[发明专利]强流金属离子源

说明书

技术领域：

本发明属于离子源和材料表面处理领域，具体涉及一种强流金属离子源。

背景技术：

随着高能气体离子源和金属离子源的发展，尤其是MEVVA离子源的发明，离子注入技术的应用日益广泛。由于MEVVA离子源能产生大部分金属和半导体元素的高能离子流，从而使离子注入技术的应用范围逐渐扩展。离子注入技术大量应用于金属材料表面改性，提高金属材料的表面性能，如摩擦、磨损和抗腐蚀性能等。同时，离子注入技术在半导体和非金属材料的表面处理中的应用也日益广泛，诸如半导体掺杂和陶瓷表面金属化等。离子注入材料表面改性的优点是不改变工件尺寸，但是由于受离子能量局限的影响，离子注入的深度较浅，因此其改性层较薄，从而也限制了离子注入技术的应用。为了提高材料表面改性层的厚度，一般采用离子镀膜方法，在材料表面沉积功能或装饰薄膜，提高材料表面的硬度、耐腐蚀、抗磨损和抗疲劳等性能。但是，离子镀膜由于能量较低，沉积薄膜与基体之间结合力较差。因此，目前通过研制强流金属离子源，将离子注入和离子镀膜结合起来，实现离子注入和沉积的双重功能，从而有效提高被处理材料的表面性能。目前的MEVVA离子源，大多数只能产生脉冲金属离子流，其平均流强和注入效率也受到很大限制。现在离子源主要朝高能、强流和大面积方向发展以适应工业化生产的需要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种强流金属离子源，它可工作于直流和脉冲两种模式，产生大面积高能强流金属离子流。

本发明技术内容如下：一种强流金属离子源，包括阴极、水冷阴极座、阳极筒、稳弧线圈、聚焦线圈、触发针、触发线包、输运直管、发散线圈、汇聚线圈、绝缘环、引出栅、支座法兰、抑制栅、支座法兰、高压绝缘环、减速电源和加速电源。阳极筒的外壁上开有凹槽，在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈和聚焦线圈，在阳极筒的上部设有法兰盖，一个倒置“T”形结构水冷阴极座固定在法兰盖的正中，并处于阳极筒内，圆台形阴极与水冷阴极座下端连接。在水冷阴极座的旁边有一个穿过法兰盖的“L”形触发针，触发针的下端的“针钩”正对着阴极的下端面，触发针的上部在法兰盖的上方包裹着一个触发线包。在阳极筒的下部连接有一个输运直管，输运直管与阳极筒之间由绝缘环隔离开来；在输运直管的上、下两端凹槽内分别密绕发散线圈和汇聚线圈，在输运直管内设有水冷螺线铜管；输运直管下端连接引出栅极支座法兰，引出栅极支座法兰对应着一个结构相似的抑制栅极支座法兰，在引出栅极支座法兰与抑制栅极支座法兰之间设有一个高压绝缘环将它们隔开一定的距离，在引出栅极支座法兰与抑制栅极支座法兰相对的位置上分别设有引出栅极和抑制栅极，抑制栅极支座法兰的另一端通过减速绝缘环连接着一个内径相同的圆环形接地法兰，接地法兰通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰与减速电源连接，减速电源的另一端接地；输运直管靠近引出栅极支座法兰的一端通过一根导线依次连接着一个电阻和一个弧放电电源的正极，其阴极通过导线连接着水冷阴极座的上部；阳极筒紧接着绝缘环的一端连着一个高压加速电源，并且该导线同时与弧放电电源的正极连接。

上述的圆台形阴极的锥形角为5°-45°。

上述的弧放电电源为直流电源，其电压为弧放电电源电压为60V-100V连续可调，输运直管与阳极筒之间连接的电阻可为50Ω-1000Ω。

上述的减速电源可以为直流负电源，电压0～-2000V；也可以为脉冲负电源，脉冲电压0～-2000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz，

上述的加速电源可以为直流正电源，电压0～10000V；也可为脉冲正电源，脉冲电压0～50000V，脉冲宽度50μs～5ms，脉冲频率0～200Hz。

上述的阳极筒的顶部的法兰上增设送气管。

上述的引出栅极和抑制栅极为由均匀排布的钼丝制成的条形多孔结构。

本发明达到的有益效果：(1)本方案提供了一种可在直流和脉冲两种模式工作，产生大面积、高能、强流金属离子流的装置。本装置产生的直流离子束流最大可达500mA，脉冲离子束流最大可达到2A。(2)输运直管外的发散线圈和汇聚线圈在输运直管中产生透镜磁场，透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区，提高了等离子体的均匀性。在输运直管中间的水冷螺线铜管产生与透镜磁场相反的磁场，进一步加大透镜磁场中间段的发散会聚特性。(3)引出栅极和抑制栅极由钼丝按等间距排列形成条形引出孔，增加等离子体透射引出面积。(4)采用脉冲高压电源时，可获得脉冲高能离子束流，同时在脉冲停断期间金属等离子体也将从引出系统喷射出来，此时获得的是金属离子/等离子体流，即可实现离子注入和沉积的双重功能。