專利名稱：一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄膜與涂層制備技術領域，具體地說是一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源。
背景技術：
電弧離子鍍膜技術是當今一種先進的離子鍍膜技術，由于其結構簡單，離化率高，入射粒子能量高，繞射性好，可實現低溫沉積等一系列優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展并獲得廣泛應用，展示出很大的經濟效益和工業應用前景，特別是在裝飾鍍和工模具鍍 市場領域到處可以看到電弧離子鍍的蹤影。但是大顆粒的噴射造成了薄膜表面污染，導致表面的粗糙度增大而降低薄膜的光澤，對裝飾及抗磨應用帶來不利影響，嚴重影響薄膜的質量，導致鍍層附著力降低并出現剝落現象，鍍層嚴重不均勻等。電弧離子鍍高離化率，低溫沉積的突出優點使其在工模具鍍上展現出其他鍍膜方式所不具備的優勢，但是電弧放電的特點使得大顆粒的存在成為工模具鍍的阻礙，也成為阻礙電弧離子鍍技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。目前，應用比較多而且效果比較好的措施是磁過濾，磁過濾技術的采用，雖然有效地消除了大顆粒的污染，但由于等離子體在傳輸過程的損失，沉積速率也大幅度降低，目前等離子體的傳輸效率最高也僅有25%，導致了原材料的浪費和生產效率降低，電弧離子鍍的優點就是沉積速率快，這也是該技術在工業領域廣泛應用的原因之一，不能為了減少部分大顆粒而來損失這個突出的優點，這也是磁過濾技術不能工業化的重要原因。因此，必須突破性的想辦法從源頭解決電弧離子鍍大顆粒的問題。電弧自持放電的必要條件是有持續大量的有效電子發射，從電子發射機理分析，大量電子發射發生的必要條件是有大量的電子能夠越過金屬表面勢壘與費米能級之間的勢壘高度(逸出功)，這種情況發生在兩種狀態下，一是熱陰極電子發散，即金屬表面有大量的高能態電子(大于逸出功)存在，高能態電子的數量隨著金屬的溫度升高而增加，亦即熱電子發散的效應越明顯；另外一種是降低表面勢壘即降低電子的逸出功，即提高陰極表面的外加電場強度，表面勢壘高度的降低值隨著外加電場強度的升高而增大。而陰極附近空間的正電荷密度決定了陰極處的電場強度，正離子電荷密度的增加促進了電場強度的增加，在冷陰極情況下，為了形成有效的電子發散，維持弧光放電，電流的集中放電是最有效的途徑。集中放電一方面可以將陰極局部加熱到聞溫狀態，提聞聞能態電子的數量，另一方面可以在局部形成聞密度的正電荷銷層，提聞局部的電場強度，降低功函數，促進電子的大量發射。而一般電弧離子鍍所用的弧源是冷陰極弧源，這種弧源中電弧的行為被陰極表面許多快速游動，高度明亮的陰極斑點所控制。在陰極弧斑放電中，只有那些溫度最高(離子轟擊和電阻熱效應)，電場最強，或者逸出功最低的微小區才能發射大量的電子，只有最有效的大量的電子發射才能維持弧斑的存在。因此觀察到的弧斑的運動實際上是弧斑最有效位置的移動，更確切的說是正電荷密度最大值的位置的移動引起新弧斑的形成、舊弧斑的熄滅造成了弧斑的運動。而正是由于電弧離子鍍陰極斑點的尺寸很小，功率密度非常高，所以陰極斑點在作為強烈的電子，金屬原子、離子和高速金屬蒸汽發射源的同時，也不斷的噴射金屬大顆粒。而這種現象在大面積的熱陰極弧光放電條件下一般是不存在的(功率密度低，沒達到熔化狀態)，只有在局部的高功率密度的放電情況下，由于形成了較大的熔池，在局部壓力和離子轟擊作用下，才造成了大顆粒的噴射。從電弧離子鍍液滴的產生機制可知，欲減少大顆粒的發射，就應當避免靶材局部過熱產生較大較深的弧斑熔池和局部的離子轟擊。因此，必須采用一定的方式控制弧斑的運動以及改善弧斑的放電形式，提高弧斑的運動速度，縮短弧斑在一點的停留時間，降低局部的功率密度和高密度離子轟擊。國際上比較流行的受控電弧離子鍍膜，從原理上說，就是在弧源上加入一適當的磁場，來控制和提高陰極弧斑在陰極表面的運動速度。同時，可以理解為將功率密度從局部點狀態改變為線狀態(同一時間段)，降低了局部的功率密度和高密度離子轟擊，從而一定程度地減少液滴量、減小液滴尺寸、提高膜層壽命，并使一些普通真空電弧離子鍍膜(又叫自由電弧離子鍍膜，弧斑在陰極表面自由地運動)不能實現或很難實現的蒸鍍成為現實。受控電弧離子鍍膜是真空電弧離子鍍膜的進一步發展，也是真空電弧離子鍍膜技術發展的必然方向。·
雖然受控電弧離子鍍可以實現對弧斑的有效控制，限制弧斑的運動軌跡，部分的減少電弧大顆粒，但是并沒有有效的改善弧斑的放電形式，弧源依然是具有陰極輝點的冷陰極電弧源，是一種分立的電弧源，這種電弧源是產生大顆粒的根本原因。同時，這種技術使得弧斑被限制在一定的位置處，長時間刻蝕會在靶面形成刻蝕軌道，浪費靶材，而且遠沒有達到制備精細功能薄膜的要求。目前，國際還有一些動態磁場控制弧斑運動的弧源設計，如Ramalingam在專利W08503954和US4，673，477中提出了一種在靶材后旋轉永磁體的弧源，以及動態改變包括國內最近剛出現的第四代弧源技術，主要原理都是動態地變換磁場在靶面的局域性分布，從而改變祀面磁場橫向分量最大值的分布，動態的擴大磁場橫向分量的面積以達到擴大弧斑的刻蝕區域，提高靶材的利用率。目前動態方法主要分電磁式和機械式，主要原理都是動態地變換磁場在祀面的局域性分布，從而改變祀面磁場橫向分量最大值的分布，動態的擴大磁場橫向分量的面積以達到擴大弧斑的刻蝕區域，提高靶材的利用率。其中，機械式是通過移動磁體和移動靶材兩種方法，其中移動模式又分為旋轉和往復移動兩種方式。動態的磁場可以基本實現弧斑在結構簡單的大面積靶材上的均勻刻蝕，但是這種方法往往需要增加一套復雜的電磁或者機械控制機構。通過磁場橫向分量位置的改變來擴大弧斑在靶面上分布的面積，只是為了提高部分靶材利用率，實現大面積均勻鍍膜而設計，沒有從根本上改善電弧的放電方式，弧斑還是隨著磁場位置的變化而局域性的移動，依然是電流集中的弧斑放電，大顆粒的問題依然存在。而且磁場的大小在不斷的變化，弧斑的運動速度不穩定，也在不斷的波動，不能對大顆粒進行有效的控制，不利于均勻性鍍膜。所有這些弧源都是具有陰極輝點的冷陰極電弧源，是一種分立的電弧源，這種電弧源是產生大顆粒的根本原因，不能有效地改善弧斑的放電形式，而且遠沒有達到制備精細功能薄膜的要求。中國發明專利(專利號ZL200810010762. 4)提出了一種利用旋轉磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍裝置，置于真空室外的旋轉磁場發生裝置套在圍繞于靶材之外的法蘭套或者爐體管道上，通過旋轉磁場控制弧斑的運動。該專利突破了傳統的靜態或準靜態的磁場設計以及機械式的動態磁場設計思路，提供一種可調速調幅的旋轉磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍裝置，用以改善弧斑的放電形式和工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射。但是該專利的電弧離子鍍裝置沒有針對具體尺寸的靶材進行設計，對合適的磁場形式沒有進行表明，研究發現并非任何旋轉磁場形式都能對弧斑進行有效的控制；該發明依然靠動態旋轉磁場控制弧斑運動，沒有給出實現準擴散弧源的核心要點；該發明沒有對具體的弧源結構進行創新設計，旋轉磁場發生裝置整個套在圍繞于靶材之外的法蘭套上，磁場漏磁嚴重，結構體積龐大，不緊湊，不利于鍍膜整機設計安排；最主要的是該發明只利用旋轉橫向磁場約束弧斑放電，對等離子體的傳輸不利，大大降低了弧光等離子體的傳輸效率，大部分的等離子體約束在靶面附近，造成了沉積不均勻性和速率降低。因此，本發明進一步創新發明，對傳統弧源結構進行改進，針對直徑60_150mm的圓形靶材，進行了結構設計，提出了一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的設計方案。
