根據(jù)磁過(guò)濾器對(duì)磁場(chǎng)的要求，利用水冷銅管產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)軸向磁場(chǎng)較弱的磁鏡式磁過(guò)濾器。由數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果可知：磁過(guò)濾器磁場(chǎng)位形是一個(gè)軸向較弱的磁鏡式磁場(chǎng)分布；并且在磁過(guò)濾器的出口處，磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性較好；還增強(qiáng)了水冷銅管和磁過(guò)濾器壁之間的磁場(chǎng)。由離子束測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知在加反向磁場(chǎng)時(shí)離子束的均勻性比沒(méi)有反向磁場(chǎng)時(shí)高很多。

　　金屬離子源由于其高離化率、高離子能量、高效率、高沉積速率等優(yōu)點(diǎn)，在鍍膜技術(shù)、離子注入技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。由于離子源中熔化的金屬包含金屬離子、金屬蒸氣、宏觀粒子團(tuán)等，并且在高熔點(diǎn)金屬材料中的電弧中會(huì)夾雜大量的塊狀顆粒。這些宏觀離子團(tuán)和塊狀顆粒會(huì)造成工件表面粗糙，膜和基底的結(jié)合力降低等缺陷。此外，在高質(zhì)量的鍍膜中，提高離子束的均勻性、消除大顆粒和提高金屬離子源的效率對(duì)鍍膜的均勻性以及膜和基底的結(jié)合力都有著極其重要的作用。當(dāng)前采取的主要措施有利用幾何擋板法、磁場(chǎng)控制弧斑法以及磁場(chǎng)過(guò)濾法。

　　幾何擋板法的傳輸效率較低，而利用磁場(chǎng)控制弧斑法的效果較差。磁過(guò)濾法是利用磁場(chǎng)來(lái)控制金屬離子的運(yùn)動(dòng)方向，使其沿著設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)方向到達(dá)離子源的出口，最終達(dá)到被鍍件表面，由于磁場(chǎng)的存在宏觀離子團(tuán)和塊狀顆粒則不能達(dá)到出口處。其具體的實(shí)現(xiàn)的方法很多，不過(guò)目前廣泛采用的有效的濾除大顆粒方法是利用磁過(guò)濾彎管，在一定程度上得到較大的等離子體輸出量。但仍存在金屬離子損失大、離子束均勻性差等缺點(diǎn)。所以為了解決現(xiàn)在磁過(guò)濾器存在的不足之處，提高金屬離子源的效率，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)軸向磁場(chǎng)較弱的磁鏡式磁過(guò)濾器。通過(guò)數(shù)值模擬磁過(guò)濾器內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，以及利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量粒子束分布結(jié)果，來(lái)分析磁過(guò)濾器在過(guò)濾離子源中的宏觀離子團(tuán)和塊狀顆粒和提高引出均勻離子束兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

1、磁過(guò)濾的磁場(chǎng)位形的設(shè)計(jì)

　　金屬離子源磁過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此金屬離子源可工作在直流、脈沖兩種方式下，能夠產(chǎn)生大面積、高能量的離子束。其磁場(chǎng)位形主要由穩(wěn)弧線圈、聚焦線圈、發(fā)散線圈、匯聚線圈以及水冷螺旋銅管產(chǎn)生。而磁過(guò)濾器部分主要由發(fā)散線圈、匯聚線圈以及水冷螺旋銅管構(gòu)成。發(fā)散線圈和匯聚線圈之間產(chǎn)生磁鏡磁場(chǎng)位形，透鏡磁場(chǎng)先將等離子體發(fā)散，之后再在匯聚線圈處匯聚進(jìn)入金屬離子的引出區(qū)，提高了等離子體的均勻性，而水冷銅管的作用是產(chǎn)生與磁鏡磁場(chǎng)軸向相反的磁場(chǎng)，這樣進(jìn)一步提高了等離子體的發(fā)散特性和匯聚特性，還有助于提高引出離子束的均勻性。

圖1 磁過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)

