霍尔离子源的结构设计

1、西安工业大学西安工业大学 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) ) 题目题目：霍尔离子源的结构设计霍尔离子源的结构设计 系系 别：别： 光电信息工程 专专 业：业： 测控技术与仪器 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2011 年 05 月 12 日 毕业设计（论文）任务书 院（系）光电信息工程专业 测控技术与仪器 班级姓名学号 1.毕业设计（论文）题目： 霍尔离子源的结构设计 2.题目背景和意义： 背景和意义: 离子束辅助沉积技术是薄膜沉积（IBAD）技术中一 项比较重要的技术，它对提高膜层致密度、附着力以及膜层的光学和机械等特性方面具有 非常重要的作用

2、，近年来随着对光学薄膜质量的进一步提高和对大口径光学元件镀膜的需 要，在实际的薄膜镀制过程中对所使用的离子源的口径和发射的离子束流密度等提出了更 高的要求。基于以上原因提出了该课题：“霍尔离子源的结构设计”。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 该题目主要内容的要求： （1）查阅相关文献资料了解离子束辅助沉积技术的发展和应用特点，并对现有的离子束辅 助沉积中用到的离子源进行简单分类并了解用于离子束辅助沉积的这几大类离子源的基本 工作原理； （2）在此基础上，进一步了解冷阴极离子源和霍尔离子源基本结构，要求设 计阴极离子源，其离子束发射口为环形，直径不小于 60mm； （3）要求根

3、据所查阅的离子 源的有关知识进行离子源电场、磁场、气路等的结构设计；此外要求所设计的离子源具有 水冷结构； （4）熟悉 AUTOCAD 制图软件，所有设计的图纸要求用计算机进行绘制； 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 地点：实验楼 时间： (1) 选题、收集资料、开题报告2010 年 11 月 25 日；（2）初步设计2011 年 1 月 15 日前； （3）最终方案、制图 2011 年 2 月 7 日前；（4）完善制图2011 年 2 月 28 日；（5）翻 译外文文献、中期报告2011 年 4 月 15 日前；（6）导师验收、完成论文 2011 年 5 月 5 日前。

4、 5.毕业设计(论文)的工作量要求 撰写 15000 字论文 实验(时数)*或实习(天数)： 100 机时 图纸(幅面和张数)*： 15 张 其他要求： 查阅资料不少于 10 份 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日 说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。 2 带*项可根据学科特点选填。 霍尔离子源的结构设计霍尔离子源的结构设计 摘摘 要要 离子源是使中性原子或分子 电离，并从中引出离子束流的装置。 它是各 种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻 蚀装置、离子推进器以及受控 聚变装置中的中性束注入器等设备的

5、不可缺少 的部件。近年出现对带电粒子通量的研究的趋势，主要是将之应用于空间离子 推进器，等离子和离子加速器表面处理。此外，要求重视微电子电路和电子加 工设备的设计与制造，以改善由聚合物和其他绝缘体结合的基板镀膜强度。电 磁场离子束加速器能产生高于电流强度数百倍的静电加速度。因此，等离子加 速器电磁场内的封闭漂移电子作为一个发达的高电流离子束源，可用于工业应 用及相关的表面改性和制造薄膜。 本文主要对霍尔离子源的结构进行设计，借鉴国内外离子源的结构构造与特点，设 计了霍尔离子源结构设计方案。对主要应用离子源的工作原理进行简要的阐述。对 本离子源的部件分布与作用等进行了制图并分析。 本方案中主要对

6、霍尔离子源水冷系统、阳极、阴极及气路的分布与构造制图并 分析。 关键词：关键词：霍尔离子源；结构设计；离子束辅助沉积 Structure Design for Hall ion source Abstract Ion source is the device to make and elicit the ion beam from the ionization of neutral atoms or molecules. It is the essential parts for inject the NBI and other equipment for various types of i

7、on accelerator.MS,electromagnetic isotope separation,ion implantation,ion beam etching equipment,ion propulsion and controlled fusion equipment. There has been a growing interest in recent years in the generation of intense charged particle fluxes for applications such as space ion thrusters, plasma

8、 accelerators, and ion beam sources for surface treatment. The EB field accelerator can generate ion beams with a current density several hundreds of times higher than that offered by electrostatic acceleration. Therefore, the plasma accelerator with closed-drift electrons in the EB field is most de

9、veloped as a high current ion beam source, which can be used in industrial applications pertinent to surface modification and thin film fabrication. In this paper, primary to design the structure of the ion source, learn at home and abroad for the structure of the ion source structure and features,

10、and design structure of the Hall ion source. Described briefly for the main application of the principle of the ion source. Mapping and analysis for the components of the ion source distribution and the function. The master of the program is to mapping and analysis the cooling system , anode, cathod