發明內容
本發明的目的在于提供一種利于整機設計的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，用以改善弧斑的放電形式和工作穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，提高等離子體的傳輸效率。本發明的技術原理是本發明通過覆蓋整個靶面的頻率和強度可調的二極旋轉徑向磁場控制弧斑的運動，徑向磁場使弧斑逆安培法則沿垂直徑向磁場方向倒退直線運動，傳統的可控弧源設計都是降徑向磁場限制在一定的范圍內，通過銳角法則限制弧斑在一定的徑向磁場范圍內倒退直線運動，而在靶面一定范圍內沿徑向磁場方向隨機運動，弧斑在徑向磁場環內快速旋轉運動，該運動提高了弧斑的運動速度，降低了弧斑在一點的停留時間，將點隨機運動變為線分布，降低了弧斑的功率密度，減少了大顆粒的發射，但長時間的刻蝕容易形成刻蝕坑。而通過覆蓋整個靶面的二極徑向磁場，則弧斑沿垂直徑向磁場方向倒退直線運動，沿徑向磁場方向隨機運動，由于該徑向磁場沒有限制在一定的范圍內，而是覆蓋整個靶面，因此弧斑沿徑向磁場方向的隨機運動也是沿整個靶面的。同時，二極徑向磁場的高頻旋轉，將使得弧斑也疊加了旋轉運動，因此弧斑在一定磁場強度和一定旋轉頻率綜合作用下，將使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度。而旋轉的徑向磁場可以約束靶面前等離子體，約束電子和離子的運動，提高靶面前電子密度大大增加，促進粒子間碰撞，提高離子密度和離化率，進一步加強了離子對靶面的轟擊效果，但是該轟擊效果的增強是分布在整個靶面的，促進了靶面的熱場電子發射，提高了有效電子量，而使得弧斑一點集中的高功率密度發射(產生大顆粒的原因)轉變為整個靶面均勻的低功率密度的熱場電子發射，實現準擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時提高蒸發效果和離化效果。但是，徑向磁場有約束等離子體的效應，因此進一步通過靶材前段的軸向聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出，提高其傳輸效率。基于上述技術原理，本發明技術方案是一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，所述緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源設有二極徑向旋轉磁場發生裝置、聚焦導引磁場發生裝置、靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、法蘭套、法蘭套屏蔽罩、靶材底盤、永久磁體裝置、引弧裝置；靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、靶材底盤和永久磁體裝置形成弧源頭；法蘭套、法蘭套絕緣套、二極徑向旋轉磁場發生裝置、軸向聚焦導引磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛和法蘭套屏蔽罩形成控制磁場組；弧源頭通過靶材底盤與法蘭套底部進行連接，形成整體弧源結構，通過法蘭套前部的法蘭盤與爐體進行連接；法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、軸向聚焦導引磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛；法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部開有與冷卻水通道相通的法蘭套出水口、法蘭套進水口，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔；靶材通過連接螺紋安裝于靶材底座上，二極徑向旋轉磁場發生裝置、聚焦導引磁場發生裝置圍套在法蘭套外，與靶材同軸放置，與法蘭套之間通過絕緣套保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置放置于靶材周圍，其中心高于靶材表面，位置可移動；聚焦導引磁場發生裝置放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置前端，底部安裝同軸聚焦磁場磁軛，二極徑向旋轉磁場發生裝置內側開有槽隙；法蘭套外圍設置法蘭套屏蔽罩，通過法蘭套屏蔽罩對內部的磁場發生裝置進行保護；靶材底座底盤嵌套在靶材底座外，通過絕緣套進行密封保護，永久磁體裝置安裝在靶材底座內部空心位置，與靶材底座底部通過螺紋連接，靶材底座外圍設置靶材底座屏蔽罩，通過靶材底座屏蔽罩對內部進行保護；靶材底座中設有靶材底座冷卻水通道，靶材底座冷卻水通道分別與靶材底座進水口、靶材底座出水口相通；靶材底座底盤靠近靶材底座位置開一引弧裝置安裝孔，引弧裝置設置于引弧裝置安裝孔中，引弧裝置的一端與靶材相對應；靶材底座底盤周邊開有靶材底座底盤連接孔,靶材底座底盤通過靶材底座底盤連接孔與法蘭套連接。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，二極徑向旋轉磁場發生裝置，由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組組成，鐵芯由厚O. 35-0. 5mm的環形硅鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑按法蘭套尺寸選擇，大于法蘭套外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過絕緣套圍套在法蘭套上；硅鋼片的表面涂有耐高壓絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋或熱軋硅鋼或者采用非晶導磁材料。