專利名稱：強流金屬離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離子源和材料表面處理領(lǐng)域，具體涉及一種強流金屬離子源。
背景技術(shù)：
隨著高能氣體離子源和金屬離子源的發(fā)展，尤其是MEVVA離子源的發(fā)明，離子注 入技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。由于MEVVA離子源能產(chǎn)生大部分金屬和半導(dǎo)體元素的高能離子 流，從而使離子注入技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴展。離子注入技術(shù)大量應(yīng)用于金屬材料表面改 性，提高金屬材料的表面性能，如摩擦、磨損和抗腐蝕性能等。同時，離子注入技術(shù)在半導(dǎo)體 和非金屬材料的表面處理中的應(yīng)用也日益廣泛，諸如半導(dǎo)體摻雜和陶瓷表面金屬化等。離 子注入材料表面改性的優(yōu)點是不改變工件尺寸，但是由于受離子能量局限的影響，離子注 入的深度較淺，因此其改性層較薄，從而也限制了離子注入技術(shù)的應(yīng)用。為了提高材料表面 改性層的厚度，一般采用離子鍍膜方法，在材料表面沉積功能或裝飾薄膜，提高材料表面的 硬度、耐腐蝕、抗磨損和抗疲勞等性能。但是，離子鍍膜由于能量較低，沉積薄膜與基體之間 結(jié)合力較差。因此，目前通過研制強流金屬離子源，將離子注入和離子鍍膜結(jié)合起來，實現(xiàn) 離子注入和沉積的雙重功能，從而有效提高被處理材料的表面性能。目前的MEVVA離子源， 大多數(shù)只能產(chǎn)生脈沖金屬離子流，其平均流強和注入效率也受到很大限制?，F(xiàn)在離子源主 要朝高能、強流和大面積方向發(fā)展以適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強流金屬離子源，它可工作于直流和脈沖兩種模式，產(chǎn) 生大面積高能強流金屬離子流。本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容如下一種強流金屬離子源，包括陰極、水冷陰極座、陽極筒、穩(wěn)弧 線圈、聚焦線圈、觸發(fā)針、觸發(fā)線包、輸運直管、發(fā)散線圈、匯聚線圈、絕緣環(huán)、引出柵、支座法 蘭、抑制柵、支座法蘭、高壓絕緣環(huán)、減速電源和加速電源。陽極筒的外壁上開有凹槽，在凹 槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈和聚焦線圈，在陽極筒的上部設(shè)有法蘭蓋，一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水 冷陰極座固定在法蘭蓋的正中，并處于陽極筒內(nèi)，圓臺形陰極與水冷陰極座下端連接。在水 冷陰極座的旁邊有一個穿過法蘭蓋的“L”形觸發(fā)針，觸發(fā)針的下端的“針鉤”正對著陰極的 下端面，觸發(fā)針的上部在法蘭蓋的上方包裹著一個觸發(fā)線包。在陽極筒的下部連接有一個 輸運直管，輸運直管與陽極筒之間由絕緣環(huán)隔離開來；在輸運直管的上、下兩端凹槽內(nèi)分別 密繞發(fā)散線圈和匯聚線圈，在輸運直管內(nèi)設(shè)有水冷螺線銅管；輸運直管下端連接引出柵極 支座法蘭，引出柵極支座法蘭對應(yīng)著一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支座法蘭，在引出柵極支座 法蘭與抑制柵極支座法蘭之間設(shè)有一個高壓絕緣環(huán)將它們隔開一定的距離，在引出柵極支 座法蘭與抑制柵極支座法蘭相對的位置上分別設(shè)有引出柵極和抑制柵極，抑制柵極支座法 蘭的另一端通過減速絕緣環(huán)連接著一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭，接地法蘭通過一個導(dǎo) 線接地。抑制柵極支座法蘭與減速電源連接，減速電源的另一端接地；輸運直管靠近引出柵 極支座法蘭的一端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個電阻和一個弧放電電源的正極，其陰極通
3過導(dǎo)線連接著水冷陰極座的上部；陽極筒緊接著絕緣環(huán)的一端連著一個高壓加速電源，并 且該導(dǎo)線同時與弧放電電源的正極連接。上述的圓臺形陰極的錐形角為5° -45°。上述的弧放電電源為直流電源，其電壓為弧放電電源電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào)， 輸運直管與陽極筒之間連接的電阻可為50 Q-1000 Q。上述的減速電源可以為直流負電源，電壓0 -2000V ；也可以為脈沖負電源，脈沖 電壓0 -2000V，脈沖寬度50i! s 5ms，脈沖頻率0 200Hz,上述的加速電源可以為直流正電源，電壓0 10000V ；也可為脈沖正電源，脈沖電 壓0 50000V，脈沖寬度50i! s 5ms，脈沖頻率0 200Hz。上述的陽極筒的頂部的法蘭上增設(shè)送氣管。上述的引出柵極和抑制柵極為由均勻排布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明達到的有益效果(1)本方案提供了一種可在直流和脈沖兩種模式工作， 產(chǎn)生大面積、高能、強流金屬離子流的裝置。本裝置產(chǎn)生的直流離子束流最大可達500mA，脈 沖離子束流最大可達到2A。(2)輸運直管外的發(fā)散線圈和匯聚線圈在輸運直管中產(chǎn)生透鏡 磁場，透鏡磁場先將等離子體發(fā)散然后再會聚進入離子引出區(qū)，提高了等離子體的均勻性。 在輸運直管中間的水冷螺線銅管產(chǎn)生與透鏡磁場相反的磁場，進一步加大透鏡磁場中間段 的發(fā)散會聚特性。(3)引出柵極和抑制柵極由鉬絲按等間距排列形成條形引出孔，增加等離 子體透射引出面積。(4)采用脈沖高壓電源時，可獲得脈沖高能離子束流，同時在脈沖停斷 期間金屬等離子體也將從引出系統(tǒng)噴射出來，此時獲得的是金屬離子/等離子體流，即可 實現(xiàn)離子注入和沉積的雙重功能。


