端部霍尔离子源的磁场设计与数值模拟.doc

第 43 卷第 3 期2006 年 5 月 12 月真 空vacuumvo l. 43, no. 3m ay. 2006端部霍尔离子源的磁场设计与数值模拟汪礼胜, 唐德礼, 熊涛, 陈庆川(核工业西南物理研究院, 四川 成都 610041)摘 要: 首先简单介绍了用于离子束辅助沉积的端部霍尔离子源的工作原理, 然后分析了其性能对磁场的要求, 据此介绍了磁路组件的设计。最后, 采用a n sys 大型有限元分析软件对一个条形的端部霍尔离子源的磁 场进行了模拟计算, 并与实验结果进行了比较, 获得了满意的结果。 通过对模拟结果的分析, 获得了对该离子 源磁场分布的直观深入的认识, 为具体的端部霍尔离子源的改进设计提供了理论指导。关键词: 端部霍尔离子源; 离子束辅助沉积; 磁场; 数值模拟中图分类号: o 539文献标识码: b文章编号: 100220322 (2006) 0320055204d e s ign an d n um er ica l s im ula t ion of m a gn e t ic f ie ld f or en d- ha ll ion sourcew a n g l i2sh en g,(s ou thw es te rnta n g d e2li, x ion g t ao , ch en q in g2ch u ani n s t itu te of p hy s ics, c h en g d u 610041, c h in a )a bstra c t: in t ro duce s th e op e ra t ing p r inc ip le o f end2h a ll io n so u rce fo r io n 2beam 2a ssisted depo sit io n and d iscu sse s w h a tm agne t ic f ie ld is requ ired by end2h a ll io n so u rce. t h en , de sc r ibe s th e de sign p r inc ip le s and m e tho d s fo r th e m agne t ism sy stem o f end2h a ll io n so u rce. m o reo ve r, th e m agne t ic f ie ld d ist r ibu t io n o f th e io n so u rce w a s sim u la ted th eo re t ica lly by a n sys so f tw a re, o f w h ich th e re su lt s w e re com p a red w ith tho se o f exp e r im en t s. it w a s fo und th a t th e se tw o re su lt s co nfo rm w e ll to each o th e r. a na lyzing th e sim u la t io n re su lt s, a v isua l in sigh t in to m agne t ic f ie ld o f th e io n so u rce is ga ined, th u s p ro v id ing a th eo re t ica l gu idance fo r im p ro v ing th e de sign o f end2h a ll io n so u rce.key word s: en d2h a ll io n so u rce; io n 2b eam 2a ided depo sit io n; m agn e t ic f ie ld; n um e r ica l sim u la t io n传统的光学镀膜主要采用单纯的热蒸发技术,但这种技术很难获得与基底牢固结合和性能良好的 光学薄膜。近些年来, 人们根据航天电推进技术研制 出各种民用离子源, 以实现离子束辅助沉积。 目前, 用于离子束辅助沉积最具有代表性的离子源是无栅极端部霍尔离子源1, 2 。