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，二極徑向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈采用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞制；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式采用疊式或者波式，繞組的端 部形狀采用鏈式、交叉式、同心式或疊式；對于36槽以上磁極鐵芯的繞組采用倍極比正規分布、Λ /2Υ接法的雙速繞組；每相由2個六聯組構成，2極為60相帶顯極布線，兩相之間極性相反；將其中一半線圈組反向獲得120相帶的4極繞組，即4極時所有線圈極性相同，并用一路Λ形連接；繞組引出線為6根、三相中間抽頭的端線2U、2V、2W空置不接，電源從4U、4V、4W進入，產生二極徑向磁場；二極徑向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓單獨調節，電壓范圍為0-380V，頻率范圍為10-500HZ，通過電壓調節二極徑向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極徑向旋轉磁場的旋轉速度。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，聚焦導引磁場發生裝置，由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場線圈通過法蘭套絕緣套與法蘭套絕緣保護，放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置前段，其底部連接一個環形鐵芯磁軛；聚焦導引磁場發生裝置中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，法蘭套由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套為空心結構，通冷卻水保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，二極徑向旋轉磁場發生裝置在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，中間冷卻水通道上部焊接一環形法蘭盤，法蘭盤內徑與法蘭套內徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個連接孔，通過連接孔將法蘭套整體與爐體連接；中間冷卻水通道下部連接不銹鋼法蘭環，法蘭環內外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋為通孔，作為進、出水口，另外6個作為弧源頭連接孔。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，靶材底座為不導磁的雙層不銹鋼內筒和外筒同軸圍套組成中空的筒形結構，內筒上部為封閉圓盤，內筒的內側為永久磁體裝置的安裝位置；外筒上部為臺階形封閉圓盤，臺階高度與靶材連接螺紋高度一致，臺階外環有連接螺紋，靶材通過臺階螺紋連接在靶材底座上；臺階上部圓盤外徑與靶材底部螺紋內徑一 致，臺階下部圓環外徑與靶材外徑一致，圓環內徑與靶材底部螺紋內徑一致；外筒外徑與靶材外徑一致，外筒壁上有靶材底座密封圈槽，通過絕緣套與靶材底盤裝配；外筒與內筒中間形成靶材底座冷卻水通道，內筒上部與外筒上部留有空隙；靶材底座底部連接不銹鋼法蘭環，法蘭環內外徑與靶材底座一致，法蘭環底部對稱開有兩個通孔，作為進出水口 ；法蘭環底部焊接一端子，作為陰極電源接頭。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，靶材底座屏蔽罩為一涂有絕緣漆的不銹鋼圓筒，圓筒上端焊接一環形法蘭盤，通過該法蘭盤將屏蔽罩安裝在靶材底盤上；屏蔽罩筒底部與靶材底座進出水孔以及電源接頭對應位置開有三個孔，屏蔽罩筒底部中間有圓盤，圓盤中間開有一螺紋孔，永久磁體裝置通過連接桿螺紋與該螺紋孔連接，通過螺母旋扭可調進調出，調節磁場強度大小。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，靶材底座底盤周邊開有8個連接孔，與法蘭環底部8個螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將弧源頭與控制磁場組中的法蘭套底部連接；另外兩個連接孔與法蘭套進水口、法蘭套出水口對應，靶材底座底盤靠近靶材底座位置開一引弧裝置安裝孔。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，永久磁體裝置由永磁體、連接桿組成螺母，永磁體通過連接桿與螺母相連接；永磁體由單個或兩個以上高磁導率塊體材料組合而成，磁軛形狀為圓盤形、圓環形、錐臺形、圓柱形或階梯形狀；永久磁體裝置通過連接桿螺紋與靶材底座底部的螺紋孔連接，通過螺母旋扭可調進調出，調節磁場強度大小，永久磁體裝置放置于靶材后端靶材底座中間空隙內。所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，引弧裝置采用氣動機械引弧或者高頻引弧裝置，通過靶材底座底盤上的引弧裝置安裝孔安裝。本發明的有益效果是I、本發明在一定磁場強度和一定旋轉頻率綜合作用下，使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度，提高離子密度和離化率，實現準擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時提高蒸發效果和離化效果。同時進一步通過靶材前段的軸向聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出，提高其傳輸效率。2、本發明突破傳統的冷陰極弧源磁場設計思路，對傳統弧源結構進行改進，針對直徑60-150mm的圓形靶材，提供一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，用以改善弧斑的放電形式和工作穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，提高等離子體的傳輸效率，利于整機設計，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展。