圖1是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
5的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明所提供的一種強流金屬離子源具體實施方式
6的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1.圓截錐形陰極2.水冷陰極座3.觸發(fā)線包4.觸發(fā)針5.穩(wěn)弧線圈 6.聚焦線圈7.水冷陽極筒8.絕緣環(huán)9.輸運直管10.發(fā)散線圈11.水冷螺線銅管 12.引出柵極13.抑制柵極14.匯聚線圈15.引出柵極支座法蘭16.高壓絕緣環(huán)17.抑 制柵極支座法蘭18.減速絕緣環(huán)19.接地法蘭20.減速電源21.加速電源22.電阻23 弧放電電源24.脈沖減速電源25.脈沖加速電源26.送氣管27.等離子體產(chǎn)生區(qū)28.等 離子體輸運區(qū)29.離子引出區(qū)30.法蘭蓋。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述實施例1如圖1所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引 出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、電阻22和弧放電電源23。陽極筒7 的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上部通過螺 釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座2從法蘭蓋30的中心 軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座2連接，其中圓臺形陰極1的 斜邊與軸線的夾角為45° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過法蘭蓋30的“魚鉤”形觸發(fā) 針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4的上部包裹著一個觸發(fā)線包 3用于引發(fā)電離。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個呈圓筒形的輸運直管9，輸運直 管9與陽極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在輸運直管9兩端的凹槽內(nèi)分 別密繞發(fā)散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與10 20V的可調(diào)直流電源連接。在 輸運直管9的正中心有一個盤成螺旋圓筒形的水冷螺線銅管11，該螺線銅管11的兩端固 定在輸運直管9的側(cè)壁上并引出。輸運直管9的下端與引出柵極支座法蘭15通過螺紋連 接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支座法蘭17，引出柵 極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它們之間設(shè)有一個高壓絕緣環(huán) 16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17相對的位置分 別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12和抑制柵極13。抑制柵極支 座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭19，它們之間墊有 減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座法蘭17與電壓0 2000V 連續(xù)可調(diào)的直流減速電源20的負極連接，直流減速電源20的正極接地。輸運直管9靠近 引出柵極支座法蘭15的一端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個50Q的電阻22和一個電壓為 60V-100V連續(xù)可調(diào)的弧放電電源23的正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰 極座2的上部。水冷陽極筒7緊接著絕緣環(huán)8的一端連著一個電壓0 10000V連續(xù)可調(diào) 的高壓直流加速電源21的正極，直流加速電源21的負極接地，并且該導(dǎo)線同時與弧放電電 源23的正極連接。 