这种源以其低能大束流等离子体实现高质量的离子束辅助镀膜。此外, 材料表面 上沉积的污染物会影响表面粘结能力, 可以采用这 种离子源引出的载能离子清洗、活化和强化材料表 面。 为了满足工业上大面积离子束辅助镀膜和等离 子体清洗的需要, 我们研制了一台条形端部霍尔离 子源, 该源的尺寸 ( 长宽高) 为 1000 mm 140 mm 100 mm , 采用永久磁铁提供磁场, 阴极灯丝采 用直径为 0. 5 mm 的钨丝。端部霍尔离子源是以电磁联合工作为基础的,而合适的磁场是这种离子源正常工作的基础, 直接 影响离子源的工作性能。因此, 磁路设计是端部霍尔 离子源设计的核心。 本文首先简单介绍端部霍尔离子源的工作原理, 然后从其工作性能与磁场的关系开始, 分析这种离子源性能对磁场的要求, 然后以此 为依据, 探讨了该离子源磁路组件的设计。 最后, 采用a n sy s 大型有限元分析软件对我们设计的条形 端部霍尔离子源磁场进行模拟, 并与实验结果进行了比较, 获得了满意的结果。通过对有关模拟计算结 果的分析, 获得对磁场分布更为直观深入的认识, 在 此基础上为具体的端部霍尔离子源的改进设计提供指导, 以获得最佳的磁场分布。端部霍尔离子源的工作原理典 型的端部霍尔离子源的基本工作原理如图 1 所示, 这是一个截面图, 实际的离子源可以做成圆柱 型的, 也可以做成条形的。 在这种离子源中, 阳极被 设 置在离子源的一端, 阴极一般是钨丝 ( 或空心阴 极)。阳极围成的空间构成了离子源的电离室。在离 子源的后部装有电磁线圈或永久磁体, 以产生沿轴 线方向并逐渐发散的磁场。 在阳极表面附近区域磁1收稿日期: 2005205210作者简介: 汪礼胜 (19762) , 男, 安徽省桐城市人, 工程师, 硕士生。力线和电力线几乎是正交的, 这种交叉电磁场的存在捕获了从阴极发射的电子, 这些电子绕磁力线旋 转并且在阳极表面附近区域内作角向漂移, 形成环形的霍尔电流。 从而增加了电子与中性气体分子或 原子的碰撞几率, 提高了气体的离化率。在阳极表面 附近区域由于电子和中性气体碰撞电离形成了等离 子体, 其中离子在阳极和阴极电势差以及交叉电磁 场所形成的霍尔电流的共同加速下, 从离子源下游引出。由于离子在离开加速区时, 正好处于磁场的端 部, 所以把这种离子源叫做端部霍尔离子源。为电子受到的磁场力造成的电势差, k t e 为电子温度 (ev ) , b 及b 0 为不同位置的磁场强度。离子在此 电势差的作用下将沿着磁场减弱的方向加速引出。在我们设计的条形端部霍尔离子源中, b为悬浮板上附近轴向磁场, b 0 为出口处轴向磁场, (b b 0 ) 在5 10 之间4 。在离子束辅助沉积光学镀膜中, 离子能量对光 学膜层的质量影响很大, 一般所需要的最佳离子能量为10 100 ev 5, 6 。通常离子平均能量是放电电压(阳极电压) 的 60% 左右。 潘永强等人3 对于端部霍 尔离子源的离子能量和放电电压的关系进行了研究, 研究表明离子能量在放电电压较小时是放电电 压的70% 左右电子伏特, 当放电电压较高时, 离子能量约为放电电压的 60% 电子伏特。这主要是由于离 子源本身的磁场分布特性所决定的。为了获得大面积最佳的辅助镀膜效果, 一般希 望具有更高的离子束流密度。一般而言, 总离子束流 密度随着阳极电流密度的增加而增加, 但总离子束流密度与阳极电流密度的比值主要取决于所采用的4磁场及放电结构 。 开始时这个比值随磁场增加可以线性增加, 但到达某个临界磁场后就饱和了。此外 磁场也不能过大, 否则放电就不稳定, 所以磁场必须 取一个合适的值。为了提高放电效率、降低放电损失及中性损失,放电区的磁场一般采用边缘磁场及发散磁场。 气耗 与中性损失相关, j 0 = k 2b v a 12 , 其中 j 0 为中性损 失即未经电离的中性气体量, k 2 为常数, b 为放电 区的磁场, v a 为阳极 (放电) 电压。 可见适当采用低图 1 端部霍尔离子源工作原理图f ig. 1 sch em a t ic o f end2h a ll io n so u rce端部霍尔离子源结构比较简单, 不需要栅极, 从 离子源引出的离子能量较低 ( 离子的能量可降低到100 ev 左右) , 并且具有离子束发散角大、离子束流 密度高等特点, 因而使其更利于光学镀膜的需要3 。