圖I是緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體結構二維示意圖。圖2為不帶法蘭套屏蔽罩的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體內部結構三維示意圖。圖3是緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源二極徑向旋轉磁場發生裝置與弧源及法蘭之間的位置結構俯視圖。圖4(a)-圖4(b)是二極徑向旋轉磁場發生裝置結構與截面磁場分布示意圖。其中，圖4(a)是磁場發生裝置三維結構及排線分布示意圖；圖4(13)是二極徑向旋轉磁場截面瞬態磁場分布示意圖。圖5是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的弧源頭三維立體剖面圖。圖6是實施例I不帶法蘭套屏蔽罩的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體內部結構三維立體剖面圖。圖7是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的弧源頭三維立體效果圖。圖8 (a)-圖8 (b)是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源頭靶材底座與靶材的三維結構圖。其中，圖8(a)是剖面內部結構；圖8(b)是外形結構。圖9 (a)-圖9 (C)是實施例2 二極旋轉徑向磁場與靶材后端的永久磁鐵的軸向磁場耦合的磁場瞬態分布示意圖。其中，圖9(a)是沒有靶材后端軸向磁場耦合的二極旋轉徑向磁場在祀材截面上的瞬態分布圖；圖9(b)是I禹合了祀材后端軸向磁場的指向祀材一端的二極旋轉徑向磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖9(c)是耦合了靶材后端軸向磁場的與圖9(b)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。圖10(a)-圖10(d)是實施例3 二極旋轉徑向磁場與軸向聚焦引導磁場耦合的磁場瞬態分布示意圖。其中，圖10(a)是無聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，指向祀材一端的二極旋轉徑向磁場在祀材截面及I禹合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖10(b)是無聚焦導引磁軛時,在一定軸向聚焦導引磁場強度下,與圖10(a)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及耦合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖10(c)是有聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，指向祀材一端的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及耦合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖10(d)是有聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，與圖10(C)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及率禹合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖11是實施例4配置了12套緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的離子鍍膜機整機效果圖。圖12(a)-圖12(b)是實施例4緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的內部效果圖。其中，圖12(a)是立體圖一(帶有二極徑向旋轉磁場發生裝置12和軸向聚焦導引磁場發生裝置13);圖12(b)是立體圖二。圖13(a)-圖13(b)是實施例4緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的外部效果圖。其中，圖13(a)是立體圖一；圖13(b)是立體圖二。圖中，I靶材；2連接螺紋；3靶材底座絕緣套；4靶材底座底盤；5靶材底座；6靶材底座屏蔽罩；7靶材底座冷卻水通道；8法蘭套絕緣套；9法蘭盤；10法蘭套冷卻水通道；11法蘭套屏蔽罩；12 二極徑向旋轉磁場發生裝置；13軸向聚焦導引磁場發生裝置；14聚焦磁場磁軛；15引弧裝置；16法蘭套進水口 ；17法蘭套出水口 ；18靶材底座出水口 ；19靶材底座進水口 ；20永久磁體裝置；21法蘭連接孔；22靶材底座底盤連接孔；23聚焦磁力線；24引弧裝置安裝孔；25電源接頭；26永久磁體裝置安裝孔；27旋轉磁場發生裝置槽隙；28靶材底座密封圈槽；29法蘭套；30內筒；31外筒。
具體實施方式
下面通過實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。實施例I :本發明突破傳統的冷陰極弧源磁場設計思路，對傳統弧源結構進行改進，針對直徑60-150_的圓形靶材，提供一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源。圖I是緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體結構二維示意圖，圖2為不帶法蘭套屏蔽罩的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體內部結構三維示意圖。從圖可以看出，緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源由弧源頭與控制磁場組組成，弧源頭包括靶材I、靶材底座5、靶材底座屏蔽罩6、靶材底盤4、引弧裝置15和永久磁體裝置20，控制磁場組包括法蘭套29、法蘭套絕緣套8、二極徑向旋轉磁場發生裝置12、軸向聚焦導引磁場發生裝置13、同軸聚焦磁場磁軛14和法蘭套屏蔽罩11，弧源頭通過靶材底盤4與法蘭套29底部進行連接，形成整體弧源結構，通過法蘭套29前部的法蘭盤9與爐體進行連接，控制磁場組中的聚焦導引磁場發生裝置產生聚焦磁力線23。法蘭套29的外側設有法蘭套絕緣套8，法蘭套絕緣套8的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置12、軸向聚焦導引磁場發生裝置13、同軸聚焦磁場磁軛14，法蘭套29中設有法蘭套冷卻水通道10，法蘭套29底部開有與法蘭套冷卻水通道10相通的法蘭套出水口17、法蘭套進水口 16，法蘭套冷卻水通道10的一端設置環形法蘭盤9，法蘭盤9邊緣開有法蘭連接孔21。靶材I通過連接螺紋2安裝于靶材底座5上，二極徑向旋轉磁場發生裝置12、軸向聚焦導引磁場發生裝置13圍套在法蘭套29外，與靶材I同軸放置，與法蘭套29之間通過法蘭套絕緣套8保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置12放置于靶材I周圍，其中心略高于靶材I表面，位置可移動；軸向聚焦導引磁場發生裝置13放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置12前端，底部安裝同軸聚焦磁場磁軛14，二極徑向旋轉磁場發生裝置12內側開有旋轉磁場發生裝置槽隙27 ;法蘭套29外圍設置法蘭套屏蔽罩11，通過法蘭套屏蔽罩11對內部的磁場發生裝置進行保護。