圓臺形陰極1、水冷陰極座2、觸發(fā)線包3、觸發(fā)針4和水冷陽極筒7組成的區(qū)域稱 為陰極真空弧放電區(qū)，也稱為等離子體產(chǎn)生區(qū)27，穩(wěn)弧線圈5產(chǎn)生軸向磁場約束和穩(wěn)定弧 放電，聚焦線圈6產(chǎn)生的聚焦磁場將等離子體導(dǎo)入輸運直管9內(nèi)部的等離子體輸運區(qū)28， 纏繞在輸運直管9入口外側(cè)的發(fā)散線圈10和出口外側(cè)的匯聚線圈14在等離子體輸運區(qū) 28產(chǎn)生透鏡磁場，透鏡磁場先將等離子體發(fā)散然后再會聚進入離子引出區(qū)29，插入輸運直 管9中間的水冷螺線銅管11產(chǎn)生與透鏡磁場相反的磁場，進一步加大透鏡磁場中間段的 發(fā)散、會聚特性。離子引出區(qū)29包含引出柵極12和抑制柵極13，引出柵極12和抑制柵極 13由鉬絲按等間距排列形成條形引出孔，增加等離子體透射引出面積。在等離子體產(chǎn)生區(qū) 27，圓截錐形陰極1和水冷陽極筒7之間連接的弧放電電源23，當觸發(fā)針4在觸發(fā)線包3帶 動下接觸陰極端面后離開，即在陰極端面產(chǎn)生陰極弧斑，弧放電電源23隨即在圓臺形陰極 1和陽極筒7之間產(chǎn)生穩(wěn)定的弧放電，產(chǎn)生直流金屬等離子體。利用穩(wěn)弧線圈5產(chǎn)生的軸 向磁場和圓截錐形陰極1斜面的夾角來約束和穩(wěn)定陰極弧放電發(fā)生在陰極端面，在5-25mT 穩(wěn)弧磁場作用下，弧放電可以在lO—ipa 10_3Pa的氣壓下工作，及在高真空下也可穩(wěn)定工 作，從而達到引出高能離子束流的條件。由于穩(wěn)弧磁場作用，陰極和陽極之間的工作電壓在30-60V，弧放電電源23電壓在60-100V。聚焦線圈6產(chǎn)生的聚焦磁場將等離子體聚焦進入 輸運直管9形成的等離子體輸運區(qū)28。發(fā)散線圈10和匯聚線圈14在等離子體輸運區(qū)28 產(chǎn)生透鏡磁場，透鏡磁場先將等離子體發(fā)散然后再會聚進入離子引出區(qū)29，插入輸運直管 9中間的水冷螺線銅管產(chǎn)生與透鏡磁場相反的磁場，進一步加大透鏡磁場中間段的發(fā)散會 聚特性，提高等離子體進入離子引出區(qū)29的均勻性。當正高壓加速電源21通過電阻22施 加在引出柵極12上，金屬等離子體就從離子引出區(qū)中被引出和加速，同時負高壓減速電源 20施加在抑制柵極13上以抑制高能離子束流轟擊所產(chǎn)生的二次電子流返回引出區(qū)域。從 而獲得高能大面積金屬離子束流。實施例2如圖2所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線 圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引 出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、電阻22和弧放電電源23。陽極筒7 的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上部通過螺 釘連接陽極筒7的上部通過螺釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷 陰極座2從法蘭蓋30的中心軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座 2連接，其中圓臺形陰極1的斜邊與軸線的夾角為5° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過 法蘭蓋30的“魚鉤”形觸發(fā)針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4 的上部包裹著一個觸發(fā)線包3用于引發(fā)電離。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個呈 圓筒形的輸運直管9，輸運直管9與陽極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在 輸運直管9兩端的凹槽內(nèi)分別密繞發(fā)散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與10 20V 的可調(diào)直流電源連接。在輸運直管9的正中心有一個盤成螺旋源筒形的水冷螺線銅管11， 該螺線銅管11的兩端固定在輸運直管9的側(cè)壁上并引出。輸運直管9的下端與引出柵極 支座法蘭15通過螺紋連接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的抑制 柵極支座法蘭17，引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它們之 間設(shè)有一個高壓絕緣環(huán)16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支 座法蘭17相對的位置分別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12和抑 制柵極13。抑制柵極支座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地 法蘭19，它們之間墊有減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座法蘭 17與脈沖電壓為0 2000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖減速 電源24的負極連接，脈沖減速電源24的正極接地。輸運直管9靠近引出柵極支座法蘭15 的一端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個1000 Q的電阻22和一個電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào) 的弧放電電源23的正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座2的上部。