选地，所述空心阴极装置包括：阴极金属，所述阴极金属与直流电源的负极相连，其中，所述直流电源的正极连接有阳极金属；空心阴极筒，所述空心阴极筒设置于所述阴极金属上；绝缘支撑板和设置于所述绝缘支撑板上的工件，用于与所述空心阴极筒发生直流辉光放电效应产生第一等离子体。
可选地，还包括：出气孔和进气孔，所述出气孔和所述进气孔设置于所述设备本体的不同位置处。
可选地，每个射频放电线圈均设置于所述空心阴极装置内的预设位置处。
可选地，所述设备本体为离子扩渗炉。
本申请第二方面实施例提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，包括以下步骤：确定离子扩渗设备的目标域方程和目标边界条件；将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上，对所述二维轴对称模型划分网格，定义等离子体激发过程的瞬态时间范围，求解瞬态时间范围内的离子渗氮、等离子体形成和动态稳定过程，得到求解结果；将所述求解结果绕所述二维轴对称模型的对称轴旋转，得到伪三维模拟结果，基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，并基于所述最优设备构型、最优设计参数和实际设备条件生成所述离子扩渗设备的设计方案。
可选地，在将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上之前，包括：根据所述离子扩渗设备的设计目标建立所述离子扩渗设备的等比例物理模型，并利用预设简化策略所述等比例物理模型简化为所述预设二维轴对称模型。
可选地，所述基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，包括：获取所述离子扩渗设备的优化目标，其中，所述优化目标为所述等离子体分布密集程度满足预设密集条件且距离样品台的实际距离满足合理距离条件；根据所述优化目标调整至少一个设备构型参数，并调整射频电源的输入功率和直流电源的输入电压，直到满足所述优化目标，得到所述最优设备构型和所述最优设计参数。
可选地，所述设备构型参数包括射频电源所连接铜制线圈的直径、环绕圈数、线圈环绕周长、线圈在炉内的空间位置。
本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法。
由此，本申请至少具有如下有益效果：
(1)本申请实施例在渗氮炉内加装铜制线圈，通以高频交流电，利用电感耦合等离子体的方式在线圈附近激发等离子体，在渗氮炉内增加第二种等离子体激发源，并与原有的利用空心阴极效应的直流辉光放电产生的等离子体进行有效耦合，以获得稳定的、高密度的、可控的等离子体，从而提升渗氮效率，获得更厚的渗氮层。
(2)本申请实施例提出的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，通过模拟软件设定合适的域方程和边界条件，实现了针对离子渗氮的关键步骤-等离子体形成过程和动态稳定分布结果的二维模拟，并基于模型对实验关键参数进行了多次优化，得到离子扩渗设备的最优设计方案，相比于实验测定法，模拟法进行参数优化具有成本低、效率高、结果更准确的优点。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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为本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备图；
图2为本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法流程图；
图3为本申请实施例在双等离子体激发源作用下的磁场分布图；
图4为本申请实施例在双等离子体激发源作用下的电子密度分布图；
图5为本申请实施例在只有空心阴极的辉光放电时的渗氮炉内电子密度分布图；
图6为本申请实施例在温度、气压、直流辉光电源电压、射频电源功率下的模拟结果图；
图7为本申请实施例的三次构型优化结构图。
附图标记说明：
1-离子扩渗炉，2-阳极金属，3-空心阴极筒，4-玻璃，5-金属线圈，6-冷却管，7-出气孔，8-进气孔，9-阴极金属，10-绝缘支撑板，11-工件，12-直流电源，13-射频电源。
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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
离子渗氮是金属表面改性的常用方式之一，可以大幅提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性而被广泛运用在工业生产中，所以将氮原子渗入工件表面，可以改变工件表层化学成分和组织，目前广泛使用的扩渗设备多利用辉光放电，将高电压加载在两电极上，激发电极间气体形成等离子体，服役条件逐渐苛刻，由这种方式制得的渗氮层再不足以满足实际需求。
等离子体的一种激发方式为辉光放电，辉光放电即通过在炉内正负极间施加电压，对气体进行电离，使气体转变为等离子态，炉内游离的气体离子在电场的作用下，高速轰击处在阴极电位的工件表面，使工件表面吸附气体原子并向材料内部扩散形成扩渗层，同时溅射出来铁原子和游离的气体粒子结合形成化合物并沉积在工件表面。