靶材底座底盤4嵌套在靶材底座5外，通過靶材底座絕緣套3進行密封保護，永久磁體裝置20安裝在靶材底座5內部空心位置，與靶材底座5底部通過永久磁體裝置安裝孔26螺紋連接，靶材底座5外圍設置靶材底座屏蔽罩6，通過靶材底座屏蔽罩6對內部進行保護。靶材底座5中設有靶材底座冷卻水通道7，靶材底座冷卻水通道7分別與靶材底座進水口 19、靶材底座出水口 18相通。靶材底座底盤4靠近靶材底座5位置開一引弧裝置安裝孔24，引弧裝置15設置于引弧裝置安裝孔24中，引弧裝置15的一端與靶材I相對應。靶材底座底盤4周邊開有靶材底座底盤連接孔22，靶材底座底盤4通過靶材底座底盤連接孔22與法蘭套29連接。圖3是緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源二極徑向旋轉磁場發生裝置與弧源及法蘭套之間的位置結構俯視圖。本發明實施例I的二極徑向旋轉磁場發生裝置12由多磁極(12n，n為整數，n ^ 2)鐵芯骨架及漆包線繞組組成，二極徑向旋轉磁場發生裝置12內側開有槽隙27，引弧裝置15的一端與靶材I相對應。鐵芯由導磁率(2000 6000H/m)很高的，厚00. 5mm的環形娃鋼片疊壓而成,鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽,槽形為半閉口形式，槽數為36，鐵芯內徑為182_，略大于法蘭套29外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過絕緣套圍套在法蘭套29上；硅鋼片的表面涂有耐高壓絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋硅鋼。二極徑向旋轉磁場發生裝置12的漆包線繞組線圈采用高強度聚氨酯漆包銅線(QZY-2)繞制，采用倍極比正規分布、Λ /2Υ接法的雙速繞組。每相由2個六聯組構成，2極為60相帶顯極布線，兩相之間極性相反；將其中一半線圈組反向獲得120相帶的4極繞組，即4極時所有線圈極 性相同，并用一路Λ形連接。繞組引出線為6根、三相中間抽頭的端線2U、2V、2W空置不接，電源從4U、4V、4W進入，產生二極徑向磁場。圖4(a)是磁場發生裝置三維結構及排線分布示意圖，圖4(b)是二極徑向旋轉磁場截面瞬態磁場分布示意圖，可以看出在二極徑向磁場發生裝置12中間的截面上磁場是完全覆蓋整個靶面的二極徑向磁場，該磁場的強度均勻，頻率和強度可調。二極徑向旋轉磁場發生裝置12的漆包線繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓可單獨調節，電壓范圍為0-380V，頻率范圍為10-500HZ，通過電壓調節二極徑向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極徑向旋轉磁場的旋轉速度；變頻電源以微處理器為核心，以PWM (脈沖寬度調制)方式制作，用主動元件IGBT模塊設計，采用了數字分頻、D/A轉換、瞬時值反饋、正弦脈寬調制等技術制作，具有短路、過流、過載、過熱等保護功能。通過覆蓋整個靶面的頻率和強度可調的二極旋轉徑向磁場控制弧斑的運動，覆蓋整個靶面的徑向磁場使弧斑逆安培法則沿垂直徑向磁場方向倒退直線運動，而沿徑向磁場方向則隨機運動，由于該徑向磁場沒有限制在靶面的一定范圍內，而是覆蓋整個靶面，因此弧斑沿徑向磁場方向的隨機運動也是沿整個靶面的。同時，二極徑向磁場的高頻旋轉，將使得弧斑也疊加了旋轉運動，因此弧斑在一定磁場強度和一定旋轉頻率綜合作用下，將使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度。而旋轉的徑向磁場可以約束靶面前等離子體，約束電子和離子的運動，提高靶面前電子密度大大增加，促進粒子間碰撞，提高離子密度和離化率，進一步加強了離子對靶面的轟擊效果，但是該轟擊效果的增強是分布在整個靶面的，促進了靶面的熱場電子發射，提高了有效電子量，而使得弧斑一點集中的高功率密度發射(產生大顆粒的原因)轉變為整個靶面均勻的低功率密度的熱場電子發射，實現準擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時提高蒸發效果和離化效果。但是，徑向磁場有約束等離子體的效應，為了進一步提高等離子體的傳輸效率，通過靶材前段的軸向聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出。軸向聚焦導引磁場發生裝置13由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場線圈通過法蘭套絕緣套8與法蘭套29絕緣保護，放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置12前段，其底部可連接一個環形高磁導率(2000 6000H/m)的鐵芯同軸聚焦磁場磁軛14，避免軸向聚焦磁場對旋轉徑向磁場的影響，軸向聚焦導引磁場發生裝置13中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度。圖6是實施例I不帶法蘭套屏蔽罩的
緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源整體內部結構三維立體剖面圖。法蘭套29由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套29為空心結構，通冷卻水保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置12、法蘭套29與靶材I三者之間同軸，二極徑向旋轉磁場發生裝置12在法蘭套29上的位置可調。法蘭套29截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道10由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，法蘭套冷卻水通道10上部焊接一環形法蘭盤9，法蘭盤9內徑與法蘭套29內徑平齊，法蘭盤9外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤9邊緣開有6-8個法蘭連接孔21，通過法蘭連接孔21將法蘭套29整體與爐體連接；法蘭套冷卻水通道10下部連接一較厚的不銹鋼法蘭環，法蘭環內外徑與法蘭套29 —致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋為通孔，作為進出水口，另外6個作為弧源頭連接孔。