水 冷陽極筒7緊接著絕緣環(huán)8的一端連著一個脈沖電壓0 50000V，脈沖寬度50 y s 5ms， 脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖加速電源25的正極，脈沖加速電源25的負極接地，并且該 導(dǎo)線同時與弧放電電源23的正極連接。實施例3如圖3所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線 圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、電阻22和弧放電電源23。陽極筒7 的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上部通過螺 釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座2從法蘭蓋30的中心 軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座2連接，其中圓臺形陰極1的 斜邊與軸線的夾角為45° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過法蘭蓋30的“魚鉤”形觸發(fā) 針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4的上部包裹著一個觸發(fā)線 包3用于引發(fā)電離。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個的輸運直管9，輸運直管9與 陽極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在輸運直管9兩端的凹槽內(nèi)分別密繞 發(fā)散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與10 20V的可調(diào)直流電源連接。在輸運直 管9的正中心有一個紡錘形水冷螺線銅管11，該螺線銅管11的兩端固定在輸運直管9的 側(cè)壁上并引出。紡錘形最大直徑與陰極1相當，可以視線阻擋陰極弧放電產(chǎn)生的大顆粒進 入離子引出區(qū)29，提高柵極系統(tǒng)高壓引出的穩(wěn)定性。輸運直管9的下端與引出柵極支座法 蘭15通過螺紋連接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支 座法蘭17，引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它們之間設(shè)有 一個高壓絕緣環(huán)16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭 17相對的位置分別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12和抑制柵極 13。抑制柵極支座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭19， 它們之間墊有減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座法蘭17與脈 沖電壓為0 2000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖減速電源24 的負極連接，脈沖減速電源24的正極接地。輸運直管9靠近引出柵極支座法蘭15的一端 通過一根導(dǎo)線依次連接著一個500 Q連續(xù)可調(diào)的電阻22和一個電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào) 的弧放電電源23的正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座2的上部。水 冷陽極筒7緊接著絕緣環(huán)8的一端連著一個脈沖電壓0 50000V，脈沖寬度50 y s 5ms， 脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)高壓脈沖加速電源25的正極，脈沖加速電源25的負極接地，并 且該導(dǎo)線同時與弧放電電源23的正極連接。實施例4如圖4所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線 圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引 出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、電阻22和弧放電電源23。陽極筒7 的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上部通過螺 釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座2從法蘭蓋30的中心 軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座2連接，其中圓臺形陰極1的 斜邊與軸線的夾角為30° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過法蘭蓋30的“魚鉤”形觸發(fā) 針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4的上部包裹著一個觸發(fā)線包 3用于引發(fā)電離。