本發(fā)明為解決長(zhǎng)條形工件金屬離子處理時(shí)離子束均勻性的問題而提出的新型的離子源引出-加速結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景

金屬蒸汽真空弧離子源(metalvaporvacuumarc)，簡(jiǎn)稱mevva源。這項(xiàng)技術(shù)是在上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的brown、adler和burkhart等人因核物理研究需要研制而成。由于mevva源可以產(chǎn)生各種強(qiáng)流金屬和導(dǎo)電化合物的離子束，具有束流強(qiáng)、離子種類多、純度高、電荷態(tài)高、引出電壓高以及多孔大面積引出的特點(diǎn)，利用這些離子束可以改善和提高金屬材料表面抗磨損、抗高溫氧化、耐腐蝕和降低表面摩擦系數(shù)等性能，也可以改善陶瓷、金剛石表面的焊接性能等，經(jīng)金屬離子注入處理后的工模具和零部件，使用壽命將大大提高。因此近20年里mevva源技術(shù)有了快速的發(fā)展，是材料表面優(yōu)化處理的重要技術(shù)手段之一，被廣泛的應(yīng)用于機(jī)加工、機(jī)器制造、儀器儀表制造等行業(yè)，對(duì)離子注入材料表面改性研究與應(yīng)用已經(jīng)并正在發(fā)揮重要的影響。

mevva源的工作原理是利用陰極和陽極間的真空弧放電產(chǎn)生大量的金屬等離子體，在電場(chǎng)的作用下被引出而形成的強(qiáng)流金屬離子束。mevva源能夠產(chǎn)生元素周期表中從鋰到鈾的所有金屬離子，金屬離子束流強(qiáng)、束斑大，特別適用于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用。mevva源實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流離子注入，能夠改變材料表面成分及結(jié)構(gòu)，因此種新型的強(qiáng)流金屬離子源問世后很快就被應(yīng)用于非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性，并引起了強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命，這種獨(dú)特的離子注入機(jī)被稱為新一代金屬離子注入機(jī)。

mevva源技術(shù)有點(diǎn)如下：：

(1)對(duì)元素周期表上的固體金屬元素(合碳)都能產(chǎn)生10毫安量級(jí)的強(qiáng)束流；

(2)離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達(dá)到很高的純度，同時(shí)可以省去昂貴而復(fù)雜的質(zhì)量分析器；

(3)金屬離子一般有幾個(gè)電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個(gè)引出電壓可實(shí)現(xiàn)幾種能量的疊加(離子)注入；

mevva源技術(shù)的缺點(diǎn)：

1、mevva要處理大工件時(shí)往往是通過掃描系統(tǒng)或者增大陰極尺寸及系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，使得離子注入機(jī)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜；

2、為提高處理尺寸，工件一般距離子束出口距離較遠(yuǎn)，大大降低了離子束的密度，在同等束流強(qiáng)度的情況下大大減低了陰極的壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明基于原有的mevva系統(tǒng)，對(duì)引出電極以及加速電極重新設(shè)計(jì)，提出了一種新型離子源引出-加速電極結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例的目的之一是通過設(shè)計(jì)新型的離子源引出-加速電極結(jié)構(gòu)有效地對(duì)離子束流進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能處理更寬工件的長(zhǎng)條形束斑，同時(shí)能夠大幅提高陰極壽命。

進(jìn)一步來講，新型的離子源引出-加速電極結(jié)構(gòu)包括：長(zhǎng)條形的引出電極，以及梯形截面的加速電極；

在一些實(shí)施例中，引出電極包括：引出電極孔為長(zhǎng)條形，相鄰兩長(zhǎng)條形引出孔間距為1.2-2.0mm，長(zhǎng)條形引出電極孔尺寸為(1.5-2.5mm)×(80-100mm)；引出電極厚2-5mm；

在一些實(shí)施例中，加速電極包括：加速電極孔為長(zhǎng)條形，相鄰兩長(zhǎng)條形引出孔間距為1.2-2.0mm，加速電極表面為弧形形狀，弧形的半徑為9-12m；加速電極的長(zhǎng)條形孔的截面不是常規(guī)的矩形，而是梯形形狀，梯形上邊面(靠近引出電極端面)尺寸為(1.5-2.5mm)×(80-100mm)，梯形下邊面尺寸為(2-3mm)×(80-100mm)，加速電極厚2-5mm。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明各實(shí)施例具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、本發(fā)明實(shí)施例提出的新型引出-加速電極結(jié)構(gòu)引出束斑尺寸最長(zhǎng)可為800mm，最寬可為400mm，這是現(xiàn)有直徑為10mm陰極結(jié)構(gòu)的金屬真空蒸汽離子源相同位置長(zhǎng)度的3-5倍；