11、e and gas distribution and structural of ion source. Key Words：Hall ion source；structure design ；ion beam assisted deposition 目目 录录 1 绪论绪论.1 1.1 离子源诞生背景 .1 1.2 离子源结构设计的意义 .1 1.3 国内外发展状况 .2 1.4 离子源的应用 .2 1.5 发展趋势 .3 2 霍尔离子源霍尔离子源的工作原理的工作原理.5 2.1 工作原理.5 2.2 离子源分类 .6 2.3 主要离子源介绍 .7 2.3.1 考夫曼离子源.7 2.3.2

12、脉冲电弧离子源.8 2.3.3 射频离子源.8 3 霍尔离子源的结构设计霍尔离子源的结构设计.10 3.1 结构设计所用软件.10 3.2 离子源的结构设计.14 3.2.1 结构设计.14 3.2.2 水冷系统 .15 3.2.3 阳极设计.16 3.2.4 磁路与气路.17 3.3 最终结构设计方案.18 3.4 设计细节.18 3.4.1 焊接件.18 3.4.2 防油污设计.19 3.4.3 对外对接设计.19 4 公差与表面热处理公差与表面热处理.20 4.1 公差 .20 4.2 表面热处理 .20 5 结论与展望结论与展望.21 5.1 总结 .21 5.2 体会 .21 5.3

13、 课题展望 .22 参考文献参考文献.23 致致 谢谢.24 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.25 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.26 1 绪论绪论 1.1 离子源诞生背景离子源诞生背景 据说离子源起源于星球大战的美苏竞争。理论计算表明离子源作空间推进 器能量密度大于常规液氢推进器。美国的研究以美国宇航局的 Kaufman 教授的 栅格式离子源（现在这类离子源仍叫 Kaufman 离子源）为主，而苏联则以终端 霍尔离子源为主。苏联方面技术优先一些，当时总共有几百台离子源在实验室 或空间做过实验或试飞行1 。 在离子源推进器实验中，人们发现有推进

14、器材料从离子源飞出，这就开始 了离子源在材料，特别是材料表面改性的应用。例子：高能物理，具体就是离 子加速器，这是用一台离子源产生某种材料的离子，这个离子就在磁性环路上 加速，从而轰击一个靶，产生新的物质或揭示新的物理规律。这就是离子源的 诞生与最初的的应用2。 离子源在我国应用得越来越多。但相对真空镀膜用户还是比较陌生。比如 有什么不同种类？各种离子源又有何特点？哪些真空镀膜工艺非离子源不可？ 哪些镀膜工艺只是锦上添花？ 1.2 离子源结构设计的意义离子源结构设计的意义 离子源是离子束辅助沉积的一种装置。离子源的研究正是基于离子束辅助 沉积技术上的。而离子束辅助沉积技术是薄膜沉积技术中一项比

15、较重要的技术， 它对提高膜层致密度、 附着力以及膜层的光学和机械等特性方面具有非常重要 的作用1。近年来随着对光学薄膜质量的进一步提高和对大口径光学元件镀膜 的需要， 在实际的薄膜镀制过程中对所使用的离子源的口径和发射的离子束流 密度等提出了更高的要求2。 因此我们对离子源的结构进行研究改进就显得十分有必要了。离子束辅助 沉积是在气相沉积镀膜的同时，利用高能粒子轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面 环境产生影响，从而改变沉积薄膜成分、结构的过程3-6。现实生活生产中用户 越来越重视薄膜的坚固性、耐久性以及光学性能稳定性。而离子源作为离子束 辅助沉积的装置，在改变沉积薄膜成分结构的过程中起决定性作用，因

16、此对离 子源的研究显得尤为重要。 1.3 国内外发展状况国内外发展状况 1960 年美国航空航天局（NASA）拟定了一项空间飞行计划，决定研制控 制卫星姿态的电推进器系统（EBTS） ，由美国科罗拉德州立大学物理系教授考 夫曼(H.R. Kaufman) 教授主持设计了宽束低束流密度的离子轰击电推进器。这 种离子发动机被称为 Kaufman 离子源。1985 年，真空蒸镀多层聚合物膜取得专 利(GE 公司) 7。 1987 年，高温超导薄膜的激光剥离沉积成功（Dijkkamp 等） ； 无栅极的霍尔离子源研制成功8（Kaufman，Robinson 等） 。1988 年，双阴极中 频溅射离子源

17、研制成功。离子辅助沉积技术到 80 年代中期受到普遍重视，目前 已经成为国际上广泛关注的新型薄膜制备手段。国内原子能院、兰州近物所、 北京大学、北京机械工业自动化所也都研制了各种类型的离子源9。 国际上有代表性的光学镀膜设备 LEYBOLDOPTICS 系列，如 SYRUS1110， CCS11， SYRUSproAPSllo4，等镀膜设备，美国 Telemark 公司、丹顿真空 (DENTONvACUUM)，veeeo 高级镀膜机，韩国(株)UNIVAC 系列，韩一真空 机械(HANIL)、日本 optorun 镀膜设备。国内具有代表性的光学镀膜机要数莱 宝 APS1104。这个镀膜机主要是