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個紡錘形的輸運直管9，這樣減少 等離子體在輸運管中間段壁上的損失，提高等離子體輸出效率，從而提高離子束流密度。輸 運直管9與陽極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在輸運直管9兩端的凹槽內(nèi)分別密繞發(fā)散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與200V的直流電源連接。在輸運 直管9的正中心有一個盤成螺旋圓筒形的水冷螺線銅管11，該螺線銅管11的兩端固定在輸 運直管9的側(cè)壁上并引出。紡錘形最大直徑與陰極1相當，可以視線阻擋陰極弧放電產(chǎn)生 的大顆粒進入離子引出區(qū)29，提高柵極系統(tǒng)高壓引出的穩(wěn)定性。輸運直管9的下端與引出 柵極支座法蘭15通過螺紋連接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的 抑制柵極支座法蘭17，引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它 們之間設(shè)有一個高壓絕緣環(huán)16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵 極支座法蘭17相對的位置分別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12 和抑制柵極13。抑制柵極支座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形 接地法蘭19，它們之間墊有減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座 法蘭17與脈沖電壓為0 2000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖 減速電源24的負極連接，脈沖減速電源24的正極接地。輸運直管9靠近引出柵極支座法 蘭15的一端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個300 Q電阻22和一個電壓為60V-100V連續(xù)可 調(diào)的弧放電電源23的正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座2的上部。水 冷陽極筒7緊接著絕緣環(huán)8的一端連著一個脈沖電壓0 50000V，脈沖寬度50 y s 5ms， 脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)高壓脈沖加速電源25的正極，脈沖加速電源25的負極接地，并 且該導(dǎo)線同時與弧放電電源23的正極連接。實施例5如圖5所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線 圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引 出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、電阻22和弧放電電源23。陽極筒7 的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上部通過螺 釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座2從法蘭蓋30的中心 軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座2連接，其中圓臺形陰極1的 斜邊與軸線的夾角為15° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過法蘭蓋30的“魚鉤”形觸發(fā) 針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4的上部包裹著一個觸發(fā)線包 3用于引發(fā)電離。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個紡錘形的輸運直管9，這樣減少 等離子體在輸運管中間段壁上的損失，提高等離子體輸出效率，從而提高離子束流密度。輸 運直管9與陽極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在輸運直管9兩端的凹槽 內(nèi)分別密繞發(fā)散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與200V的直流電源連接。在輸運 直管9的正中心有一個紡錘形水冷螺線銅管11，該螺線銅管11的兩端固定在輸運直管9的 側(cè)壁上并引出。紡錘形最大直徑與陰極1相當，可以視線阻擋陰極弧放電產(chǎn)生的大顆粒進 入離子引出區(qū)29，提高柵極系統(tǒng)高壓引出的穩(wěn)定性。輸運直管9的下端與引出柵極支座法 蘭15通過螺紋連接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支 座法蘭17，引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它們之間設(shè)有 一個高壓絕緣環(huán)16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法 蘭17相對的位置分別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12和抑制柵 極13。