霍尔无栅离子源的离子束性能测试

霍尔无栅离子源的离子束性能测试

离子束辅助镀膜是 90年代初发展起来的一种新技术 ，离子源是离子束辅助蒸发 离子束 溅 射等 技 术 的关 键装 置 ．离 子 束辅 助 蒸 发技 术 提 高 了膜 层 的附 着力 和 机 械强 度 ，缩 短 了镀膜生产的周期 ，降低 了镀膜零件的报废率 ，使一些按常规工艺不能或不易制造的薄膜得以实现 … ．因此离 子 束 辅 助蒸 发 工艺 在科 研 生 产 中将 越 来 越受 到 重视 ，并将 得 到不 断 的 完善 和 发展 ．但 是 ，传 统 的有 栅 离子 源 引 出 的离 子束 束 流 有 限 、有 效 幅 照面 积小 ，难 于满 足 当 今工 业生产的需要 ，因此 ，研究适合工业镀膜要求 的离子源迫在眉睫 ．本 文介 绍 自行 研 制 的新 型 的霍 尔 无栅 离 子 源 ，该 离 子 源 不仅 具 有大 的离子 束 流 （安 培量级 ），而且具有大的有效辐照面积 （有效辐照直径可达 1m），既可以提供惰性气体离子（如氩离子 ），也可提供纯氧等反应气体离子 ，从而克服了现有 的有栅离 子源的技术局限性 ．此外 ，由于不需要栅极 引出系统 ，大大地简化 了离子源的结构 ，提高 了使用寿命与可靠性 ．而且它还 具有 较 高 的离 子 引 出能 量并 可 在较 大 能 量 范 围 内调节 的特 点 ．

1 工作原理该 离 子源 由 阳极 、阴极 和 磁 场线 圈 构成 ．工 作 气 体 沿 着 阳极 边 缘 均匀 进 入 放 电 区 ，阴极发 射 的部 分 电子通 过 扩 散 回流 进 入放 电 区 ，回流 进 入 放 电 区 的 电子 流 ，轰 击 电离 气 体 ，形 成放电等离子体 ．部分 电子则提供 中和 电子流，用于磁场加速 ．在电场作 用下有轴 向的电子 流及 反 向 的 电子流 ，在 磁 场 作 用 下存 在 封 闭 的周 向电 流 ，称 之 为 霍 尔 电 流 ．径 向磁 场 可 以 加 速该 电流 ，使 等 离 子 体 获 得 能 量 ．该 加 速 仅 发 生 在电子 回旋 半 径 的区域 内 ，可 以使 加 速器 与 电离 区分 开 ，从 而 获得 更 高 的 效率 ．霍 尔 无栅 离 子 源 的 结 构 如 图 1所 示 ．磁 场加 速离 子 有两 种 机理 ，一 是 由磁 场 分 布差 异 导 致的加 速 ．这 种 差 异 表 现 在 ：电 导 率 在 磁 场 的 平 行方 向及 垂 直方 向相差 数 十倍 ，造 成 了 电位 分 布 类似 于磁 力线 的分 布 ．离 子 在该 电场 作 用 下 向周中心 加 速 ．第二 个 加 速 机理 是 由于霍 尔 电 流 的加速 作用 ．这 个 加 速 占 去 阳 极 电位 的 大 部 分 ，起 主要 作用 ．所 谓 霍尔 电流 加速 器 是 利 用磁 场 来 加 速电子 流 ，电子 流加 速 过程 中产 生 了对 离子 加 速 的电位差 ．该 过 程 主要 发 生在 径 向磁 场 强度 高 的端图 1 无栅离 子源结构 简图部 ，因此也称该源为端部霍尔加速器 ．图 1中显示 的是磁场线 圈，但我们对永久磁场 也进行 过试 验 ，工 作 特性 没 有 改变 ．