端部霍尔离子源对磁场的要求最初研究霍尔离子源主要是用于航天推进器, 霍尔推进器初期设计时, 其电离区域深入推进器通 道内部, 靠近阳极底板表面。 这样, 尽管轴向电场将 电离出来的离子沿轴向加速, 但由于径向磁场的存 在, 这些运动离子会受到周向洛仑兹力的作用而偏 离轴线方向, 这极大地降低了推进器的性能和寿命, 但是对于辅助镀膜来说, 离子偏离轴线反而增加了 离子的发散角度, 使其更利于辅助镀膜的需要。在端 部霍尔离子源中, 由于磁场的存在, 主要有两种机理 产生加速离子的电势差1, 2 。 其一, 由于在磁场的平 行方向和垂直方向的电导率相差很大 ( ) , 造 成了电势分布类似于磁力线的分布, 离子在该电势 分布造成的电场作用下向轴中心加速, 该电势差只 占阳极电压的一小部分。其二, 由于端部霍尔离子源 的轴向存在较大的磁场梯度, 在该磁场梯度作用下, 电子回旋半径在不同磁场强度位置下也不同, 在环 形轨道上运动的电子所受的非均匀磁场作用的随时 间平均的力平行于磁场并指向磁场减弱的方向 ( 或 逆向磁场梯度方向)。 对于均匀的等离子体密度, 等2磁场能减少气耗, 但过分降低b的离子流, 这并不可取4 。值会降低所能获得从以上分析可以知道, 端部霍尔离子源的磁场分布对离子引出、离子能量、离子束流密度和气耗等 都有很大影响。 要想得到理想的用于大面积均匀辅助镀膜、清洗的离子束流, 磁力线的分布必须合理, 如图 1 磁场分布, 磁力线在阳极极靴表面附近几乎 与其平行, 并且在阳极极靴表面附近区域的磁场较 强, 出口处磁场较弱, 磁力线呈发散状, 并且悬浮板 上附近轴向磁场与出口处轴向磁场之比在 5 10 之间。磁路组件的设计3端部霍尔离子源的磁路组件主要有电磁线圈(或永久磁铁)、磁极靴等。电磁线圈 (或永久磁铁) 产 生的磁场在经过适当设计的磁极靴的合理引导下, 在离子源阳极附近区域及出口处形成满足要求的磁 场。磁路的设计对端部霍尔离子源是至关重要的。如第 3 期汪礼胜, 等: 端部霍尔离子源的磁场设计与数值模拟57处磁场就达不到要求, 如磁力线与等势面有一定夹角, 这样就造成电子在磁力线方向获得一速度, 电子 就有可能直至阳极, 降低了对电子的约束, 从而降低了电离效率, 降低了离子源的性能。在保证离子源正 常工作所需要的磁场形状与大小的前提下, 磁路设 计还应尽量使离子源性能、结构达到最优。潘永强等人3 从电磁场和永久磁场两种模式下 端部霍尔离子源的工作稳定性和离子能量以及离子束分布特性的研究和比较中得出, 采用永久磁铁提 供磁场不仅可使离子源在结构上由于简化了水冷装 置而更加简单, 而且在电源上也可以减少一路电源 使操作更方便, 在不影响离子能量的基础上, 使离子 源的工作稳定性范围增大, 离子束分布均匀性提高。因此, 采用永久磁铁提供磁场, 使这种离子源结构简 单、性能稳定以及成本降低, 这更利于其在工业中的 应用。为了增大离子束辐照面积, 我们设计了尺寸 (长宽高) 为 1000 mm 140 mm 100 mm 的条形 端部霍尔离子源, 它是通过永久磁体提供磁场, 这种离子源非常适用于宽面积靶。 如图 2 是有灯丝的条 形端部霍尔离子源截面图, 其中永久磁铁放在离子 源底部, 外围为磁极靴, 阳极和悬浮板采用不导磁的 不锈钢材料。力线的分布图, 其上磁极靴的长度增长了5 mm , 图3(c) 是上磁极靴增长了 5 mm 、增高了 10 mm 时离子 源磁力线的分布图。从这几个图中可以看出, 磁场沿着轴方向是发散的, 在阳极表面附近区域的磁场较强, 出口处磁场较弱。图 3 (a )、3 (b ) 磁力线沿轴向梯 度差不多, 图 3 ( c) 磁力线沿轴向梯度更大, 但图 3 (a)、3 (c) 中阳极表面附近磁力线与阳极表面有一定 夹角, 而图 3 (b ) 中磁力线在阳极表面附近几乎与其 平行, 因此综合考虑, 图 3 ( b ) 这种结构尺寸的离子 源的磁场分布更能满足设计要求。(a) 最初设计的尺寸; ( b ) 两个上极靴尺寸向里伸长了 5mm ;(c) 两个上极靴尺寸向里伸长了 5 mm , 同时增高了 10 mm。 