强流金属离子源 技术领域 ：
本发明属于离子源和材料表面处理领域， 具体涉及一种强流金属离子源。 背景技术 ：
随着高能气体离子源和金属离子源的发展， 尤其是 MEVVA 离子源的发明， 离子注 入技术的应用日益广泛。由于 MEVVA 离子源能产生大部分金属和半导体元素的高能离子 流， 从而使离子注入技术的应用范围逐渐扩展。离子注入技术大量应用于金属材料表面改 性， 提高金属材料的表面性能， 如摩擦、 磨损和抗腐蚀性能等。 同时， 离子注入技术在半导体 和非金属材料的表面处理中的应用也日益广泛， 诸如半导体掺杂和陶瓷表面金属化等。离 子注入材料表面改性的优点是不改变工件尺寸， 但是由于受离子能量局限的影响， 离子注 入的深度较浅， 因此其改性层较薄， 从而也限制了离子注入技术的应用。 为了提高材料表面 改性层的厚度， 一般采用离子镀膜方法， 在材料表面沉积功能或装饰薄膜， 提高材料表面的 硬度、 耐腐蚀、 抗磨损和抗疲劳等性能。 但是， 离子镀膜由于能量较低， 沉积薄膜与基体之间 结合力较差。因此， 目前通过研制强流金属离子源， 将离子注入和离子镀膜结合起来， 实现 离子注入和沉积的双重功能， 从而有效提高被处理材料的表面性能。目前的 MEVVA 离子源， 大多数只能产生脉冲金属离子流， 其平均流强和注入效率也受到很大限制。现在离子源主 要朝高能、 强流和大面积方向发展以适应工业化生产的需要。 发明内容 ：
本发明的目的是提供一种强流金属离子源， 它可工作于直流和脉冲两种模式， 产 生大面积高能强流金属离子流。
本发明技术内容如下 ： 一种强流金属离子源， 包括阴极、 水冷阴极座、 阳极筒、 稳弧 线圈、 聚焦线圈、 触发针、 触发线包、 输运直管、 发散线圈、 汇聚线圈、 绝缘环、 引出栅、 支座法 兰、 抑制栅、 支座法兰、 高压绝缘环、 减速电源和加速电源。阳极筒的外壁上开有凹槽， 在凹 槽内分别缠绕着稳弧线圈和聚焦线圈， 在阳极筒的上部设有法兰盖， 一个倒置 “T” 形结构水 冷阴极座固定在法兰盖的正中， 并处于阳极筒内， 圆台形阴极与水冷阴极座下端连接。 在水 冷阴极座的旁边有一个穿过法兰盖的 “L” 形触发针， 触发针的下端的 “针钩” 正对着阴极的 下端面， 触发针的上部在法兰盖的上方包裹着一个触发线包。在阳极筒的下部连接有一个 输运直管， 输运直管与阳极筒之间由绝缘环隔离开来 ； 在输运直管的上、 下两端凹槽内分别 密绕发散线圈和汇聚线圈， 在输运直管内设有水冷螺线铜管 ； 输运直管下端连接引出栅极 支座法兰， 引出栅极支座法兰对应着一个结构相似的抑制栅极支座法兰， 在引出栅极支座 法兰与抑制栅极支座法兰之间设有一个高压绝缘环将它们隔开一定的距离， 在引出栅极支 座法兰与抑制栅极支座法兰相对的位置上分别设有引出栅极和抑制栅极， 抑制栅极支座法 兰的另一端通过减速绝缘环连接着一个内径相同的圆环形接地法兰， 接地法兰通过一个导 输运直管靠近引出栅 线接地。 抑制栅极支座法兰与减速电源连接， 减速电源的另一端接地 ； 极支座法兰的一端通过一根导线依次连接着一个电阻和一个弧放电电源的正极， 其阴极通过导线连接着水冷阴极座的上部 ； 阳极筒紧接着绝缘环的一端连着一个高压加速电源， 并 且该导线同时与弧放电电源的正极连接。
上述的圆台形阴极的锥形角为 5° -45°。
上述的弧放电电源为直流电源， 其电压为弧放电电源电压为 60V-100V 连续可调， 输运直管与阳极筒之间连接的电阻可为 50Ω-1000Ω。
上述的减速电源可以为直流负电源， 电压 0 ～ -2000V ； 也可以为脉冲负电源， 脉冲 电压 0 ～ -2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz，
上述的加速电源可以为直流正电源， 电压 0 ～ 10000V ； 也可为脉冲正电源， 脉冲电 压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz。
上述的阳极筒的顶部的法兰上增设送气管。
上述的引出栅极和抑制栅极为由均匀排布的钼丝制成的条形多孔结构。
本发明达到的有益效果 ： (1) 本方案提供了一种可在直流和脉冲两种模式工作， 产生大面积、 高能、 强流金属离子流的装置。 本装置产生的直流离子束流最大可达 500mA， 脉 冲离子束流最大可达到 2A。(2) 输运直管外的发散线圈和汇聚线圈在输运直管中产生透镜 磁场， 透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区， 提高了等离子体的均匀性。 在输运直管中间的水冷螺线铜管产生与透镜磁场相反的磁场， 进一步加大透镜磁场中间段 的发散会聚特性。 (3) 引出栅极和抑制栅极由钼丝按等间距排列形成条形引出孔， 增加等离 子体透射引出面积。(4) 采用脉冲高压电源时， 可获得脉冲高能离子束流， 同时在脉冲停断 期间金属等离子体也将从引出系统喷射出来， 此时获得的是金属离子 / 等离子体流， 即可 实现离子注入和沉积的双重功能。 附图说明 ： 图 1 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 1 的结构示意图 ；
图 2 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 2 的结构示意图 ；
图 3 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 3 的结构示意图 ；
图 4 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 4 的结构示意图 ；
图 5 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 5 的结构示意图 ；
图 6 是本发明所提供的一种强流金属离子源具体实施方式 6 的结构示意图 ；
图中， 1. 圆截锥形阴极 2. 水冷阴极座 3. 触发线包 4. 触发针 5. 稳弧线圈 6. 聚焦线圈 7. 水冷阳极筒 8. 绝缘环 9. 输运直管 10. 发散线圈 11. 水冷螺线铜管 12. 引出栅极 13. 抑制栅极 14. 汇聚线圈 15. 引出栅极支座法兰 16. 高压绝缘环 17. 抑 制栅极支座法兰 18. 减速绝缘环 19. 接地法兰 20. 减速电源 21. 加速电源 22. 电阻 23 弧放电电源 24. 脉冲减速电源 25. 脉冲加速电源 26. 送气管 27. 等离子体产生区 28. 等 离子体输运区 29. 离子引出区 30. 法兰盖。
具体实施方式 ：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述 ：
实施例 1