18、两台电子蒸发源何一台 APS 离子源组成。其 APS 离子源可以说是镀膜机的心脏，其结构十分独特11。首先它是 Kaufman 型 离子源，但其阴极不是常用的钨丝，而是昂贵的 LaB6 材料。另外其磁场不是 由永久磁铁产生，而是由电磁线圈产生。 在国际上离子工艺技术在光学镀膜工艺上己大量应用。离子辅助沉积技术 应用最普遍。等离子体反应镀膜技术、等离子反应溅射技术、离子束溅射技术、 低压反应离子镀技术等将会得到更多的应用，激光反应镀膜技术也将受到重视。 1.4 离子源的应用离子源的应用 a. 离子束的辅助镀膜作用离子束的辅助镀膜作用 （1）它可以代替或部分代替镀膜热烘烤，而仍然具有较强的薄结合力

19、、牢 固度及稳定性。 （2）它可以改善薄膜的致密度及膜的结构，从而提高膜的折射率，降低膜 的吸收率。 （3） 提高薄膜的机械性能、抗腐蚀能力和稳定性。 （4）提高膜层的抗激光破坏能力。 （5）减少镀膜时间，提高工作效率，节省水电消耗。 （7）可以在塑料和其它对温度敏感的基底上镀制薄膜。 b. 离子源的应用离子源的应用 离子源是用以获得离子束的装置。我们知道，在各类离子源中，用得最 多的是等离子体离子源，即用电场将离子从一团等离子体中引出来。这类离 子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。属于这类 离子源的有:潘宁放电型离子源射频离子源、微波离子源、双等离子体源、 富立曼离子源

20、等。另一类使用较多的离子源是电子碰撞型离子源，主要用于 各种质谱仪器中。此外，离子源还有表面电离源、光致电离离子源、液态金 属离子源等类型 10。 c. 离子镀技术离子镀技术 离子镀的种类很多,但基本功能是将膜料蒸发的蒸气进行电离,被电离的离子 向基片加速轰击,这就是离子镀名称的由来。 目前应用较多的离子镀技术： （1）活性反应离子镀。 （2）空心阴极离子镀。 （3）多弧离子镀（脉冲电弧离子度技术）。 1.5发展趋势发展趋势 a. 离子掺杂与离子束改性离子掺杂与离子束改性 从 20 世纪 60 年代开始，人们将硼、磷或其他元素的离子注入到半导体材 料中，形成掺杂。掺杂的深度可用改变离子的能量来

21、控制；掺杂的浓度可通过 积分离子流强度来控制。离子注入方法的重复性、可靠性比扩散法好。离子注 入掺杂在半导体大规模集成电路的生产中已成为重要环节，用离子注入法取代 旧的扩散等工艺在有些器件中已成为必然趋势11。 离子注入在金属材料的改性中获得的结果十分引人注目。在常用金属的离 子注入改性中，可以提高金属的硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳强度，降低金属的 磨损率。某些绝缘材料如陶器、玻璃、有机材料经离子束照射以后，性质发生 重要的变化，获得新的用途。 离子束照射和掺杂的过程是非热平衡过程，因此用这种方法可以获得用一 般冶金和化工方法无法得到的新材料。能量较低(50400keV)的专门用于离子 注入的小型

22、加速器“离子注入机” ，已成为一种专门设备，体积相当于一台电子 显微镜或高压示波器，使用维护都很方便。在类金刚石材料、高温超导材料、 磁性材料、感光材料等的研究中，已广泛应用离子束，一门新兴的冶金学 “离子注入冶金学”正在形成12。 b. 离子束分析离子束分析 具有一定能量的离子与物质相互作用会使其发射电子、光子、X 射线 等，还可能发生弹性散射、非弹性散射以及核反应，产生反弹离子、反冲核、 射线、氢核、氚核、 粒子等核反应产物，可以提供有关该物质的组分、结 构和状态等信息。利用这些信息来分析样品统称离子束分析。在离子束分析方 法中，比较成熟的有背散射分析 X 射线荧光分析、核反应分析和沟道效

23、应（见 沟道效应和阻塞效应）与其他分析相结合的分析方法等13。此外，利用低能离 子束还可作表面成分分析,如离子散射谱(ZSS)、次级离子质谱(SZMS)等。超 灵敏质谱（加速器质谱） 、带电粒子活化分析、离子激发光谱、离子激发俄歇电 子谱等正在发展中。 c. 离子束加工离子束加工 较低能量的离子束广泛用于工业加工，如离子减薄、离子抛光、离子束打 孔、离子束刻蚀、离子束溅射金属膜等。 2 霍尔离子源的工作原理霍尔离子源的工作原理 2.1 工作原理工作原理 如图 2.1 所示，阴极发射电子，既充当阴极，轰击均匀进气的原子，离化 原子形成放电等离子体；又充当中和电子，强迫中和经电场及磁场加速的离子

