带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源及其电离方法

摘要

本发明涉及一种带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源及其电离方法，其中磁屏蔽霍尔离子源包括电磁铁、设有电离通道的导磁管体、阳极、阴极、气体工质导管和电源，电离通道的底端封堵，另一端为带有扩口设置的开口端，阳极设置在电离通道的底端，阴极远离阳极并设置在电离通道的开口端外侧，在电离通道的周向内壁面上设置导流挡板。本发明通过在霍尔离子源的电离通道内壁面上的近阳极区和电离区交界处设置导流挡板，使得通道壁面附近的中性工质能够向电子密度较高的通道中心区域聚集，减少气体工质通过近壁面区域未经充分的电离便流出通道的情况。本发明的电离方法通过选择最优的导流挡板的设置，提高了电离效率。

权利要求

1.一种带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源，包括电磁铁、设有电离通道的导磁管体、阳极、阴极、气体工质导管和电源，其特征在于：所述电离通道的底端封堵，所述电离通道的另一端为带有扩口设置的开口端，所述阳极设置在所述电离通道的底端，所述阴极远离所述阳极并设置在所述电离通道的开口端外侧，所述电离通道的周向内壁面上设置有至少一个导流挡板以使气体工质向电离通道的中心区域聚集；所述导流挡板布置在所述电离通道的周向内壁面上近阳极区和电离区交界处；所述导流挡板的一端与所述电离通道的内壁面连接，所述导流挡板的另一端朝向所述阳极倾斜设置，与所述内壁面呈夹角α，且夹角α的范围为20°≤α≤60°。

2.根据权利要求1所述的磁屏蔽霍尔离子源，其特征在于：夹角α为30°或45°。

3.根据权利要求1所述的磁屏蔽霍尔离子源，其特征在于：所述导流挡板的数量不少于三个，导流挡板长度相同，导流挡板之间的间距相同。

4.根据权利要求3所述的磁屏蔽霍尔离子源，其特征在于：导流挡板的长度为10mm，导流挡板之间的间距为2mm。

5.根据权利要求1所述的磁屏蔽霍尔离子源，其特征在于：所述导流挡板的数量不少于三个，导流挡板之间的间距从所述阳极朝向阴极的方向逐渐变大或逐渐变小。

6.根据权利要求1-5任一项所述的磁屏蔽霍尔离子源，其特征在于：在所述电离通道的内壁面上设置磁屏蔽层，所述磁屏蔽层为陶瓷层，所述导流挡板采用具有阻磁效能的陶瓷材料制成。

7.一种提高磁屏蔽霍尔离子源电离效率的方法，其特征在于：

步骤一，根据工质气体和所需电离强度设定霍尔离子源的阳极、阴极和磁场的参数；

步骤二，在霍尔离子源的电离通道内按初始间距、长度和倾角设置导流挡板，并测算当前的电离通道内的分子密度；

步骤三，调整导流挡板的间距、长度和倾角，测算在不同间距、长度和倾角设置的导流挡板情况下的电离通道内的分子密度；

步骤四，优化选择，比较步骤二和步骤三中的不同测算结果，选择电离通道的近壁面区的分子密度最小、电离通道中部分子密度最大的测算结果，根据选择的该测算结果选择对应的导流挡板的间距、长度和倾角设置参数为最优参数。

说明书

带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源及其电离方法

技术领域

[0001] 本发明涉及离子源领域，尤其涉及一种带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源及其电离方法。

背景技术

[0002] 霍尔离子源因其具有结构简单、离子能量适中，离子密度大广泛应用于各种工业加工中，霍尔离子源工作过程中所产生的高能离子和放电通道壁面进行碰撞所造成的侵蚀作用是目前制约离子源寿命的主要问题，为了提高会霍尔离子源工作寿命，可以采用磁屏蔽技术。如图1所示，已研发的霍尔离子源包括导磁管体1、电离通道2和阳极3，图未示的阴极设置为与电离通道2开口端外侧的位置，并与阳极3相对设置；图未示的电磁铁一般设置在导磁管体1的左侧，或这与导体管体一体化设置；图未示的电源一般设置为直流电源，且与阳极、阴极、电磁铁分别连接，或每个阳极、阴极以及电磁铁设置独立电源，电源输出功率或电流大小可调。为了达到磁屏蔽效果，在电离通道2 的内表面上设置一层磁屏蔽层。

