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2007-02-02 16:20 |
解答关于霍尔离子源的几个问题
我这里有一篇关于霍尔源的文章，拿出来大家分享吧！ C7`FM@z
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关于霍尔离子源的几个问题 oB:tio4 DE
尤大伟 任荆学 黄小刚 武建军 >3
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(中国科学院空间中心 北京8701信箱 100080 ) %|[+\py$Q
Several concerning about Hall Ion Source for assisted deposition. (!Q^.C_m
You dawei Ren jingxue Huang xiaogang Wu jianjun ![Z'jC py
(Soace Science and Application Research Center Academy Cinica P.O.Box8701 Beijing 100080 P.R.China ) !o2lB^e8
Abstract: the object of our efforts is to improve design of Hall Ion Source in order to obtain broad energy range, large ion beam current, low gas cost, low contaminations and automatic control performances. 6elmLDMni\
摘要：本文目的在于改进霍尔源的设计，实现宽能、大束流、低气耗、低污染、能自动化控制的新一代霍尔源。 0n S69tH
关键词：光学镀膜，离子束辅助镀膜，等离子体加速。 zq g4@"
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一、 前言 X8Px
我们设计制造了6cm霍尔等离子源。该源的主要性能如下： PNLtpi xZ
源尺寸Ф14cm×14cm；真空室直径700-1000mm；照射距离30-50 cm；离子束平均能量40-120ev；离子束流可到1000ma；工作压力＜4×10-2Pa ；磁场：永久磁铁；气体流量5-15 Sccm。经过改进，我们扩大了平均能量范围40-150ev，离子束流可达到1200ma，也降低了气耗。 87zsV/
我们采用了与众不同的磁场设计{1}，流行的磁场是从中心引出向端部发散，而本磁场是沿着阳极边缘引出向端部发散。这种磁场有利于提高气体效率及放电效率。离子流与放电电流比可达到1/3。可在较低气压（1×10-2-2×10-2Pa）及较小气流量Ar5-10Sccm下运行。 jE.U~D)2YF
我们尽知，该离子源是通过磁场加速及电场加速的二种过程，磁场加速只发生在端部，在阳极前一个电子回旋半径范围内进行，而在锥形阳极前获得电场加速。因此，离子束的能散度较大。通常离子束平均能量为0.6Va，其中Va 为所施加的阳极电压。离子束能量的均方根能散为0.3 Va 。对于流行的Mark-2产品而言，所能采用的阳极电压是70-170V，相应离子束能量是40-100ev。该能量对于光学镀膜某些产品稍嫌不足。但使用更高阳极电压将引起放电不稳定，是不可取的。使放电不稳定的主要因素是因为在离子产生区内没有足够的电子可供进气原子的电离，产生放电等离子体。该电子是下游放射的电子经磁场的非正常扩散的回流进入上游放电区的电子。为了扩大离子束能量范围，必须对影响电子回流的诸因素进行讨论。 N^A&DrMF
由于设备的限制，一般国产设备的有效抽速都是有限的。为了获得更大的离子流，需要降低气耗。为此需改变放电结构，选择合理的特征长度，在扩大的离子流及降低气耗之间进行折中的选择。 KTd,^h
在生产中为了提高成品率及重复性，越来越需要生产过程自动控制。机械化应与信息化完美的结合才能满足生产的需要。本文将在霍尔源的自动化程序的编制思想上提供基本的原则。 IiV:bHUE}0
二、 霍尔源离子的能量 PuAc sYQhN
在磁场存在的情况下，有二种加速离子的机理，由于在磁场的平行方向及垂直方向的电导率相差有数十倍，造成了电位分布类似于磁力线的分布。离子在该电位分布造成的电场作用下向轴中心加速。该电位差只占阳极电位一小部分。第二个加速机理是由于霍尔电流的加速作用。这个加速占去阳极电位的大部分，起着主要加速作用。由于在霍尔加速器的轴向存在较大的磁场梯度，在该磁场梯度作用下，电子回旋半径在不同磁场强度位置下也不同，电子所受的磁力在时间平均下就逆向磁场梯度方向。电子离子即沿着下游方向加速。文献(3)给出由于磁力造成的电位关系 。式中ΔV为磁场力造成的电位差，KTe 为电子温度 (ev)， B及B 0为不同位置的磁场强度。在本设计中B为霍尔源上游气体分配器附近轴向磁场，B 0 为出口处轴向磁场， 在5-10左右。如电子温度为10-20 ev时ΔV=25-70V，用能量减速器实测离子平均能量约为放电电位的60%左右。则轴向加速作用的电位差也占了离子能量的60-70%。 \+mc
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我们根据能量阻滞器实测的霍尔源平均离子能量与阳极电压的关系见图1。 QfJ?'*