靶材底座底盤4周邊開有8個靶材底座底盤連接孔22，與法蘭環底部8個螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將弧源頭與控制磁場組中的法蘭套29底部連接；另外兩個連接孔與法蘭套進水口 16、法蘭套出水口 17對應。靶材底座底盤4靠近靶材底座5位置開一引弧裝置安裝孔24。圖5是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的弧源頭三維立體剖面圖，圖8(a)- (b)是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源頭靶材底座與靶材的三維結構圖，可以看出，靶材底座5為不導磁的雙層不銹鋼圓筒(內筒30、外筒31)同軸圍套組成中空的筒形結構，內筒30上部為封閉圓盤，內筒30的內側空間為永久磁體裝置20的安裝位置，外筒31上部為臺階形封閉圓盤，臺階高度與靶材I連接螺紋高度一致，臺階外環有連接螺紋2，靶材通過臺階螺紋連接在靶材底座5上。臺階上部圓盤外徑與靶材I底部螺紋內徑一致，臺階下部圓環外徑與靶材外徑一致，圓環內徑與靶材底部螺紋內徑一致；外筒31外徑與靶材外徑一致，外筒31壁上有靶材底座密封圈槽28，通過絕緣套與靶材底盤裝配；外筒31與內筒30中間形成靶材底座冷卻水通道7，內筒30上部與外筒31上部留有一定的空隙，保證水流暢通。靶材底座5底部連接一較厚的不銹鋼法蘭環，法蘭環內外徑與靶材底座一致，法蘭環底部對稱開有兩個通孔，作為靶材底座進水口 19、靶材底座出水口 18;法蘭環底部焊接一端子，作為陰極電源接頭25。圖7是實施例I緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的弧源頭三維立體效果圖，可以看出，靶材底座屏蔽罩6為一涂有絕緣漆的不銹鋼圓筒，圓筒上端焊接一環形法蘭盤，通過該法蘭盤將靶材底座屏蔽罩6安裝在靶材底盤4上；靶材底座屏蔽罩6圓筒底部與靶材底座5的靶材底座進水口 19、靶材底座出水口 18以及電源接頭對應位置開有三個孔，靶材底座屏蔽罩6圓筒底部中間有一較厚圓盤，圓盤中間開有一螺紋孔永久磁體裝置安裝孔26，永久磁體裝置20通過連接桿螺紋與該螺紋孔連接，通過螺母旋扭可調進調出，調節磁場強度大小。永久磁體裝置20由永磁體、連接桿組成螺母，永磁體通過連接桿與螺母相連接，永磁體由單個圓盤形釹鐵硼磁鐵組成。永久磁體裝置20放置于靶材I后端靶材底座5中間空隙內，避免冷卻水退磁影響。引弧裝置15采用氣動機械引弧或者高頻引弧裝置，通過靶材底座底盤4上的引弧裝置安裝孔24安裝。本實施例I結構緊湊，等離子體傳輸效率高，可基本實現準擴散弧狀態，大大改善弧斑的放電形式和工作穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，提高等離子體的傳輸效率，同時利于整機設計，適合推廣，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展。實施例2 本發明提供了多種磁場耦合的實施方案，實施例2是傳統靶材后端永久磁體裝置產生的軸向磁場與二極徑向旋轉磁場耦合的實施方案，二極徑向旋轉磁場前段的軸向聚焦導引磁場不參與耦合。圖9(a)-圖9(c)是實施例2 二極旋轉徑向磁場與靶材后端的永久磁鐵的軸向磁場耦合的磁場瞬態分布示意圖，圖9(a)是沒有靶材后端軸向磁場耦合的二極旋轉徑向磁場在靶材截面上的瞬態分布圖，可以看出，在其他磁場不起作用的時候，靶材表面的二極徑向磁場完全平行于靶面，與靶材邊緣形成指向靶材內部的銳角。該二極徑向旋轉磁場的高速旋轉可以使得弧斑在整個靶面均勻放電，降低功率密度，減少大顆粒的發射。但是如果控制不當，弧斑運動速度過快，而磁場強度和旋轉速度不匹配，則弧斑很容易跑到靶材外面滅弧，放電非常不穩定。為了提高放電穩定性，本實施例2采用了傳統的約束弧斑運動的祀材后端軸向磁場進行磁場I禹合。圖9 (b)是I禹合了祀材后端軸向磁場的指向革巴材 一端的二極旋轉徑向磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。圖9(c)是耦合了靶材后端軸向磁場的與圖9(b)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。可以看出，在一定的軸向磁場強度下，二極徑向旋轉磁場的分布有一定的變化，磁場不再是完全平行于靶面的徑向磁場，而是形成與靶材有一定角度的尖角磁場，該尖角磁場與整個靶面形成一個朝向的銳角，而不是像拱形磁場那種兩個銳角方向的情況，即靶面形成了旋轉的二極尖角磁場。尖角磁場的平行分量依然是徑向分量，使得弧斑沿垂直于徑向分量方向直線倒退運動，而同時，在銳角法則作用下，弧斑在直線倒走的同時，疊加了沿徑向分量指引方向的運動趨勢，及弧斑在沿徑向分量指引方向不再是隨機運動，而是可控運動，可控運動提高了放電的可控性和穩定性。同時，二極尖角磁場的高頻旋轉，將使得可控運動的弧斑疊加了旋轉運動，因此弧斑在一定軸向磁場強度、一定的旋轉二極徑向磁場強度和一定旋轉頻率綜合耦合作用下，將使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度，實現準擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時耦合的磁場提高了放電穩定性。本實施例2在傳統的軸向控制磁場基礎上，疊加了二極徑向旋轉磁場，形成的耦合磁場可以在實現準擴散弧狀態的同時提高放電穩定性。實施例3 雖然在一定的旋轉二極徑向磁場強度和一定旋轉頻率綜合耦合作用下，可以實現準擴散弧狀態，但是徑向磁場有約束等離子體的效應，為了進一步提高等離子體的傳輸效率，實施例3提供了通過靶材前段的軸向聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出的方案。實施例3是沒有傳統祀材后端永久磁體裝置產生的軸向磁場參與,二極徑向旋轉磁場與前端軸向聚焦導引磁場耦合的實施方案。該方案有兩種情況，一種是無聚焦導引磁軛的情況，一種是有聚焦導引磁軛的情況。圖10(a)是無聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，指向靶材一端的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及耦合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖10(b)是無聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，與圖10(a)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在祀材截面及I禹合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；其中圖10(C)是有聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，指向靶材一端的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及耦合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；圖10(d)是有聚焦導引磁軛時，在一定軸向聚焦導引磁場強度下，與圖10(C)徑向磁場方向相反的二極旋轉徑向磁場在靶材截面及耦合磁場在傳輸空間的瞬態分布圖；可以看出，軸向聚焦導引磁場改變了磁場在傳輸空間的分布，提高了傳輸空間的軸向磁場強度，即可以實現非平衡的準擴散弧鍍膜工藝，在降低放電功率密度減少大顆粒發射的同時，降低等離子體的靶面約束，提高了等離子體向傳輸空間輸運的效率和密度，而且是非常有效的。