而辉光放电的空心阴极效应，是指电子在辉光放电过程中，被两个相邻的阴极降位区约束，在其中来回震荡，增加了与气体分子之间的碰撞几率，引起更多地激发或电离过程，电流密度和负辉光强度增加。
等离子体的另一种激发方式是射频放电，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层，所以由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用。
射频放电可以获得比辉光放电更高的等离子体密度，但该技术更多利用在等离子体分析上，ICP(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer)电感耦合等离子光谱发生仪，电感耦合等离子体(ICP)是用于原子发射光谱的主要光源，其中，ICP具有环形结构、温度高、电子密度高、惰性气氛等特点，用它做激发光源具有检出限低、线性范围广、电离和化学干扰少、准确度和精密度高等分析性能，但是应用于离子扩渗较少，究其原因两种放电形式所存在的条件稍有不同，射频放电的炉内气压一般更低(1～10pa)，而辉光放电的气压一般在300pa左右，这是因为射频放电获得的等离子体密度更高，使得相同气压下有更好的等离子体导电性。
具体而言，图1为本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备图。
如图1所示，该双等离子激发源的离子扩渗设备包括：设备本体、空心阴极装置和至少一个射频放电线圈。
其中，空心阴极装置用于根据直流辉光放电效应在空心阴极装置内部产生第一等离子体；射频放电线圈用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用第三等离子体在设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。
其中，设备本体可以是离子扩渗炉1。
其中，预设频率可以是用户事先设置的频率，也可以是计算机通过多级数据模拟得出的频率，例如：频率为12MHZ，在此不做具体限定。
其中，高频交流电可以是13.56MHZ，第一等离子体可以是直流辉光放电激发的等离子体，第二等离子体可以是射频放电激发的等离子体，第三等离子体可以是直流辉光放电激发的等离子体与射频放电激发的等离子体想耦合产生的等离子体，在此不做具体限定。
可以理解的是，本申请实施例在渗氮炉内加装铜制线圈，通以高频交流电，利用电感耦合等离子体的方式在线圈附近激发等离子体，在渗氮炉内增加第二种等离子体激发源，并与原有的利用空心阴极效应的直流辉光放电产生的等离子体进行有效耦合，以获得稳定的、高密度的、可控的等离子体，从而提升渗氮效率，获得更厚的渗氮层。
在本申请实施例中，空心阴极装置包括：阳极金属2、空心阴极筒3、阴极金属9、绝缘支撑板10、工件11和直流电源12。
其中，阴极金属9与直流电源12的负极相连，直流电源12的正极连接有阳极金属2；空心阴极筒3设置于阴极金属9上；绝缘支撑板10和设置于绝缘支撑板10上的工件11，用于与空心阴极筒3发生直流辉光放电效应产生第一等离子体。
可以理解的是，本申请实施例通过在空心阴极装置内的正负极金属之间施加电压，对气体进行电离，使气体转变为等离子态，炉内游离的气体离子在电场的作用下，高速轰击处在阴极电位的工件表面，使工件表面吸附气体原子并向材料内部扩散形成扩渗层，通过直流辉光放电效应产生等离子体。
在本申请实施例中，射频放电线圈包括：隔离层4、金属线圈5和射频电源13。
其中，金属线圈5与射频电源13相连，用于根据射频电源13通入的高频交流电在空心阴极装置内部产生第二等离子体；隔离层4包裹在金属线圈5的表面，用于隔离金属线圈5外部的等离子体。
其中，金属线圈5可以是铜制材质，隔离层4可以是玻璃材质。
其中，金属线圈5为空心结构，还包括：冷却管6。其中，冷却管6设置于金属线圈5内，且冷却管6内通入冷却液，用于对金属线圈5进行冷却降温。
其中，每个射频放电线圈均设置于空心阴极装置内的预设位置处。其中，预设位置可以是用户事先设置的位置处，例如空心阴极筒的内壁侧，在此不做具体限定。
可以理解的是，本申请实施例的每个射频放电线圈内部为空心结构，以方便通入冷却水避免线圈过热，且在线圈外包裹隔离层以避免等离子体直接轰击溅射，影响射频放电线圈的导电性。
在本申请实施例中，还包括：出气孔7和进气孔8，出气孔7和进气孔8设置于设备本体的不同位置处。
可以理解的是，本申请实施例通过对离子扩渗炉内进行换气，控制离子扩渗炉内气压的稳定性，保证炉内气氛处于低气压状态，保证气体的电离率，过多的气体将降低电离率，浪费气体，且会导致电流小，升温慢。
具体地，以LDMC-20辉光放电离子渗氮炉为基础，在内部添加铜制线圈，线圈外包裹玻璃以避免等离子体直接轰击溅射，影响铜圈导电性，铜线圈内部为空心结构，通入冷却水以避免线圈过热；相比于现有的直流辉光放电渗氮炉，加入了射频放电模块，并将两种等离子激发源有效耦合，提高了炉内等离子体密度，并使等离子体更集中，这有利于获得更高的渗氮效率，厚的渗氮层，且缩短处理时长，节省电能和气体消耗，而且两种激发源分别利用两套电源供电，可以不同时使用，只运行直流辉光放电电源，设备就是一台配备空心阴极装置的直流辉光渗氮炉；只运行射频电源，设备也可以激发等离子体；两套运行模式既可相互叠加，又可独立运行，方便设备维护和修理。