可见一般而言，加速离子的能量为阳极电压的50-60%。妨碍阳极高电压使用的主要因素是放电区所需要电子回流。由分析霍尔加速器通过变化磁场的非正常电子扩散过程，在加速过程中所产生的电子回流为： }3cOZd_,t
式中 为电子流密度， 为离子流密度，K1为常数， 为放电电压， 为横向磁场随距离的积分。在电场、磁场变化的情况下，用这个积分磁场作为相关参数来考虑带电粒子的偏转是个半经验参数。在实验中证明有效。在阳极前建立磁场是为了偏转高速电子，可以让高速电子电离中性原子，不让高速电子未经充分碰撞中性原子之前就在阳极上损失掉。这样可以降低放电损失及中性损失。如果与高速电子的损失相关联的磁场参数为 则一般取 为3-10（该值取决于回流的电子温度，由于电子温度的增加，取该值较为合理）。 D^To:N 7U
本设计取上游轴向磁场为（1-1.5）×102T。源出口面的中心磁场应为 \3(d$_:b
（4-5）×10-3 T来保证有足够的该积分磁场值。为了取得高阳极电压Va值，又不能过多损失离子流，则必须要求有更多的电子回流。但某些情况下希望得到高能量的离子束而只能牺牲某些离子流。为此减小气流量，降低真空室的工作气压，可以提高阳极电压。气流量的减小可以减少电离电子的需求，降低电子回流的需要。气压的降低可以减少电子通过扩散回流的阻力。两者都有利于电子回流，使放电趋于稳定。关于阳极电压随进气流量的变化见图2。可见为了获得高阳极电压工作应适当降低工作气流。如果真空抽速过低，真空室内漏气过于严重也不利于电子回流扩散，因此也不能获得高能的霍尔离子束。 ;Y#~ 2eYCz
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关于阳极电压下限一般取70V，更低的阳极电压则不足以提供电离气体所需的放电损失70ev，一般可以通过增大气流来实现低压运行。 4(MZ*6G]?
三、扩大离子流及降低气耗 ++-\^'&1
为了追求大面积最佳的辅助镀膜效果，一般希望具有更大的带能中性离子流。一般而言，总离子流随所采用的阳极电流而增加，但总离子流与阳极电流的比值 就主要取决于所采用的磁场B及放电结构。 随磁场增加起初可以线性增加，但到达某个临界磁场后就饱和了。此外磁场也不能过大，否则影响电子回流，使放电不稳定，所以必须取一个适合值。 4flyV -
改变放电结构可以得到较大的离子流，离子流与阳极电流的比值主要受到放电损失的限制。理论及实践上都表明产生每个离子消耗的功率即放电损失的最佳值为70-100 ev。我们在放电区采用边缘磁场及发散磁场，目的都是为了提高放电效率，降低放电损失及中性损失。放电区只是在霍尔加速区前具有二个电子回旋半径大小的深度。该区内只是边缘有磁场，限制电子被阳极接受。电子充分振荡可以提高电离效率。在Mark-2装置中 一般取0.2，我们可以达到0.2以上。这样也大大提高了靶上的束流密度，经用大法拉第筒实测的总离子流见图3示。 s.]7c
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气耗与中性损失相关， {2}其中 为中性损失即未经电离的中性气体量。 为常数，B为放电区的磁场。可见适当采用低磁场能减少气耗。但过分降B会降低所能获得离子流并不可取。由于真空抽速的限制，希望进一步降低气耗，在该情况下只能减小放电室特征长度，即减小放电体积。我们在阳极锥外加上个阳极套，明显可以降低气耗，但并不显著影响放电室的性能，该套可以方便卸下以供阳极清洗。 |D%i3@P&ZR
四、降低污染 '/kSUvd
如果采用钨丝作为中和及阴极灯丝Kaufman{1}提出污染量为：在用Ar时＜4×10-4（W阴极）及＜13×10-4（碳分配器）用O2时＜13×10-4（W阴极）及＜3×10-4（不锈钢分配器）及＜2×10-4（不锈钢阳极）。可见严重的污染来自直热的钨灯丝。我们采用0.4mm直径的纯钨灯丝其寿命可到7-9小时（O2），为了减小对敏感器件的污染，我们采用了等离子体桥空心阴极中和器，该中和器需增加电源，但大大降低了污染及提高了使用寿命。 ,2vPmff
五、自动化考虑 g5/%}8[-
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参考：{1} H.R.Kaufman,R.S.Robinson,etc.J.Vac.Sci.Technol A5(4)Jul/Aug 1987 PP2081-2084 CZv.$H"lW
{2} H.R.Kaufman AIAA J. V23 N1 1985,1 PP78-87 1 ry:Z2
{3} 尤大伟，李安杰等 核技术 V01.25,N0.9,2002,9 PP679-683 # P$=P2o
⑷ Proceedings of the IV ALL-Union Conference on Plasma Accelerators and Ion Injectors,Moscow,1978,Academy of science,U.S.S.R ;=1]h& S
⑸Plank,G.M,Kaufman,H.R,and Robinson,R.S,“Experimental Investigations of a Hall-Current accelerator”AIAA paper 82-1920,NOV,1982
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