图 3 不同尺寸的条形端部霍尔离子源磁力线分布f ig. 3 m agne t ic fo rce line d ist r ibu t io n s o f ba r end2h a ll io n so u rce o f d iffe ren t size s为了进一步研究条形端部霍尔离子源内部磁场分布情况, 我们通过a n sy s 有限元软件模拟了离 子源内部磁感应强度b 的等值线的分布图, 如图 4 所示, 图右边的一组数据表示的是图中磁场的等值 线从离子源出口到悬浮板上附近 ( 从上到下) 的 b 值, 单位高斯 (g s)。 从图中右边数据可以算出悬浮 板 上附近轴向磁场与出口处轴向磁场之比 (b b 0 )为 6 7 之间, 符合 (b b 0 ) 值的范围, 进一步证实了 这种结构的端部霍尔离子源符合设计要求。最初在设计这种离子源时, 发现条形离子源两端的磁场很难满足要求, 后来通过 a n sy s 软件对图 2 有灯丝的条形端部霍尔离子源截面图f ig. 2 sec t io na l v iew o f ba r end2h a ll io n so u rce w ith f ilam en t条形端部霍尔离子源磁场数值模拟采用a n sy s 大型有限元分析软件对条形端部 霍尔离子源的二维和三维结构的磁场进行了有限元 分析, 通过计算机模拟, 获得了比较满意的结果, 基 本定性、定量地反映了离子源内部磁场的分布。在此 详细地给出模拟结果以及与实验结果的比较, 通过 对离子源磁场的模拟可以进一步指导改进对离子源 的设计。图 3 为条形端部霍尔离子源的二维磁场分布, 在对这种离子源磁场的模拟中, 假定阳极、悬浮板都 不导磁。图 3 (a) 是最初设计的条形端部霍尔离子源 磁力线的分布图, 图 3 (b ) 是改进设计后的离子源磁4这种离子源两端的结构进行三维的磁场模拟, 不断改变离子源结构尺寸, 最终获得了合乎要求的磁场 分布。图5 (a) 是条形离子源端头处简化的三维结构, 图 5 (b ) 是条形离子源端头处磁力线的三维分布。从 图 5 (b ) 中可以看出磁场在三面极靴方向上分布基 本均衡, 磁场强度也基本达到了设计要求。拟和测量结果比较表明, 模拟结果有很好的可信度,同时也验证了a n sy s 有限元分析软件对离子源的 磁场模拟的可行性。 以该软件作为离子源的磁路组件的优化设计的平台是可靠的。图 6 沿着轴线方向从阳极附近到出口处磁感应强度的数值模拟和实验结果的比较f ig. 6 com p a r iso n be tw een num e r ica l and exp e r im en ta l re su lt s o f m agne t ic f ie ld a lo ng ax is o f end2h a ll io n so u rce f rom ano de ne igh bo rhoo d to ex it图4 条形端部霍尔离子源内部磁感应强度b 的等值线的分布图f ig. 4iso line d ist r ibu t io n o f m agne t ic f lux den sity o f ba rend2h a ll io n so u rce结论5端部霍尔离子源内部磁场的最佳分布是: 在阳极表面附近磁力线几乎与其平行, 并且在阳极表面 附近区域的磁场较强, 出口处磁场较弱, 磁力线呈发 散状, 并且悬浮板上附近轴向磁场与出口处轴向磁 场之比在5 10 之间。通过对模拟结果的分析, 获得了对该离子源磁场分布的直观深入的认识, 同时与实验结果比较可知, 采用a n sy s 大型有限元分析 软件分析端部霍尔离子源内部磁场分布是可信的。通过该软件模拟磁场, 可为具体的端部霍尔离子源 的改进设计提供理论指导, 以便大量缩短离子源的设计周期, 降低设计成本, 提高经济效益。(a)参考文献:1h a ro ld r. kaufm an , r aym o nd s. r o b in so n, r ich a rd ianseddo n. e nd- h a ll io n so u rce j . j. v ac. sc i. t ech no l,1987, a 5 (4) : 2081