[0003] 这种技术下的磁场设计与传统离子源的磁场设计不同，通道壁面附近的磁力线近似和放电通道壁面平行，一方面可以在这里形成轴向电场，使得中性气体电离的离子远离壁面运动，另一方面可以在这里形成较低的电势降，较少鞘层对离子的加速作用，从而提高离子源寿命。但是由于采用了磁屏蔽技术，离子源壁面附近磁场强度通常较低，对电子束缚能力较弱，使得该处的电子密度较低，通道内壁面附近的大部分中性气体未经和电子发生碰撞电离而流出，从而导致放电通道内的中性气体电离效率较低。这不但使得磁屏蔽离子源的工作性能相对较低，而且造成了工质气体的浪费。

[0004] 公开于该背景技术部分的信息仅仅指在增加对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源及其电离方法。

[0006] 本发明的目的采用以下技术方案实现：

[0007] 一种带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源，包括电磁铁、设有电离通道的导磁管体、阳极、阴极、气体工质导管和电源。所述电离通道的底端封堵，所述电离通道的另一端为带有扩口设置的开口端，所述阳极设置在所述电离通道的底端，所述阴极远离所述阳极并设置在所述电离通道的开口端外侧，所述电离通道的周向内壁面上设置有至少一个导流挡板以使气体工质向电离通道的中心区域聚集。

[0008] 优选的，所述导流挡板布置在所述电离通道的周向内壁面上近阳极区和电离区交界处。

[0009] 优选的，所述导流挡板的一端与所述电离通道的内壁面连接，所述导流挡板的另一端与所述内壁面呈夹角α设置。

[0010] 优选的，所述电离通道的开口端的扩口的内壁面为锥形面或弧形面，优选为锥形面。

[0011] 优选的，所述导流挡板的另一端朝向所述阳极倾斜设置，且夹角α的范围为20°≤α≤60°。

[0012] 优选的，夹角α为30°或45°。

[0013] 优选的，所述导流挡板的数量不少于三个，导流挡板长度相同，导流挡板之间的间距相同。

[0014] 优选的，导流挡板的长度为10mm，导流挡板之间的间距为2mm。

[0015] 优选的，所述导流挡板的数量不少于三个，导流挡板之间的间距从所述阳极朝向阴极的方向逐渐变大或逐渐变小。

[0016] 优选的，在所述电离通道的内壁面上设置磁屏蔽层，所述磁屏蔽层为陶瓷层，所述导流挡板采用具有阻磁效能的陶瓷材料制成。

[0017] 优选的，所述导流挡板为整体倾斜的环状结构；或为多片周向布置的板状结构。

[0018] 优选的，所述导流挡板通过连接器可拆卸和调整的与电离通道的内壁面连接，所述连接器位置可调的连接在所述电离通道的内壁面上，通过所述连接器可以调整导流挡板的倾角和间距。

[0019] 本发明还提供了一种提高磁屏蔽霍尔离子源电离效率的方法，方法包括：

[0020] 步骤一，根据工质气体和所需电离强度设定霍尔离子源的阳极、阴极和磁场的参数；

[0021] 步骤二，在霍尔离子源的电离通道内按初始间距、长度和倾角设置导流挡板，并测算当前的电离通道内的分子密度；

[0022] 步骤三，调整导流挡板的间距、长度和倾角，测算在不同间距、长度和倾角设置的导流挡板情况下的电离通道内的分子密度；

[0023] 步骤四，优化选择，比较步骤二和步骤三中的不同测算结果，选择电离通道的近壁面区的分子密度最小、电离通道中部分子密度最大的测算结果，根据选择的该测算结果选择对应的导流挡板的间距、长度和倾角设置参数为最优参数。

[0024] 本发明具有以下有益效果：有效地解决了现有磁屏蔽离子源通道内中性气体电离效率较低的缺点，通过在通道内安装导流挡板的方法提高了磁屏蔽离子源的中性气体电离效率，从而提高了该型离子源的效率。

附图说明

[0025] 图1是现有技术的不采用导流挡板的霍尔离子源的结构示意图；

[0026] 图2是本发明带有导流挡板的磁屏蔽霍尔离子源的结构示意图；

[0027] 图3是导流挡板和电离通道开口端不同设置的霍尔离子源实施例的示意图；

[0028] 图4为不采用导流挡板的霍尔离子源的离子源通道内部分子密度图；

[0029] 图5为采用导流挡板的霍尔离子源的离子源通道内部分子密度图。

[0030] 图中：1：导磁管体；2：电离通道；2.1：磁屏蔽层；2.2：开口端； 3：阳极；4：导流挡板；5：连接器；Ⅰ：近阳极区；Ⅱ：电离区；Ⅲ：加速区。

具体实施方式

[0031] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 一、设计原理

[0033] 磁屏蔽霍尔离子源由于其特殊的磁场分布，在通道内外壁面附近磁场强度通道较弱，对电子的束缚能力较低，导致流经该区域的工质不能得到充分的电离。该发明的方案设计原理为：通过在离子源近阳极区和电离区交界处放置导流挡板，使的通道壁面附近的中性工质能够向电子密度较高的通道中心区域聚集，减少气体工质通过近壁面区域未经充分的电离便流出通道的情况。