同時可以看出，軸向聚焦導引磁場的參與，改變了二極徑向磁場 的狀態，即形成類似實施例2的與靶面形成一定銳角的尖角磁場，在沒有聚焦導引磁軛的時候，軸向聚焦導引磁場可以很大程度影響二極徑向磁場，對于比較大的靶材，甚至形成兩個尖角，使得弧斑銳角漂移運動的軌跡縮短，容易滅弧。而在有聚焦導引磁軛的時候，軸向聚焦導引磁場大部分被磁軛約束，對祀面二極徑向磁場的影響較小，基本上形成銳角幅度不大的變形，而且只形成一個方向的銳角，類似實施例2的情況。這樣既可以提高放電穩定性，實現擴散弧狀態，同時又可以提高等離子體傳輸效率。因此，本方案實施例提供了一個傳輸高效的，穩定放電的，準擴散弧狀態的弧源方案。實施例4:對于工業鍍膜生產，產品的穩定性、大面積均勻性、高效性都是必須考慮的。而單獨的弧源前段的等離子體分布都是不均勻的，為了提高等離子體均勻性和覆蓋率，整機設計對弧源的安排都是有一定規律，一般要形成交叉分布的。如果等離子體窗口直徑太小，或者交叉區域不明顯，很難實現工業化均勻鍍膜生產，產品合格率和均勻性大大降低。這也是磁過濾不能產業化生產的原因之一，磁過濾裝置體積龐大，很難在一個爐體實現密集的分布，因此等離子體傳輸窗口窄，窗口之間難以交叉，容易形成等離子體密度低的空缺區，對鍍膜生產不利。中國發明專利(專利號ZL200810010762. 4)提出的利用旋轉磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍裝置沒有給出實現準擴散弧源的核心要點，只利用旋轉橫向磁場約束弧斑放電，對等離子體的傳輸不利，大大降低了弧光等離子體的傳輸效率，大部分的等離子體約束在靶面附近，造成了沉積不均勻性和速率降低。同時，旋轉磁場發生裝置整個套在圍繞于靶材之外的法蘭套上，磁場漏磁嚴重，而且結構體積龐大，不緊湊，不利于鍍膜整機設計安排。本發明提供的準擴散弧源不僅傳輸高效，而且結構緊湊。圖11是實施例4配置了12套緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的離子鍍膜機整機效果圖，圖12 (a)- (b)是實施例4緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的內部效果圖，圖13 (a) - (b)是實施例4緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源的外部效果圖。可以看出，在一個爐體上可以實現密集的弧源分布，弧源窗口之間距離小，提高了鍍膜空間等離子體分布均勻性，有利于大面積鍍膜。同時，本發明的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源結構合理，外形美觀，容易安裝調試，可以工業化推廣應用。
權利要求
1.一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于所述緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源設有二極徑向旋轉磁場發生裝置、聚焦導引磁場發生裝置、靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、法蘭套、法蘭套屏蔽罩、靶材底盤、永久磁體裝置、引弧裝置；靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、靶材底盤和永久磁體裝置形成弧源頭；法蘭套、法蘭套絕緣套、二極徑向旋轉磁場發生裝置、軸向聚焦導引磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛和法蘭套屏蔽罩形成控制磁場組；弧源頭通過靶材底盤與法蘭套底部進行連接，形成整體弧源結構，通過法蘭套前部的法蘭盤與爐體進行連接； 法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、軸向聚焦導引磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛；法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部開有與冷卻水通道相通的法蘭套出水口、法蘭套進水口，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔； 靶材通過連接螺紋安裝于靶材底座上，二極徑向旋轉磁場發生裝置、聚焦導引磁場發生裝置圍套在法蘭套外，與靶材同軸放置，與法蘭套之間通過絕緣套保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置放置于靶材周圍，其中心高于靶材表面，位置可移動；聚焦導引磁場發生裝置放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置前端，底部安裝同軸聚焦磁場磁軛，二極徑向旋轉磁場發生裝置內側開有槽隙；法蘭套外圍設置法蘭套屏蔽罩，通過法蘭套屏蔽罩對內部的磁場發生裝置進行保護；靶材底座底盤嵌套在靶材底座外，通過絕緣套進行密封保護，永久磁體裝置安裝在靶材底座內部空心位置，與靶材底座底部通過螺紋連接，靶材底座外圍設置靶材底座屏蔽罩，通過靶材底座屏蔽罩對內部進行保護；靶材底座中設有靶材底座冷卻水通道，靶材底座冷卻水通道分別與靶材底座進水口、靶材底座出水口相通；靶材底座底盤靠近靶材底座位置開一引弧裝置安裝孔，引弧裝置設置于引弧裝置安裝孔中，引弧裝置的一端與靶材相對應；靶材底座底盤周邊開有靶材底座底盤連接孔,靶材底座底盤通過靶材底座底盤連接孔與法蘭套連接。
2.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于二極徑向旋轉磁場發生裝置，由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組組成，鐵芯由厚O. 35-0. 5mm的環形硅鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑按法蘭套尺寸選擇，大于法蘭套外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過絕緣套圍套在法蘭套上；硅鋼片的表面涂有耐高壓絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋或熱軋硅鋼或者采用非晶導磁材料。
