[其他]表面改性用高能寬束發散場考夫曼離子源

無效

• 申請號: 86201075
• 申請日: 1986-03-01
• 公開（公告）號: CN86201075U
• 公開（公告）日: 1986-12-31
• 發明（設計）人: 馮毓材
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間中心
• 主分類號: H01J37/08
• 分類號: H01J37/08
• 代理公司: 中國科學院專利事務所
• 代理人: 戊志敏

本實用新型屬于離子束表面加工。

考夫曼離子源已經被廣泛應用于空間推進，離子束刻蝕和濺射鍍膜。但是這些源的引出束流能量一般小于3千電子伏特。當提高引出系統電壓時，會引起放電熄滅和極間閃絡，所以限制了考夫曼離子源的應用，尤其不能用于金屬材料的表面改性。????

本實用新型的目的是將考夫曼離子源加以改進，提高它的引出電壓，用于大面積強流離子注入及混合，使注入工藝實用化。

圖1為高能寬束考夫曼離子源的結構圖。圖中1為后蓋板，2是固定螺釘、3是放電室外壁、4是后極靴、5是陰極、6是陽極、7是前極靴、8是引出柵、9是永久磁鐵、10是抑制柵、11是內絕緣子、12是陶瓷外絕緣套、13是離子源出口法蘭、14是真空密封圈。

圖2為內絕緣子結構圖。圖中15是連接螺釘、16是墊圈、17是固定螺帽、18是引出柵、19是絕緣子本體、20是抑制柵、21是連接螺釘。

本實用新型的要點是考夫曼源的外部有絕緣套管、處于正高電位的后蓋板和離子源的出口法蘭，后極靴伸進放電室部分是放電室總長的1/8～1/5，陰極伸進放電室部分是放電室總長的3/7～5/7柵極采用具有正高壓引出柵的負高壓抑制柵的單孔引出系統，絕緣子的連接螺釘要放在絕緣子本體內，并與絕緣子端有一間隙，付抑制柵20與絕緣子本體之間的距離為0＜ΔL＜10毫米，(L₁×2+L₂)×n＞2L。

下面用圖說明本實用新型的原理。從圖1看出，源的后蓋板1處于正高電位，固定螺釘2將放電室固定到后蓋板上，并通過它將放電室的熱量傳遞到后蓋板上，后蓋板由導熱良好的材料制成。后極靴4由軟鐵或不銹鋼制成，構成磁路的一部分。陰極5發射電子，它的一端與放電室外壁同電位，陰極可采用直熱式或空心式陰極。陽極6通過絕緣子固定在放電室外壁上，陽極材料是無磁不銹鋼，陽極與陰極之間的電位差等于放電電壓。由軟鐵或低碳鋼制成的前極靴7與永久磁鐵9及后極靴4一起構成外磁路。由于后極靴伸進放電室部分是放電室總長的1/8～1/5，陰極伸進放電室部分是放電室總長的3/7～5/7，所以放電室內磁場沿放電室軸線成發散型，但在前后極靴附近有較強的徑向磁場。這種磁場分布能在引向電壓從零到10萬伏時保持放電穩定。引出極8，中間為離子束引出孔，它由石墨或無磁不銹鋼制成。抑制柵10處于負電位，它做為引出系統的低電位電極，同時起防止來自離子源下游的電子回流到離子源的作用。電壓的大小，根據束流大小使柵的引出孔中心電位保持足夠負以抑制回流電子。內絕緣子11的功能是隔離引出柵和抑制柵同時起定位和固定抑制柵的作用，它可由氮化硼或陶瓷制成。陶瓷外絕緣套12將高電位與地隔離。離子源出口法蘭13處于低電位，將離子源連接到真空室上。

現在看圖2。引出柵18處于正高電位，抑制柵20處于負電位，絕緣子本體的作用是隔離高電壓使二柵之間不發生擊穿或閃絡。絕緣子本體的一端內孔金屬化后與連接螺釘15焊接，另一端與連接螺釘21粘接或螺釘連接。其中連接螺釘21與絕緣子本體19之間有一間隙。抑制柵20與絕緣子本體19之間的距離為0＜ΔL＜10毫米。絕緣子本體外形尺寸的取值應滿足(L₁×2+L₂)×n＞2L。采用這種結構的目的是防止在不同介電系數材料的分界面處，由于場強不均引起的陰極發射的電子到達陽極引起柵極間閃絡。

本實用新型所述的高能寬束強流考夫曼離子源結構緊湊、簡單、效率高。可以直接加速離子到達離子注入所需要的高能量。在材料表面處理中，將金屬表面注入某些離子，可以提高金屬表面的硬度，耐磨性，抗腐蝕性和抗疲勞等性能，可以常溫注入，不影響基體性能，并且注入層與基體形成理想的冶金表面，但對基體外形尺寸無明顯影響。在引出束流幾十毫安時不需要外加冷卻，可以連續工作上百小時不需要更換任何零部件。