24、束。其中放电电子必须通过扩散，通过磁场的阻滞，回流进入放电区。在锥形 磁场存在的条件下，该离子源有两种加速离子的机理。一方面由于在磁场的平 行方向和垂直方向的电导率相差有数十倍，造成在阳极附近的电位分布类似于 磁力线的分布。离子在该电位分布造成的电场作用下向轴中心加速。该电位差 只占阳极电压的小部分。第二个加速机理是由于霍尔电流的作用。这个加速占 了阳极电压的大部分，起着主要加速作用。由于在霍尔源的轴向存在较大的磁 场梯度,在磁场梯度作用下,电子回旋半径在不同位置下,磁场强度也不同,电子 所受磁场力在时间平均下,就逆向磁场梯度方向，电子拉着离子,于是离子电子 就朝着出口处加速。磁场的加速发生在

25、阳极端部,一个电子回旋半径处,因此该 类源也可称为热阴极阳极层离子源。在电场与磁场相互垂直的阳极端部,放电等 离子体会形成霍尔电流,霍尔电流是周向环流,霍尔电流与径向磁场作用,会形成 磁场的霍尔加速。霍尔离子源结构总装图如图 2.2 所示。 图 2.1 霍尔离子源工作原理图 a. .主要优点主要优点 霍尔效应离子源也是一种热阴极离子源，产生的离子在运动方向，能量范 围和离子流密度等方面都有很好的可控性。主要优点可以产生低能大束流，这 些性能优越于加栅离子源。它们现已在薄膜沉积和表面处理中得到了日益广泛 的应用，特别适用于薄膜沉积过程中的改性或薄膜特性的增强。如在增强硬度、 钝化表面、产生优选的

26、晶体方向和激活表面的化学反应等方面，都有很好的应 用前景。此外还具有结构简单、操作方便和机械性能可靠等优点。 b. .霍尔效应离子源霍尔效应离子源 霍尔效应离子源是运行在辉光放电方式下的等离子体器件，灯丝发射的电 子被电场加速成电子束，该电子束由磁场作用下产生电子流。电子运动速度的 一个分量与离子流的相反，而另一分量则与离子流的垂直，与这垂直分量相关 的电流称为霍尔电流。在霍尔效应离子源中，霍尔电流的路径是闭合的，离子 流和磁场相互作用做回旋运动，其回旋半径较大。 图 2.2 霍尔离子源 2.2 离子源分类离子源分类 （1）按照引出结构分可分为有栅离子源和无栅离子源。有栅离子源代表考 夫曼离子

27、源，无栅离子源代表为霍尔离子源。 （2）按离子能量的大小分为低能离子源和高能离子源。 （3）按其产生的离子束的极化特性，有非极化和极化离子源之分；按其工 作方式，有连续束和脉冲束离子源之分；按其工作原理可分为气体离子源和固 体表面离子源两大类.在气体离子源中，阴极发射的电子束和气体放电产生的电 子撞击中性的气体原子或分子形成等离子体，由阳极和吸极引出得到离子束。 属于气体离子源的有高频离子源、潘宁源（又称源） 、双等离子体离子源、双彭 源和 WJ 弧放电离子源等14。 2.3 主要离子源主要离子源介绍介绍 2.3.1 考夫曼离子源考夫曼离子源 a. 工作原理：工作原理： 如图 2.3 为考夫曼

28、离子源的剖视图。考夫曼离子源是应用较早的离子源。 属于栅格式离子源。考夫曼型离子源的结构主要由真空放电室、引出系统和中 和器组成。放电室中有直热式阴极、同轴的阳极筒、屏栅极筒组成。图 2.4 为 工作原理图。 通常将阴极和屏栅极短接，且低于阳极电位，形成了对热电子运动的阻滞 位阱，迫使受阳极电位加速的自由电子在此位阱中作来回振荡运动，增加原初 1,长丝 2,进气口 3,屏幕 4,屏蔽电网 5， 壳体 6，后座阳极 7，永久磁铁 8，主阳极 9，加速网 10，中性长丝 2.4 考夫曼离子源工作原理图 图 2.3 考夫曼离子源的剖面图 电子在放电室内逗留时间，同时，在放电室内必须建立磁场。使用较多

29、的磁场 分布有两种形式，轴向磁场和多极会切磁场。 首先由阴极在离子源内腔产生等离子体，让后由两层或三层阳极栅格将离 子从等离子腔体中抽取出来。 b. 优点优点 在使用多级会切场的离子源中，由于在放电室内的很大范围内磁场强度很 弱，对离子的作用可忽略不计，所以等离子体中的离子密度可在很大范围内作 均匀分布，引出的离子束流密度均匀性很好，离子束直径可达 30cm 以上。这 是一种宽束离子源，它的引出系统采用多孔引出系统。这种离子源产生的离子 方向性强，离子能量带宽集中，可广泛应用于真空镀膜中。 c. 缺点缺点 该离子源阴极（往往是钨丝）在反应气体中很快就烧掉了，另外就是离子 流量有极限，对需要大离