3.按照權利要求2所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于二極徑向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈采用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞制；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式采用疊式或者波式，繞組的端部形狀采用鏈式、交叉式、同心式或疊式；對于36槽以上磁極鐵芯的繞組采用倍極比正規分布、Λ /2Υ接法的雙速繞組；每相由2個六聯組構成，2極為60相帶顯極布線，兩相之間極性相反；將其中一半線圈組反向獲得120相帶的4極繞組，即4極時所有線圈極性相同，并用一路Λ形連接；繞組引出線為6根、三相中間抽頭的端線2U、2V、2W空置不接，電源從4U、4V、4W進入，產生二極徑向磁場； 二極徑向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓單獨調節，電壓范圍為0-380V，頻率范圍為10-500HZ，通過電壓調節二極徑向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極徑向旋轉磁場的旋轉速度。
4.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于聚焦導引磁場發生裝置，由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場線圈通過法蘭套絕緣套與法蘭套絕緣保護，放置于二極徑向旋轉磁場發生裝置前段，其底部連接一個環形鐵芯磁軛；聚焦導引磁場發生裝置中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度。
5.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于法蘭套由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套為空心結構，通冷卻水保護；二極徑向旋轉磁場發生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，二極徑向旋轉磁場發生裝置在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，中間冷卻水通道上部焊接一環形法蘭盤，法蘭盤內徑與法蘭套內徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個連接孔，通過連接孔將法蘭套整體與爐體連接；中間冷卻水通道下部連接不銹鋼 法蘭環，法蘭環內外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋為通孔，作為進、出水口，另外6個作為弧源頭連接孔。
6.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于靶材底座為不導磁的雙層不銹鋼內筒和外筒同軸圍套組成中空的筒形結構，內筒上部為封閉圓盤，內筒的內側為永久磁體裝置的安裝位置；外筒上部為臺階形封閉圓盤，臺階高度與靶材連接螺紋高度一致，臺階外環有連接螺紋，靶材通過臺階螺紋連接在靶材底座上；臺階上部圓盤外徑與靶材底部螺紋內徑一致，臺階下部圓環外徑與靶材外徑一致，圓環內徑與靶材底部螺紋內徑一致；外筒外徑與靶材外徑一致，外筒壁上有靶材底座密封圈槽，通過絕緣套與靶材底盤裝配；外筒與內筒中間形成靶材底座冷卻水通道，內筒上部與外筒上部留有空隙；靶材底座底部連接不銹鋼法蘭環，法蘭環內外徑與靶材底座一致，法蘭環底部對稱開有兩個通孔，作為進出水口 ；法蘭環底部焊接一端子，作為陰極電源接頭。
7.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于靶材底座屏蔽罩為一涂有絕緣漆的不銹鋼圓筒，圓筒上端焊接一環形法蘭盤，通過該法蘭盤將屏蔽罩安裝在靶材底盤上；屏蔽罩筒底部與靶材底座進出水孔以及電源接頭對應位置開有三個孔，屏蔽罩筒底部中間有圓盤，圓盤中間開有一螺紋孔，永久磁體裝置通過連接桿螺紋與該螺紋孔連接，通過螺母旋扭可調進調出，調節磁場強度大小。
8.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于靶材底座底盤周邊開有8個連接孔，與法蘭環底部8個螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將弧源頭與控制磁場組中的法蘭套底部連接；另外兩個連接孔與法蘭套進水口、法蘭套出水口對應，靶材底座底盤靠近靶材底座位置開一引弧裝置安裝孔。
9.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于永久磁體裝置由永磁體、連接桿組成螺母，永磁體通過連接桿與螺母相連接；永磁體由單個或兩個以上高磁導率塊體材料組合而成，磁軛形狀為圓盤形、圓環形、錐臺形、圓柱形或階梯形狀；永久磁體裝置通過連接桿螺紋與靶材底座底部的螺紋孔連接，通過螺母旋扭可調進調出，調節磁場強度大小，永久磁體裝置放置于靶材后端靶材底座中間空隙內。
10.按照權利要求I所述的緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源，其特征在于引弧裝置采用氣動機械引弧或者高頻引弧裝置，通過靶材底座底盤上的引弧裝置安裝孔安裝。
全文摘要
本發明涉及薄膜與涂層制備技術領域，具體為一種緊湊高效的準擴散弧冷陰極弧源。準擴散弧冷陰極弧源由弧源頭與控制磁場組組成，弧源頭包括靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、靶材底盤、引弧裝置和永久磁體裝置，控制磁場組包括法蘭套、法蘭套絕緣套、二極徑向旋轉磁場發生裝置、軸向聚焦導引磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛和法蘭套屏蔽罩，弧源頭通過靶材底盤與法蘭套底部進行連接，形成整體弧源結構，通過法蘭套前部的法蘭盤與爐體進行連接。在一定磁場強度和旋轉頻率綜合作用下，使得弧斑在整個靶面分布，降低弧斑的功率密度，實現準擴散弧狀態，減少大顆粒的發射，同時通過軸向聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出，提高其傳輸效率。
文檔編號C23C14/32GK102936717SQ20121044431
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者郎文昌 申請人:溫州職業技術學院