根据本申请实施例提出的双等离子激发源的离子扩渗设备，在渗氮炉内加装铜制线圈，通以高频交流电，利用电感耦合等离子体的方式在线圈附近激发等离子体，在渗氮炉内增加第二种等离子体激发源，并与原有的利用空心阴极效应的直流辉光放电产生的等离子体进行有效耦合，以获得稳定的、高密度的、可控的等离子体，从而提升渗氮效率，获得更厚的渗氮层。由此，解决了相关技术中辉光放电渗氮炉等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层等技术问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法的流程图。
图2是本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法的流程图。
如图2所示，该双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，包括以下步骤：
在步骤S101中，确定离子扩渗设备的目标域方程和目标边界条件。
其中，目标域方程包含电子密度方程、电子能量密度方程、电子能量损耗方程、电子能量分布方程等基本物理方程，在此不做具体限定。
其中，目标边界条件包含合适的电子流场、电子能量流场、非电子表面反应方程等边界条件，在此不做具体限定。
可以理解的是，本申请实施例确定适恰的目标域方程和目标边界条件是进行模拟计算，获得仿真结果的必要前提。
在步骤S102中，将目标域方程和目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上，对二维轴对称模型划分网格，定义等离子体激发过程的瞬态时间范围，求解瞬态时间范围内的离子渗氮、等离子体形成和动态稳定过程，得到求解结果。
其中，预设二维对称模型可以是集成反应工程、物理动力学、传热、传质和电磁学的二维多物理模型，在此不做具体限定。
可以理解的是，本申请实施例通过获取到的目标域方程和目标边界条件对离子渗氮、等离子体形成过程和动态稳定分布进行仿真模拟，得到二维对称模型，通过建立的二维对称模型可以模拟、预测和控制渗氮炉中的等离子体形成过程，为扩渗工艺优化和扩散炉结构设计提供参考和指导。
在本申请实施例中，在将目标域方程和目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上之前，包括：根据离子扩渗设备的设计目标建立离子扩渗设备的等比例物理模型，并利用预设简化策略等比例物理模型简化为预设二维轴对称模型。
其中，预设简化策略可以是三维的实物模型简化为二维轴对称模型，在此不做具体限定。
可以理解的是，本申请实施例利用软件根据既定的扩渗炉实物尺寸，建立1:1大小的物理模型，并将目标域方程和目标边界条件定义在物理模型上，通过合理简化，将三维的实物模型简化为二维轴对称模型，便于后续仿真的准确性。
在步骤S103中，将求解结果绕二维轴对称模型的对称轴旋转，得到伪三维模拟结果，基于伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，并基于最优设备构型、最优设计参数和实际设备条件生成离子扩渗设备的设计方案。
其中，最优设备构型可以是以现有的LDMC-20辉光放电离子渗氮炉为原型，在内部添加铜制线圈，线圈外包裹玻璃，且铜线圈内部为空心结构，通入冷却水的构造。
其中，最优设计参数可以是炉内温度为773k，气压为2.5Torr，辉光电源电压为600v，射频电源功率为500w。
可以理解的是，本申请实施例通过多次模拟优化设备构型和设备参数，得到最优设备构型和最优设计参数，并基于此生成离子扩渗设备的设计方案，相比于实验法优化，模拟法成本更低，效率更高，结果更精确。
在本申请实施例中，基于伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，包括：获取离子扩渗设备的优化目标，其中，优化目标为等离子体分布密集程度满足预设密集条件且距离样品台的实际距离满足合理距离条件；根据优化目标调整至少一个设备构型参数，并调整射频电源的输入功率和直流电源的输入电压，直到满足优化目标，得到最优设备构型和最优设计参数。
其中，设备构型参数包括射频电源所连接铜制线圈的直径、环绕圈数、线圈环绕周长、线圈在炉内的空间位置。
可以理解的是，本申请实施例以获得等离子体分布密集且距离样品台距离合理为优化目标，调整射频电源所连接铜制线圈的直径、环绕圈数、线圈环绕周长、线圈在炉内的空间位置等设备构型参数，调整射频电源的输入功率和直流电源的输入电压，经反复尝试，最终获得等离子体集中且空间分布合理的设备构型和最优电源输入值，提升了仿真数据的准确性。
根据本申请实施例提出的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，通过模拟软件设定合适的域方程和边界条件，实现了针对离子渗氮的关键步骤-等离子体形成过程和动态稳定分布结果的二维模拟，并基于模型对实验关键参数进行了优化，得到离子扩渗设备的最优设计方案，相比于实验测定法，模拟法进行参数优化具有成本低、效率高、结果更准确的优点。
下面将对双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法进行详细的阐述，具体如下：
利用模拟软件创造性的实现了对原空心阴极辅助的直流辉光放电渗氮炉内等离子体分布的二维模拟，并添加了可实现射频放电的铜制线圈，使得渗氮炉主体经适当的简化后为二维旋转模型，并对高频线圈激发等离子体、利用空心阴极效应的辉光放电激发的等离子体、以及二者的耦合均利用商业软件进行模拟，并进行构型优化，模拟基于电子密度方程、电子能量密度方程、电子能量损耗方程、电子能量分布方程等基本物理方程，并施加合适的电子流场、电子能量流场、非电子表面反应方程等边界条件，实现对双等离子体激发源作用下的等离子体仿真。