30、子流量的用户可能不适和。 2.3.2 脉冲电弧离子源脉冲电弧离子源 如图 2.5 所示，首先在起弧电极和阴极之间产生小电流电弧放电，产生预 电离，离子在阴极表面建立很强电场，产生场致电子发射，然后阴极与阳极之 间的真空间隙被击穿，而使阴阳极之间借助主回路 C 积蓄的能量，产生强流电 弧放电，从而导致石墨阴极形成等离子体束流，最终在基底上完成等离子体的 沉积成膜。为方便理解，先给出脉冲电弧离子源实体图，如图 2.6 所示 2.3.3 射频离子源射频离子源 a. . 简介简介 图 2.6 脉冲电弧离子源实体图 1-基片 2-阳极 3-起弧极 4-绝缘环 5-起弧极 6-起弧极 2 7-阴极 图 2

31、.5 脉冲真空电弧离子源结构示意图 射频离子源由德国 Giessen 大学 H.W.Loeb 教授于上世纪六十年代，从电火 箭空间应用向地面应用扩展而来。至今宽束离子用于固体表面的注入、微细加 工，镀膜机辅助镀膜等众多工艺中，已成为涉及表面、界面、薄膜工业的热点。 一些特殊的高性能光学薄膜(附着力、折射率、硬度、低吸收、低漂移较高，折 射率达 2.6 的 TiO2)只能用射频宽束离子源离子束辅助镀膜工艺来完成14。 b. . 工作原理工作原理 如图 2.7 所示，气体通过一个专门设计的气体均压绝缘器进入石英放电室， 13.56MH 的射频功率通过 LC 构成的人工传输线，感应进入放电室，产生了

32、旋 涡的周向电场。该电场可用来离化工作气体。一般采用三栅离子光学系统，离 子光学系统中存在许多小孔，屏栅作为放电室中的阳极可以吸收放电电子，构 成放电回路。屏极上又存在多个小孔，屏极小孔处由于有电场，在放电等离子 体边界就会形成等离子体双鞘层。离子通过该弯月面鞘层发射电子，经过离子 光学系统的聚焦加速形成离子束。该离子束也必须通过中和器进行强迫中和， 中和器除了中和作用外，也能可靠提供低压离子源的点火起弧。 为便于理解，给出射频离子源实体图如图 2.8 所示。 c. . 特点特点 （1）该源采用磁感应产生等离子体,因此是无极放电。放电室内无灯丝作 为阴极,此外中和器也用射频感应产生等离子体,再

33、从等离子体中用电场拔出电 子束来中和离子束。这样无灯丝就可以在反应气体中长时间稳定工作,也大大降 低了离子束中的杂质。 （2）由于射频离子源产生的离子束,只有单电荷离子几乎没有双电荷离子, 因此对屏栅的溅射大为减小,也减小了离子束中由于屏栅溅射带来的污染。 图 2.7 射频离子源图 2.8 射频离子源实体图 3 霍尔离子源的结构设计霍尔离子源的结构设计 3.1 结构设计所用软件结构设计所用软件 本次结构设计所用绘图软件为 AutoCAD（Auto Computer Aided Design） 与 SolidWorks。 AutoCAD 是美国 Autodesk 公司首次于 1982 年生产的自

34、动计算机辅助设计 软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际 上广为流行的绘图工具。.dwg 文件格式成为二维绘图的事实标准格式。 SolidWorks 为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研 发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为 制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生 命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软 件系统，著名的 CATIAV5 就出自该公司之手，目前达索的 CAD 产品市场占有 率居世界前列。 a. AutoCA

35、D 简简介介 AutoCAD 是由美国 Autodesk 欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上 应用 CAD 技术（Computer Aided Design，计算机辅助设计）而开发的绘图程序 软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的 多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过 程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。 AutoCAD 具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作 站上运行，并支持分辨率由 320200 到 20

36、481024 的各种图形显示设备 40 多 种，以及数字仪和鼠标器 30 多种，绘图仪和打印机数十种，这就为 AutoCAD 的普及创造了条件15。 b. AutoCAD 特点特点 （1）具有完善的图形绘制功能。 （2）有强大的图形编辑功能。 （3）可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 （4）可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 （5）支持多种硬件设备。 （6）支持多种操作平台。 （7）具有通用性、易用性。 c. CAD 的发展的发展 CAD(Computer Aided Drafting)诞生于 60 年代，是美国麻省理工大学提出了 交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设