2、磁過(guò)濾的電磁場(chǎng)模擬

　　利用二維有限元分析法得到磁過(guò)濾器內(nèi)部以及出口的電磁場(chǎng)分布，并且把此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證此離子源此過(guò)濾器設(shè)計(jì)的合理性。由于磁過(guò)濾磁場(chǎng)會(huì)受到聚焦磁場(chǎng)的影響，故把磁過(guò)濾器磁場(chǎng)及穩(wěn)弧和聚焦磁場(chǎng)一起進(jìn)行數(shù)值模擬。由圖2 磁過(guò)濾器內(nèi)部磁力線的分布結(jié)果可知磁過(guò)濾器內(nèi)部形成軸向較弱的磁鏡場(chǎng)，并且此磁場(chǎng)位形是由聚焦磁場(chǎng)與磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)共同形成的，再結(jié)合圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的等值線分布，更容易看出聚焦磁場(chǎng)與磁過(guò)濾器磁場(chǎng)之間搭配的合理性；圖3 為電場(chǎng)的等勢(shì)線分布。結(jié)合磁力線和電場(chǎng)等勢(shì)線的分布結(jié)果可知，兩者基本相吻合，即形成了正交的電場(chǎng)和磁力線( 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與電場(chǎng)強(qiáng)度E 垂直) ，這樣金屬離子就能在正交的電磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用下加速引出離子源。

圖2 磁過(guò)濾器內(nèi)磁場(chǎng)的分布

　　圖4 為磁通密度的等值線分布，在匯聚線圈的下方磁通密度的分布比較均勻，并且在磁過(guò)濾器內(nèi)中軸線上磁場(chǎng)較弱，而在水冷螺旋銅管和磁過(guò)濾管壁之間的磁場(chǎng)較強(qiáng)。從圖5 在水冷銅管上表面有無(wú)反向磁場(chǎng)時(shí)磁場(chǎng)分布的比較，更明顯地看出有無(wú)反向磁場(chǎng)時(shí)的磁場(chǎng)大小分布的變化。水冷銅管產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)的作用：首先提高了發(fā)散線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的發(fā)散性，不僅減弱了軸向磁場(chǎng)，還增強(qiáng)了水冷銅管和磁過(guò)濾器壁之間的磁場(chǎng)，這樣有利于把金屬離子和大顆粒子的帶電粒子分開(kāi)；第二，使得出口平面磁場(chǎng)的均勻性有所提高，即提高了引出離子束的均勻性，從圖6 有無(wú)反向磁場(chǎng)時(shí)在距離出口200 mm 處離子束的分布來(lái)看，在加反向磁場(chǎng)時(shí)的離子束在- 50~ 50 mm之間更均勻；再次，就是在螺旋形的水冷銅管能阻擋一部分大顆粒的帶電粒子，減少了鍍膜中大顆粒的影響，提高了鍍膜質(zhì)量。

圖3 電場(chǎng)的等勢(shì)線分布

3、總結(jié)離子束測(cè)試

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)常規(guī)金屬離子源電源給離子源供電，工作在直流方式下，Ar 流量為6.1ml/ min ( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下) 、真空度2.2 × 10^{- 2} Pa、電弧電流60 A、引出電壓4 kV、抑制電壓800 V、水冷銅管的電流為15 A。

圖4 磁通密度的等值線分布

　　在距離離子源0.2 m 的地方，放置一個(gè)自制的靜電探針，測(cè)得離子束的徑向200 mm 的范圍內(nèi)的分布( 見(jiàn)圖6) 。可知離子束在直徑10 cm 左右較均勻，從有無(wú)反向磁場(chǎng)來(lái)比較，在加反向磁場(chǎng)時(shí)的離子束在- 50~ 50 mm 之間更均勻。并且根據(jù)測(cè)量用的探針截面的大小和測(cè)得的電流的大小，可計(jì)算出均勻的離子束電流密度為1.14 A/ m²。

圖5 在水冷銅管上表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布

圖6 離子束徑向分布

4、總結(jié)

　　為了提高強(qiáng)流金屬離子源引出離子束的均勻性，利用水冷銅管產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)使得磁鏡式磁過(guò)濾器的出口處磁場(chǎng)的均勻性大大提高；不僅減弱了磁鏡場(chǎng)的軸向磁場(chǎng)，還增強(qiáng)了水冷銅管和磁過(guò)濾器壁之間的磁場(chǎng)，這樣有利于把金屬離子和大顆粒子的帶電粒子分開(kāi)，使得大顆粒被水冷銅管處的擋板所阻擋，而金屬離子在發(fā)散區(qū)被發(fā)散，之后再在匯聚線圈處匯聚進(jìn)入金屬離子的引出區(qū)。由離子束流的徑向分布實(shí)驗(yàn)可知，在距離源頭200 mm 左右，從有無(wú)反向磁場(chǎng)來(lái)比較，在加反向磁場(chǎng)時(shí)離子束的均勻性更好，這充分說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的軸向較弱的磁鏡式磁過(guò)濾器是符合設(shè)計(jì)要求的。