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

　　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夾雜大量的塊狀顆粒。這些宏觀離子團(tuán)和塊狀顆粒會造成工件表面粗糙，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、磁場控制弧斑法以及磁場過濾法。

　　幾何擋板法的傳輸效率較低，而利用磁場控制弧斑法的效果較差。磁過濾法是利用磁場來控制金屬離子的運(yùn)動方向，使其沿著設(shè)計(jì)的磁場方向到達(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，不過目前廣泛采用的有效的濾除大顆粒方法是利用磁過濾彎管，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)了一個軸向磁場較弱的磁鏡式磁過濾器。通過數(shù)值模擬磁過濾器內(nèi)部的電磁場分布，以及利用實(shí)驗(yàn)測量粒子束分布結(jié)果，來分析磁過濾器在過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方面的優(yōu)點(diǎn)。

1、磁過濾的磁場位形的設(shè)計(jì)

　　金屬離子源磁過濾器的結(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)生磁鏡磁場位形，透鏡磁場先將等離子體發(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)生與磁鏡磁場軸向相反的磁場，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 磁過濾器的結(jié)構(gòu)

2、磁過濾的電磁場模擬

　　利用二維有限元分析法得到磁過濾器內(nèi)部以及出口的電磁場分布，并且把此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，來驗(yàn)證此離子源此過濾器設(shè)計(jì)的合理性。由于磁過濾磁場會受到聚焦磁場的影響，故把磁過濾器磁場及穩(wěn)弧和聚焦磁場一起進(jìn)行數(shù)值模擬。由圖2 磁過濾器內(nèi)部磁力線的分布結(jié)果可知磁過濾器內(nèi)部形成軸向較弱的磁鏡場，并且此磁場位形是由聚焦磁場與磁過濾器的磁場共同形成的，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與磁過濾器磁場之間搭配的合理性；圖3 為電場的等勢線分布。結(jié)合磁力線和電場等勢線的分布結(jié)果可知，兩者基本相吻合，即形成了正交的電場和磁力線( 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與電場強(qiáng)度E 垂直) ，這樣金屬離子就能在正交的電磁場的洛倫茲力的作用下加速引出離子源。

圖2 磁過濾器內(nèi)磁場的分布

　　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，并且在磁過濾器內(nèi)中軸線上磁場較弱，而在水冷螺旋銅管和磁過濾管壁之間的磁場較強(qiáng)。從圖5 在水冷銅管上表面有無反向磁場時磁場分布的比較，更明顯地看出有無反向磁場時的磁場大小分布的變化。水冷銅管產(chǎn)生的反向磁場的作用：首先提高了發(fā)散線圈所產(chǎn)生磁場的發(fā)散性，不僅減弱了軸向磁場，還增強(qiáng)了水冷銅管和磁過濾器壁之間的磁場，這樣有利于把金屬離子和大顆粒子的帶電粒子分開；第二，使得出口平面磁場的均勻性有所提高，即提高了引出離子束的均勻性，從圖6 有無反向磁場時在距離出口200 mm 處離子束的分布來看，在加反向磁場時的離子束在- 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 電場的等勢線分布

3、總結(jié)離子束測試

　　實(shí)驗(yàn)時，通過常規(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，放置一個自制的靜電探針，測得離子束的徑向200 mm 的范圍內(nèi)的分布( 見圖6) �？芍�離子束在直徑10 cm 左右較均勻，從有無反向磁場來比較，在加反向磁場時的離子束在- 50~ 50 mm 之間更均勻。并且根據(jù)測量用的探針截面的大小和測得的電流的大小，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)生的反向磁場使得磁鏡式磁過濾器的出口處磁場的均勻性大大提高；不僅減弱了磁鏡場的軸向磁場，還增強(qiáng)了水冷銅管和磁過濾器壁之間的磁場，這樣有利于把金屬離子和大顆粒子的帶電粒子分開，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，從有無反向磁場來比較，在加反向磁場時離子束的均勻性更好，這充分說明了所設(shè)計(jì)的軸向較弱的磁鏡式磁過濾器是符合設(shè)計(jì)要求的。