其中，最优设计方案得出的仿真结果如图3所示的双等离子体激发源作用下的磁场分布和如图4所示的双等离子体激发源作用下的电子密度分布，对比图5所示的只有空心阴极的辉光放电时的渗氮炉内电子密度分布，可以看出在添加了高频线圈驱动的射频放电后，炉内电子密度提升了三个数量级，高密度的等离子体可以有效提升扩渗效率和渗氮层厚度，根据模拟结果和实际设备条件，确定了在装备空心阴极装置的辉光放电渗氮炉中加装通以高频交流电的射频放电线圈以实现双离子源叠加的设计，从渗氮过程、渗氮效率等方面综合考量，如图6所示得到最优的参数为炉内温度773k，气压2.5Torr，辉光电源电压600v，射频电源功率500w。
然而在具体仿真过程中，需要对整个连接射频电源的电感式等离子体激发源在渗氮炉的放置方式经过多次模拟优化，对铜圈直径、外部绝缘体厚度、空间位置需要进行多次优化，使得最终耦合得到的等离子体分布更为合理，更方便直接使用，而图7为较有代表性的三次构型优化模拟结果，其中，图7中的a图中等离子体聚集在渗氮炉顶部，不利于样品的放置；图7中的b图中等离子体分布呈“灯泡状”，实际使用易造成样品表面等离子密度分布不均；图7中的c图中，等离子体高度集中在线圈中心，有利于实际操作。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
Claims (9)
1.一种双等离子激发源的离子扩渗设备，其特征在于，包括：
设备本体；
空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体，其中，空心阴极装置包括：阴极金属、空心阴极筒、绝缘支撑板和设置于所述绝缘支撑板上的工件，所述阴极金属与直流电源的负极相连，其中，所述直流电源的正极连接有阳极金属，所述空心阴极筒设置于所述阴极金属上，绝缘支撑板和设置于所述绝缘支撑板上的工件用于与所述空心阴极筒发生直流辉光放电效应产生第一等离子体；
至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗，其中，所述射频放电线圈包括：金属线圈、隔离层和冷却管，所述金属线圈为空心结构，所述金属线圈与射频电源相连，用于根据所述射频电源通入的高频交流电在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，所述隔离层包裹在金属线圈的表面，用于隔离金属线圈外部的等离子体，所述冷却管设置于所述金属线圈内，且所述冷却管内通入冷却液，用于对所述金属线圈进行冷却降温。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
出气孔和进气孔，所述出气孔和所述进气孔设置于所述设备本体的不同位置处。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的设备，其特征在于，每个射频放电线圈均设置于所述空心阴极装置内的预设位置处。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的设备，其特征在于，所述设备本体为离子扩渗炉。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定离子扩渗设备的目标域方程和目标边界条件；
将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上，对所述二维轴对称模型划分网格，定义等离子体激发过程的瞬态时间范围，求解瞬态时间范围内的离子渗氮、等离子体形成和动态稳定过程，得到求解结果；
将所述求解结果绕所述二维轴对称模型的对称轴旋转，得到伪三维模拟结果，基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，并基于所述最优设备构型、最优设计参数和实际设备条件生成所述离子扩渗设备的设计方案。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上之前，包括：
根据所述离子扩渗设备的设计目标建立所述离子扩渗设备的等比例物理模型，并利用预设简化策略所述等比例物理模型简化为所述预设二维轴对称模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，包括：
获取所述离子扩渗设备的优化目标，其中，所述优化目标为所述等离子体分布密集程度满足预设密集条件且距离样品台的实际距离满足合理距离条件；
根据所述优化目标调整至少一个设备构型参数，并调整射频电源的输入功率和直流电源的输入电压，直到满足所述优化目标，得到所述最优设备构型和所述最优设计参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设备构型参数包括射频电源所连接铜制线圈的直径、环绕圈数、线圈环绕周长、线圈在炉内的空间位置。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求5-8任一项所述的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法。
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