37、施的昂贵，只有美国通用汽车公司 和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。 70 年代，小型计算机费用下降，美国工业界开始广泛使用交互式绘图系统。 80 年代，由于 PC 机的应用，CAD 得以迅速发展，出现了专门从事 CAD 系统开发的公司。当时 VersaCAD 是专业的 CAD 制作公司，所开发的 CAD 软 件功能强大，但由于其价格昂贵，故不能普遍应用。而当时的 Autodesk 公司是 一个仅有员工数人的小公司，其开发的 CAD 系统虽然功能有限，但因其可免 费拷贝，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性。因此，该 CAD 软件升级迅速。 d. AutoCAD 的的发发

38、展展 (1) AutoCAD(Version)1.0：1982.11 正式出版，容量为一张 360Kb 的软盘， 无菜单，命令需要背，其执行方式类似 DOS 命令。 (2) AutoCAD V1.2：1983.4 出版,具备尺寸标注功能。 (3) AutoCADV1.3：1983.8,具备文字对齐及颜色定义功能,图形输出功能。 (4) AutoCADV1.4：1983.10,图形编辑功能加强。 (5) AutoCADV2.0：1984.10,图形绘制及编辑功能增加,如:MSLIDE VSLIDE DXFIN DXFOUT VIEW SCRIPT 等等。至此,在美国许多工厂和学校都 有 Auto

39、CAD 拷贝。 (6) AutoCADR2.0：1984.11,尽管功能有所增强，但仅仅是一个用于二维绘 图的软件。 (7) AutoCADV2.17- V2.18：1985 年出版,出现了 Screen Menu,命令不需要 背,Autolisp 初具雏形,二张 360K 软盘。 (8) AutoCADV2.5：1986.7, Autolisp 有了系统化语法,使用者可改进和推广,出 现了第三开发商的新兴行业,五张 360K 软盘。 (9) AutoCADV2.6：1986.11,新增 3D 功能, AutoCAD 已成为美国高校的 inquired course。 (10) AutoCAD

40、R3.0：1987.6，增加了三维绘图功能，并第一次增加了 Auto Lisp 汇编语言，提供了二次开发平台，用户可根据需要进行二次开发，扩充 CAD 的功能。 (11) AutoCADR(Release)9.0：1988.2,出现了状态行下拉式菜单。至此, AutoCAD 开始在国外加密销售。 (12) AutoCADR10.0：1988.10,进一步完善 R9.0, Autodesk 公司已成为千人 企业。 (13) AutoCADR11.0：1990.8,增加了 AME(Advanced Modeling Extension), 但与 AutoCAD 分开销售。 (14) AutoCAD

41、R12.0：1992.8,采用 DOS 与 WINDOWS 两种操作环境,出现了工 具条。 (15) AutoCADR13.0：1994.11, AME 纳入 AutoCAD 之中。 (16) AutoCADR14.0：1997.4,适应 Pentium 机型及 Windows95/NT 操作环境,实 现与 Internet 网络连接,操作更方便,运行更快捷,无所不到的工具条,实现中文 操作。 (17) AutoCAD2000(AutoCADR15.0)：1999,提供了更开放的二次开发环境,出 现了 Vlisp 独立编程环境.同时,3D 绘图及编辑更方便。 (18) AutoCAD2005：

42、2005.1 提供了更为有效的方式来创建和管理包含在最 终文档当中的项目信息。其优势在于能显著地节省时间、得到更为协调一致的 文档并降低了风险。 (19) AUTOCAD2006：2006.3.19,推出最新功能:创建图形；动态图块的操 作；选择多种图形的可见性；使用多个不同的插入点；贴齐到图中的图形；编 辑图块几何图形；数据输入和对象选择。 (20) AUTOCAD2007：2006,3,23,拥有强大直观的界面，可以轻松而快速的 进行外观图形的创作和修改,07 版致力于提高 3D 设计效率。 (21) AutoCAD 2008：2007,12,3,提供了创建、展示、记录和共享构想所需 的所

43、有功能。 将惯用的 AutoCAD 命令和熟悉的用户界面与更新的设计环境 结合起来，使您能够以前所未有的方式实现并探索构想。 (22) AutoCAD 2009 2008.5 软件整合了制图和可视化，加快了任务的执行， 能够满足了个人用户的需求和偏好，能够更快地执行常见的 CAD 任务，更容 易找到那些不常见的命令。 e. SolidWorks 简介简介 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技术副总裁与 CV 公司的 副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内， 当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力

44、的实体模型设 计系统。从 1995 年推出第一套 SolidWorks 三维机械设计软件至今，至 2010 年 已经拥有位于全球的办事处，并经由 300 家经销商在全球 140 个国家进行销售 与分销该产品。1997 年，Solidworks 被法国达索（Dassault Systemes）公司收 购，作为达索中端主流市场的主打品牌。 SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由 于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势，SolidWorks 公司于两年间成为 CAD/CAM 产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使 SolidWork