[0034] 二、具体实施例

[0035] 实施例一

[0036] 如图2所示，本实施例中，1为导磁管体，用于磁场线的导引；2 为电离通道，大体位于导体管体1的中部，该电离通道一端封堵，另一端开口形成具有扩口结构的开口端2.2。2.1为磁屏蔽层，设置在电离通道2的内壁面的表层。3为阳极，4为导流挡板。其中Ⅰ区为近阳极区，Ⅱ区为电离区，Ⅲ区为加速区。电磁铁、阴极、气体工质导管和电源图中未示出，采用离子源领域的通用匹配结构即可。

[0037] 具体的，在通过在离子源近阳极区和电离区交界处放置导流挡板 4，导流挡板4为两个沿周向布置，与电离通道2的内壁面呈45°的夹角α，鱼鳞状排列，导流挡板4的长度为10mm，间距2mm，导流挡板4 使得电离通道2的内壁面附近的中性工质能够向电子密度较高的通道中心区域聚集，减少气体工质通过近壁面区域未经充分的电离便流出通道的情况。

[0038] 该实施例的电离通道2的开口端2.2采用锥形的扩口设计。在电离通道2的内壁面设置一层磁屏蔽层2.1，该磁屏蔽层2.1采用具有阻磁特性的陶瓷材料。

[0039] 实施例二

[0040] 如图3所示，本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：导流挡板4设置3个，其呈带有倾斜方向的环状结构，该导流挡板4的夹角α为30°。

[0041] 导流挡板4从靠近阳极3附近向外长度依次变短、间距依次变大，夹角α可以都设为30°，也可以根据需要进行调整为逐渐变小。

[0042] 可选的，所述导流挡板4为整体倾斜的环状结构；导流挡板4通过连接器5可拆卸和调整的与电离通道2的内壁面连接，所述连接器5 位置可调的连接在所述电离通道2的内壁面上，通过所述连接器可以调整导流挡板的倾角和间距。

[0043] 可选的，开口端2.2采用弧形扩口设计。

[0044] 为了对如图1不采用导流挡板的情况和图2采用导流挡板的情况做效果测评，需要对电离效果进行测算。

[0045] 测算方法有多种，如直接采用离子束流密度及能量测量装置测量的物理方法，再如化学检测方法，而成本较低的一种测算方法为使用有限元分析软件对两种离子源的电离通道内部分子密度进行仿真，该发明通过有限元分析软件如ansys对不带有导流挡板和带有导流挡板的霍尔离子源内的分子密度进行仿真测算，仿真结果分别如图4、图5 所示。通过对比可以发现，采用导流挡板的离子源在电离区的近壁面区域分子密度远低于传统离子源在该区域的分子密度，说明该方案可以有效改善中性气体沿电子密度较低的近壁面区域未经充分电离便流出通道的情况，提高了离子源的效率。

[0046] 具体的，该发明还提供了一种提高磁屏蔽霍尔离子源电离效率的方法，方法包括：

[0047] 步骤一，根据工质气体和所需电离强度设定霍尔离子源的阳极、阴极和磁场的参数；

[0048] 步骤二，在霍尔离子源的电离通道2内按初始间距、长度和倾角设置导流挡板4，并测算当前的电离通道2内的分子密度；

[0049] 步骤三，调整导流挡板4的间距、长度和倾角，测算在不同间距、长度和倾角设置的导流挡板4情况下的电离通道2内的分子密度；

[0050] 步骤四，优化选择，比较步骤二和步骤三中的不同测算结果，选择电离通道2的近壁面区的分子密度最小、电离通道2中部分子密度最大的测算结果，根据选择的该测算结果选择对应的导流挡板4的间距、长度和倾角设置参数为最优参数。

[0051] 通过上述方法，可以对不同工质气体的不同电离需求选择不同的导流挡板4的参数设置。以达到匹配的最优电离效果。

[0052] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。