抑制柵極支座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭19，它們之間墊有減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座法蘭17與 脈沖電壓為0 2000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖減速電源 24的負極連接，脈沖減速電源24的正極接地。輸運直管9靠近引出柵極支座法蘭15的一 端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個800 Q電阻22和一個電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào)的弧放電 電源23的正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座2的上部。水冷陽極筒 7緊接著絕緣環(huán)8的一端連著一個脈沖電壓0 50000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率 0 200Hz的可調(diào)高壓脈沖加速電源25的正極，脈沖加速電源25的負極接地，并且該導(dǎo)線 同時與弧放電電源23的正極連接。實施例6如圖6所示，一種強流金屬離子源，它包括陰極1、水冷陰極座2、陽極筒7、穩(wěn)弧線 圈5、聚焦線圈6、觸發(fā)針4、觸發(fā)線包3、輸運直管9、發(fā)散線圈10、匯聚線圈14、絕緣環(huán)8、引 出柵極12、支座法蘭15上、抑制柵極13、支座法蘭17、高壓絕緣環(huán)16、減速電源20、加速電 源21、水冷螺線銅管11、減速絕緣環(huán)18、接地法蘭19、送氣管26、電阻22和弧放電電源23。 陽極筒7的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈5和聚焦線圈6，陽極筒7的上 部通過螺釘連接一個陶瓷材料的法蘭蓋30。一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座2從法蘭蓋30 的中心軸線處穿過，并伸入陽極筒7內(nèi)。圓臺形陰極1與水冷陰極座2連接，其中圓臺形陰 極1的斜邊與軸線的夾角為45° ；在水冷陰極座2的旁邊有一個穿過法蘭蓋30的“魚鉤” 形觸發(fā)針4，觸發(fā)針4下端的“針鉤”正對著陰極1的下端面，觸發(fā)針4的上部包裹著一個觸 發(fā)線包3用于引發(fā)電離。在法蘭蓋30的頂部固定有一個送氣管26，便于將工作氣體如Ar、 N2、C2H2等送入等離子體放電區(qū)域，使工作氣體也參與等離子體放電，氣體被活化或部分電 離，使輸出的金屬等離子體/離子流中包含氣體等離子體/離子，從而有助于反應(yīng)注入和沉 積。在水冷陽極筒7的下部通過螺釘連接一個紡錘形的輸運直管9，這樣減少等離子體在輸 運管中間段壁上的損失，提高等離子體輸出效率，從而提高離子束流密度。輸運直管9與陽 極筒7之間墊有一個聚四氟乙烯材料的絕緣環(huán)8。在輸運直管9兩端的凹槽內(nèi)分別密繞發(fā) 散線圈10和匯聚線圈14，這兩個線圈分別與10 20V的直流電源連接。在輸運直管9的 正中心有一個紡錘形水冷螺線銅管11，該螺線銅管11的兩端固定在輸運直管9的側(cè)壁上并 引出。紡錘形最大直徑與陰極1相當，可以視線阻擋陰極弧放電產(chǎn)生的大顆粒進入離子引 出區(qū)29，提高柵極系統(tǒng)高壓引出的穩(wěn)定性。輸運直管9的下端與引出柵極支座法蘭15通過 螺紋連接，與引出柵極支座法蘭15相對著的位置有一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支座法蘭17， 引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17通過螺釘固定連接，它們之間設(shè)有一個高壓 絕緣環(huán)16，將它們隔開一定的距離。在引出柵極支座法蘭15與抑制柵極支座法蘭17相對 的位置分別焊著由均勻分布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)的引出柵極12和抑制柵極13。抑 制柵極支座法蘭17的另一端通過螺釘固定連接一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭19，它們 之間墊有減速絕緣環(huán)18，接地法蘭19通過一個導(dǎo)線接地。抑制柵極支座法蘭17與脈沖電 壓為0 2000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖減速電源24的負 極連接，減速電源24的正極接地。輸運直管9靠近引出柵極支座法蘭15的一端通過一根導(dǎo) 線依次連接著一個100 Q的電阻22和一個電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào)的弧放電電源23的 正極，弧放電電源23的陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座2的上部。水冷陽極筒7緊接著絕 緣環(huán)8的一端連著一個脈沖電壓0 50000V，脈沖寬度50 ii s 5ms，脈沖頻率0 200Hz的可調(diào)脈沖加速電源25的正極，脈沖加速電源25的負極接地，并且該導(dǎo)線同時與弧放電電 源23的正極連接。