45、s 每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在 1995- 1999 年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名；从 1995 年至今，已经累计获 得十七项国际大奖，其中仅从 1999 年起，美国权威的 CAD 专业杂志 CADENCE 连续 4 年授予 SolidWorks 最佳编辑奖，以表彰 SolidWorks 的创新、 活力和简明。至此，SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全 面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投 向了市场。 由于 SolidWorks 出色的技术和市场表现，不仅成为 CAD 行业的一颗耀眼

46、的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在 1997 年由法国达索公司以三亿一千 万美元的高额市值将 SolidWorks 全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以 一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了 CAD 行业的世界纪 录。并购后的 SolidWorks 以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为 CAD 行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks 三维机械设计软件也成为达索 企业中最具竞争力的 CAD 产品。 由于使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的 parasolid 内核 （由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks

47、 成为全球装 机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的 SolidWorks 软件使用许 可约 28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、 医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的 约 3 万 1 千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4，300 所教育机构的近 145， 000 名学生通过 SolidWorks 的培训课程。 f. SolidWorks 特点特点 Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和 技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWor

48、ks 成为领先的、主流的三 维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的 错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每 个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞 设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设 计。SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器， 用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks，用户能在比较短的时间内 完成更

49、多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场16。 在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比 较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速 增长的领导者。 ” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/放、点/击、 剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的， 零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 3.2 霍尔源的结构设计霍尔源的结构设计 3.2.1 结构设计结

50、构设计 结构设计,顾名思义就是机械几何形状的确定,它是机械设计的一个重要方 面.在整个设计过程中占有很大的比重,结构设计常常对机械的尺寸和形状起决 定性的作用。传统的结构设计是设计人员根据经验(自己和前人的)通过分析、 类比确定最佳方案.因此,设计者的经验愈多,得到问题的满意解愈快。显然,这 种主要依靠经验进行结构设计的方式不利于设计质量和设计水平的提高,纵观结 构设计的发展可以看出,结构设计不再是一门单一的学问,而是多学科的综合技 术,涉及机械、环保、美学、生理学、经济学等领域。 霍尔离子源的结构设计经历了经验设计、数值计算、优化设计几个阶段。 经验设计阶段，主要利用材料力学简化方法计算主要

51、强度和刚度，按照材 料力学的方法进行强度、刚度校核。尽管确认的结构大多数被实践证明是安全 的，但存在设计周期长、结构冗余、材料使用偏保守等弊端，致使产品重量大， 成本高、效益低，削弱了产品竞争力，而且缺乏对设计结果合理性的验证， 计算结果常常与实测值相去甚远17。 优化设计阶段，人们把结构优化设计18方法引入离子源及其主要部件的 设计当中，在在水冷系统、气路、磁路、阳极的设计上，通过对比其他离子源 和现实工件的工艺还有所工件所用材料等方面的考虑，基于有限元的优化方法 能从各种可能的结构设计方案中寻找较完善的或较合理的方案，使得各部件分 配趋于合理，从而设计出现在的总方案。 本课题涉及到的结构问

52、题，根据气路、磁路、阳极、水冷系统等部件构造 设计，制出一套相关的零件图和装配图纸。 3.2.2 水冷系统水冷系统 图 3.1 为水冷系统剖视图，图 3.2 水冷系统剖视工程图，水冷系统自上而下 由阳极部件 1、阳极部件 2、阳极部件 4、输水管等部件组成。上端为空心圆环， 亦是阳极部分，为不锈钢材料，导入高压电后此处形成高温强电场，空心圆环 内不停注入凉水，并且有回流功能。 图 3.3 就是为空心圆环注入凉水与回流热水的装置，中间大约厚度为 2 毫 米的不锈钢输水管，它的上端口延伸至阳极空心圆环上壁，凉水就是从这条小 图 3.1 水冷系统剖视 图 3.2 水冷系统剖视工程图 图 3.3 水冷

53、系统进出水端口图 3.4 T 型输水管 水管不停地注入到空心圆环内。将此小水管套着的是一稍大的回流输水管，热 水就是从此大回流管流出水冷系统的，出口如图 3.3 右端出口。 图 3.43.9 为水冷系统解剖视图。 图 3.5 紧定通水管图 3.6 紧定通水管工程图 图 3.7 水管锁紧件 图 3.8 锁定件 图 3.9 垫圈 3.2.3 阳极设计阳极设计 图 3.10 为阳极部件图，图 3.11 为阳极部件剖视工程图，高压电流从图 3.10 左边阳极部件 3 下端的螺钉接入离子源阳极，在空心圆环周围形成高温强电场， 电场由此产生。阳极部件三根不锈钢脚是被橡胶与聚四氟乙烯所固定的，而此 两种材料

