陰極弧離子源磁過濾器的磁場設計與數(shù)值模擬
對于陰極弧離子源，磁過濾器的磁場設計是提高其性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對現(xiàn)有磁過濾器對大顆粒過濾不足之處，本文利用永磁體優(yōu)化磁過濾器的磁場位形,并且增大磁過濾器出口面積等方法，對彎管磁過濾器進行結(jié)構(gòu)和磁場優(yōu)化設計。由模擬結(jié)果可知:此過濾器具有彎管過濾、Bilek 偏壓、較大的出口面積、出口平面磁場強度大小均勻分布等優(yōu)點。
陰極弧離子源技術(shù)自70 年代問世以來，由于其結(jié)構(gòu)簡單，蒸發(fā)材料的離化率高，離子能量高，沉積速率高等優(yōu)點，已在沉積硬質(zhì)耐磨薄膜、裝飾薄膜方面得到成功應用，但是陰極弧產(chǎn)生的大顆粒對鍍膜質(zhì)量有較大的影響。隨著陰極弧等離子體工業(yè)應用的日益廣泛，特別是陰極弧等離子體制備納米疊層膜和超硬膜等新一代表面技術(shù)的出現(xiàn)，消除大顆粒和提高陰極弧等離子體傳輸效率研究工作受到普遍重視，成為研究熱點針對消除大顆粒有較多的研究工作消除大顆粒的措施主要分兩類：
�、俅艌隹刂苹“叻ǎ�
�、谶^濾法。
第一類方法試圖從起源上消除大顆粒，但效果較差[1] 。過濾法包括直管過濾、彎管過濾、方桶過濾、視線遮擋過濾、百葉窗過濾、旋轉(zhuǎn)葉片過濾等[2] 。迄今為止，磁過濾彎管是廣泛采用的簡單而較有效的濾除大顆粒方法，并有較大的等離子體輸出量。盡管這樣，磁過濾彎管仍有等離子體損失大的缺點，影響工作效率，為此人們提出一些改進磁過濾彎管傳輸效率的方案。Bilek[3]提出了在磁過濾彎管內(nèi)部外側(cè)面上鋪偏壓板(Bilek板)，與整管偏壓相比，這樣的偏壓形式在反射正離子的同時又可減少電子在管壁上的損失在磁過濾彎管是地電位條件下， 與地電位時Bilek 板相比， 正電位的Bilek 板要吸收更大的電子流，而同時正電位的Bilek 板也使磁過濾彎管有更大的傳輸效率。
盡管現(xiàn)有的磁過濾器在過濾大顆粒方面起到一定的作用，但是在高效、高質(zhì)量的鍍膜技術(shù)中就略顯不足，比如光學鍍膜等。所以根據(jù)磁過濾技術(shù)的要求，本文設計了一個新型磁過濾器，并且對此磁過濾器內(nèi)部的電磁場進行數(shù)值模擬分析。
1、陰極弧離子源磁過濾器對磁場的要求
對磁過濾器的設計，包括很多參數(shù)，如幾何形狀、磁場分布、電勢以及偏壓類型等。這些參數(shù)的優(yōu)化組合依賴于管中等離子體的參數(shù)，又與真空弧電流及陰極材料相互依存。
首先，對磁場強度的要求，必須能使電子被約束在過濾器中而離子在正交的電磁場的相互作用下被加速引出。因此過濾器的長度L 要大于電子的拉莫爾回旋半徑而遠小于離子的拉莫爾回旋半徑[4] ：
其中，Ud 是放電電壓，qi 是離子的電量，B 是磁感應強度，mi 是離子質(zhì)量，me 是電子質(zhì)量。這個關(guān)系式是過濾設計的關(guān)鍵。
其次，是對磁場位形的要求，在磁過慮器內(nèi)部的磁場盡可能地和電場線正交，這樣在正交電磁場所形成的洛倫茲力作用下離子被加速引出。因為引出離子束的均勻性在很大程度上取決于出口平面的磁場強度的均勻性，故在磁過濾器出口平面的磁場強度要盡可能地均勻。
最后，聚焦磁場與磁過濾器的磁場之間最佳比率也是很重要的[5] 。聚焦磁場太低，進入磁過濾器的等離子體將受到磁鏡的反射作用；反之，部分磁力線又將穿過管壁，造成等離子體的復合損失。所以在設計磁過濾器磁場時，一定要考慮聚焦磁場的影響。
4、結(jié)論
本文根據(jù)陰極弧離子源磁過濾器對磁場的要求，在增大磁過濾器出口面積以及Bilek 偏壓的基礎上，利用永久磁鐵來優(yōu)化磁過濾器的磁場位形設計了新型的彎管磁過濾器。最后利用有限元法對設計的磁過濾器的磁場進行模擬，由模擬結(jié)果可知此過濾器具有如下幾個方面的優(yōu)點：
（1）具有彎管磁過濾的優(yōu)點。在彎管內(nèi)等離子體傳輸?shù)姆较蛏辖⒁粋�磁力線彎曲的磁場，其磁力線具有一定偏轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)半徑，等離子體將會沿著這條磁力線的方向傳輸而不帶電的微粒會以直線運動而被分離開。
�。�2）Bilek 板偏壓。這樣的偏壓形式在反射正離子的同時又可減少電子在管壁上的損失，在磁過濾彎管是地電位條件下，正電位的Bilek 要吸收較大的電子流，而同時正電位的Bilek 板也使磁過濾彎管有更大的傳輸效率。
�。�3）較大的出口平面面積。適合較大面積的鍍膜過程，并且大面積的離子束能提高成膜的均勻性。
�。�4）出口平面的磁場強度大小基本相等。由于離子的運動受到磁場的約束，所以磁場的均勻性保證了出口平面離子束的均勻性。
參考文獻
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