2、相比現(xiàn)有直徑為10mm陰極結(jié)構(gòu)的金屬真空蒸汽離子源，束流大小提高1-2倍，在相同束流大小情況下能夠提高陰極靶材的壽命1-2倍；

需要說明的是，對(duì)于前述的方法實(shí)施例，為了簡(jiǎn)單描述，故將其都表述為一系列的動(dòng)作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動(dòng)作順序的限制，因?yàn)橐罁?jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其他順序或者同時(shí)進(jìn)行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說明書中所描述的實(shí)施例均屬于優(yōu)選實(shí)施例，所涉及的動(dòng)作并不一定是本發(fā)明所必需的。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明實(shí)施例的更多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將在之后的具體實(shí)施方式予以說明。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的引出電極俯視圖和側(cè)面圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的引出電極和加速電極側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬真空蒸汽離子源(mevva)示意圖及實(shí)物圖；

圖4為金屬真空蒸汽離子源(mevva)：引出電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，長(zhǎng)條形引出電極孔尺寸為2mm×90mm；引出電極厚3mm；

加速電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，加速電極表面為弧形形狀，弧形的半徑為10m；加速電極的長(zhǎng)條形孔的截面梯形上邊面(靠近引出電極端面)尺寸為2mm×90mm，梯形下邊面尺寸為2.2mm×90mm，加速電極厚2mm，加速電極與引出電極最小間距為3mm，實(shí)際工作電壓8kv；

圖5為金屬真空蒸汽離子源(mevva)：引出電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，長(zhǎng)條形引出電極孔尺寸為2mm×90mm；引出電極厚3mm；

加速電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，加速電極表面為弧形形狀，弧形的半徑為10m；加速電極的長(zhǎng)條形孔的截面梯形上邊面(靠近引出電極端面)尺寸為2mm×90mm，梯形下邊面尺寸為2.4mm×90mm，加速電極厚2mm，加速電極與引出電極最小間距為3mm，實(shí)際工作電壓8kv；

圖6為金屬真空蒸汽離子源(mevva)：引出電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，長(zhǎng)條形引出電極孔尺寸為2mm×90mm；引出電極厚3mm；

加速電極：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，加速電極表面為弧形形狀，弧形的半徑為10m；加速電極的長(zhǎng)條形孔的截面梯形上邊面(靠近引出電極端面)尺寸為2mm×90mm，梯形下邊面尺寸為3mm×90mm，加速電極厚2mm，加速電極與引出電極最小間距為3mm，實(shí)際工作電壓8kv；

圖7為圖4，5，6三種不同情況下(分別對(duì)應(yīng)圖7中的下標(biāo)1，2，3)，工作電壓8kv，束流6ma時(shí)陰極靶材的壽命對(duì)比圖。

附圖標(biāo)記說明

100引出電極長(zhǎng)條形孔

101引出電極定位孔

102引出電極長(zhǎng)條孔間距

103引出電極

200引出電極側(cè)視圖

201加速電極側(cè)視圖

202加速電極長(zhǎng)條孔梯形截面

300mevva陰極靶材及實(shí)物圖

301引出電極示意圖及實(shí)物圖

302加速電極示意圖及實(shí)物圖

303觸發(fā)電極

304離子束

方法實(shí)施例

本實(shí)施例中，引出電極尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，長(zhǎng)條形引出電極孔尺寸為2mm×90mm；引出電極厚3mm；

加速電極尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)條孔間距1.5mm，加速電極表面為弧形形狀，弧形的半徑為10m；加速電極的長(zhǎng)條形孔的截面梯形上邊面(靠近引出電極端面)尺寸為2mm×90mm，加速電極厚2mm，加速電極與引出電極最小間距為3mm，實(shí)際工作電壓8kv；其中改變梯形下邊面尺寸取(2.2，2.4和3mm)×90mm，離子注入基板10min，其中基板為白紙，白紙距離出口均為100mm。

綜合圖4-6試驗(yàn)結(jié)果來看，新型引出-加速電極能夠很好的對(duì)離子進(jìn)行調(diào)控，在陰極尺寸為φ10mm能夠形成長(zhǎng)條形的離子束斑，在離出口100mm處，束斑長(zhǎng)度大于500mm，比原來的束斑直徑180提高了近3倍的長(zhǎng)度，非常有利于長(zhǎng)條形工件的處理，同時(shí)從束斑顏色來看，束流均勻性明顯提高，沒有明顯的強(qiáng)束流強(qiáng)區(qū)和弱區(qū)。如圖7，在相同6ma離子束流強(qiáng)度下陰極靶材的壽命均大于40小時(shí)，比原來的8h提高了5倍以上。