54、是耐高温的绝缘体材料，因而导入高压电流后整个阳极部件是不会将 电流传到至离子源外壳的，所以能确保高压电流只存在于阳极部件。 3.2.4 磁路与气路磁路与气路 图 3.12 为磁场与气路分布图，气体从离子源壳体底部中间的导气管导入。 环绕磁铁侧面留有一约三毫米的缝隙，气体经圆柱磁铁周边向上溢出，磁铁上 下相接的零部件都设计为六个均匀通孔，使得气体能达到均衡溢出的效果。 如图 3.13 所示，给阳极接入高压电流情况下，在霍尔场作用下离子束被离 化为等离子体，加速向外运动。由于离子带正点而阳极部件也带正点，同性相 排斥，因而等离子体此时会以更高的速度向外发射，以达到表面镀膜的目的。 图 3.12 磁

55、场与气路分 布场与气路分布图 图 3.13 电磁场交汇离子束发 电磁场交汇离子束发射图 图 3.10 阳极部件 图 3.11 阳极部件剖视 图 3.16 阳极焊接 3.3 最终结构设计图最终结构设计图 如图 3.14 为离子源外形图，图 3.15 为离子源旋转剖视图，结合两个模型图 认识整个离子源内外形状与构造。 3.4 设计细节设计细节 3.4.1 焊接件焊接件 如图 3.16 所示，阳极焊接截图。鉴 于生产工艺简单易行方面设计，不锈钢空 心圆环设计成由上下两个圆环焊接而成。 图 3.15 霍尔离子源旋转剖 视 图 3.14 霍尔离子源 3.4.2 防油污设计防油污设计 如图 3.17 为防

56、油污设计绝缘套的截图，图 3.18 为绝缘套剖视图工程 图。箭头所指设计成凹槽形状，在离子源工作过程中此圆环凹槽能有效截住油 污，以防止油污进一步污染其他部件。 3.4.3 对外对接设计对外对接设计 图 3.19 为方形凹槽图，该处设计一凹槽目的是提高离子源与真空室对接时 的密封性，防止有气体外泄。 图 3.19 方形凹槽图 图 3.17 绝缘套 图 3.18 绝缘套剖视工程图 4 公差与表面热处理公差与表面热处理 4.1 公差公差 几何参数的公差有尺寸公差、形状公差、位置公差等。实际参数值的允许 变动量。参数，既包括机械加工中的几何参数，也包括物理、化学、电学等学 科的参数。所以说公差是一个

57、使用范围很广的概念。对于机械制造来说，制定 公差的目的就是为了确定产品的几何参数，使其变动量在一定的范围之内，以 便达到互换或配合的要求19。 尺寸公差，指允许尺寸的变动量，等于最大极限尺寸与最小极限尺寸代数 差的绝对值。形状公差。指单一实际要素的形状所允许的变动全量，包括直线 度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度 6 个项目。位置公差。指关 联实际要素的位置对基准所允许的变动全量，它限制零件的两个或两个以上的 点、线、面之间的相互位置关系，包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对 称度、位置度、圆跳动和全跳动 8 个项目。公差表示了零件的制造精度要求， 反映了其加工难易程度。 公差等级

58、分为 IT01、IT0、IT1、IT18 共 20 级，等级依次降低，公差 值依次增大。IT 表示国际公差。 公差选择原则：应使机器零件制造成本和使用价值的综合经济效果最好， 一般配合尺寸用 IT5IT13，特别精密零件的配合用 IT2IT5，非配合尺寸用 IT12IT18，原材料配合用 IT8IT14。 4.2 表面热处理表面热处理 最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火，此外还有接触电 阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。对工件表面进行 强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能 。广泛用于既要求表 层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整

59、体具有良好的塑 性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面淬火和 化学热处理两大类20。 工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。通过不同的热源对工 件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临 界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来 的组织。 5 结论与展望结论与展望 5.1 总结总结 本次设计主要内容是对霍尔离子源进行结构设计，该结构由水冷系统、阳 极部件、阴极部件、气路分布四部分组成。霍尔离子源主要应用在于辅助离子 沉积技术，已达到给工件镀膜的良好效果。 选择课题看作是选择项目，最初时抽象、陌生模糊而又新鲜。

60、我将之看成 一项目，然后挑战自己，多加钻研，最终完成项目，实际上自己得通过此次历 练来掌握一门甚至更多的专业技能。 从选题到初辩、中辩再到终辩，在导师点解和指引下，由浅入深层次渐进， 一步一步将项目分解并逐个完成，最终达到整个项目都完成之效果。 自己学的是测控技术与仪器，而选的课题是结构设计，刚开始真的是一头雾 水，无从下手。人说万事开头难，确实是。开题报告日期临近，自己做结构设 计的却连原理图都没有，那时急得简直都乱了。报告内容改了无数次却还不得 要领，打印一次又一次请导师审核，最后总算勉强抓住核心要点，顺利完成初 辩。也是那时老师的严格要求和耐心指引，使我在后来的工作上也更加认真和 要求严