權(quán)利要求
一種強流金屬離子源，其特征在于該強流離子金屬離子源包括陰極(1)、水冷陰極座(2)、陽極筒(7)、穩(wěn)弧線圈(5)、聚焦線圈(6)、觸發(fā)針(4)、觸發(fā)線包(3)、輸運直管(9)、發(fā)散線圈(10)、匯聚線圈(14)、絕緣環(huán)(8)、引出柵(12)、支座法蘭(15)、抑制柵(13)、支座法蘭(17)、高壓絕緣環(huán)(16)、減速電源(20)和加速電源(21)；陽極筒(7)的外壁上開有凹槽，在凹槽內(nèi)分別纏繞著穩(wěn)弧線圈(5)和聚焦線圈(6)，在陽極筒(7)的上部設(shè)有法蘭蓋(30)，一個倒置“T”形結(jié)構(gòu)水冷陰極座(2)固定在法蘭蓋(30)的正中，并處于陽極筒(7)內(nèi)，圓臺形陰極(1)與水冷陰極座(2)下端連接；在水冷陰極座(2)的旁邊有一個穿過法蘭蓋(30)的“L”形觸發(fā)針(4)，觸發(fā)針(4)的下端的“針鉤”正對著陰極(1)的下端面，觸發(fā)針(4)的上部在法蘭蓋(30)的上方包裹著一個觸發(fā)線包(3)；在陽極筒(7)的下部連接有一個輸運直管(9)，輸運直管(9)與陽極筒(7)之間由絕緣環(huán)(8)隔離開來；在輸運直管(9)的上、下兩端凹槽內(nèi)分別密繞發(fā)散線圈(10)和匯聚線圈(14)，在輸運直管(9)內(nèi)設(shè)有水冷螺線銅管(11)；輸運直管(9)下端連接引出柵極支座法蘭(15)，引出柵極支座法蘭(15)對應(yīng)著一個結(jié)構(gòu)相似的抑制柵極支座法蘭(17)，在引出柵極支座法蘭(15)與抑制柵極支座法蘭(17)之間設(shè)有一個高壓絕緣環(huán)(16)將它們隔開一定的距離，在引出柵極支座法蘭(15)與抑制柵極支座法蘭(17)相對的位置上分別設(shè)有引出柵極(12)和抑制柵極(13)，抑制柵極支座法蘭(17)的另一端通過減速絕緣環(huán)(18)連接著一個內(nèi)徑相同的圓環(huán)形接地法蘭(19)；接地法蘭(19)通過一個導(dǎo)線接地；抑制柵極支座法蘭(17)與減速電源(20)連接，減速電源(20)的另一端接地；輸運直管(9)靠近引出柵極支座法蘭(15)的一端通過一根導(dǎo)線依次連接著一個電阻(22)和一個弧放電電源(23)的正極，其陰極通過導(dǎo)線連接著水冷陰極座(2)的上部；陽極筒(7)緊接著絕緣環(huán)(8)的一端連著一個高壓加速電源(21)，并且該導(dǎo)線同時與弧放電電源(23)的正極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強流金屬離子源，其特征在于上述的圓臺形陰極(1) 的錐形角為5° -45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強流金屬離子源，其特征在于上述的弧放電電源(23) 為直流電源，其電壓為弧放電電源(23)電壓為60V-100V連續(xù)可調(diào)，輸運直管(9)與陽極筒 (7)之間連接的電阻(22)可為50 Ω-1000 Ω。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強流金屬離子源，其特征在于上述的減速電源(20) 可以為直流負電源，電壓0 -2000V，減速電源(20)也可以為脈沖負電源，脈沖電壓 0 -2000V，脈沖寬度50μ s 5ms，脈沖頻率0 200Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強流金屬離子源，其特征在于上述的加速電源(21)可 為直流正電源，電壓0 10000V，加速電源(21)也為脈沖正電源，脈沖電壓0 50000V，脈 沖寬度50μ s 5ms，脈沖頻率0 200Hz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的任意一種強流金屬離子源，其特征在于上述的陽 極筒(7)的頂部的法蘭(30)上增設(shè)送氣管(26)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的任意一種強流金屬離子源，其特征在于上述的引 出柵極(12)和抑制柵極(13)為由均勻排布的鉬絲制成的條形多孔結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可工作于直流和脈沖兩種模式的大面積、高能強流金屬離子源。其特點是它采用磁場控制陰極弧放電產(chǎn)生直流金屬等離子體，金屬等離子體經(jīng)磁鏡場輸運到離子引出區(qū)域，再經(jīng)過柵極加速后獲得高能離子束流；在等離子體輸運區(qū)域中間加有由螺線管形成的反向磁島，可以提高輸出等離子體的均勻性，同時阻擋大顆粒進入離子引出區(qū)域，提高離子束流均勻性和穩(wěn)定性；離子束流引出和加速方式可采用直流或脈沖模式，以獲得純離子束流或等離子體/離子束流；還可以利用送氣管在等離子體產(chǎn)生區(qū)域充入工作氣體，使之參與等離子體放電，獲得金屬和氣體混合的離子束流。本裝置可用于在工件上注入和沉積高質(zhì)量反應(yīng)薄膜，離子注入和離子鍍膜等。
文檔編號C23C14/38GK101851747SQ20091013141
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者劉亮, 唐德禮, 張華芳, 武洪臣, 童洪輝, 耿少飛, 蒲世豪, 謝峰, 趙杰 申請人:核工業(yè)西南物理研究院;中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空制造工程研究所