如图 1 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引 出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 电阻 22 和弧放电电源 23。阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上部通过螺 钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷阴极座 2 从法兰盖 30 的中心 轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴极 1 的 斜边与轴线的夹角为 45° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发 针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触发线包 3 用于引发电离。在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个呈圆筒形的输运直管 9， 输运直 管 9 与阳极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在输运直管 9 两端的凹槽内分 别密绕发散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 10 ～ 20V 的可调直流电源连接。在 输运直管 9 的正中心有一个盘成螺旋圆筒形的水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固 定在输运直管 9 的侧壁上并引出。输运直管 9 的下端与引出栅极支座法兰 15 通过螺纹连 接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰 17， 引出栅 极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它们之间设有一个高压绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。 在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 相对的位置分 别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑制栅极 13。抑制栅极支 座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰 19， 它们之间垫有 减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰 17 与电压 0 ～ 2000V 连续可调的直流减速电源 20 的负极连接， 直流减速电源 20 的正极接地。输运直管 9 靠近 引出栅极支座法兰 15 的一端通过一根导线依次连接着一个 50Ω 的电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可调的弧放电电源 23 的正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴 极座 2 的上部。水冷阳极筒 7 紧接着绝缘环 8 的一端连着一个电压 0 ～ 10000V 连续可调 的高压直流加速电源 21 的正极， 直流加速电源 21 的负极接地， 并且该导线同时与弧放电电 源 23 的正极连接。
圆台形阴极 1、 水冷阴极座 2、 触发线包 3、 触发针 4 和水冷阳极筒 7 组成的区域称 为阴极真空弧放电区， 也称为等离子体产生区 27， 稳弧线圈 5 产生轴向磁场约束和稳定弧 放电， 聚焦线圈 6 产生的聚焦磁场将等离子体导入输运直管 9 内部的等离子体输运区 28， 缠绕在输运直管 9 入口外侧的发散线圈 10 和出口外侧的汇聚线圈 14 在等离子体输运区 28 产生透镜磁场， 透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区 29， 插入输运直 管 9 中间的水冷螺线铜管 11 产生与透镜磁场相反的磁场， 进一步加大透镜磁场中间段的 发散、 会聚特性。离子引出区 29 包含引出栅极 12 和抑制栅极 13， 引出栅极 12 和抑制栅极 13 由钼丝按等间距排列形成条形引出孔， 增加等离子体透射引出面积。在等离子体产生区 27， 圆截锥形阴极 1 和水冷阳极筒 7 之间连接的弧放电电源 23， 当触发针 4 在触发线包 3 带 动下接触阴极端面后离开， 即在阴极端面产生阴极弧斑， 弧放电电源 23 随即在圆台形阴极 1 和阳极筒 7 之间产生稳定的弧放电， 产生直流金属等离子体。利用稳弧线圈 5 产生的轴 向磁场和圆截锥形阴极 1 斜面的夹角来约束和稳定阴极弧放电发生在阴极端面， 在 5-25mT -1 -3 稳弧磁场作用下， 弧放电可以在 10 Pa ～ 10 Pa 的气压下工作， 及在高真空下也可稳定工 作， 从而达到引出高能离子束流的条件。 由于稳弧磁场作用， 阴极和阳极之间的工作电压在30-60V， 弧放电电源 23 电压在 60-100V。聚焦线圈 6 产生的聚焦磁场将等离子体聚焦进入 输运直管 9 形成的等离子体输运区 28。发散线圈 10 和汇聚线圈 14 在等离子体输运区 28 产生透镜磁场， 透镜磁场先将等离子体发散然后再会聚进入离子引出区 29， 插入输运直管 9 中间的水冷螺线铜管产生与透镜磁场相反的磁场， 进一步加大透镜磁场中间段的发散会 聚特性， 提高等离子体进入离子引出区 29 的均匀性。当正高压加速电源 21 通过电阻 22 施 加在引出栅极 12 上， 金属等离子体就从离子引出区中被引出和加速， 同时负高压减速电源 20 施加在抑制栅极 13 上以抑制高能离子束流轰击所产生的二次电子流返回引出区域。从 而获得高能大面积金属离子束流。
实施例 2
如图 2 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线 圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引 出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 电阻 22 和弧放电电源 23。阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上部通过螺 钉连接阳极筒 7 的上部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷 阴极座 2 从法兰盖 30 的中心轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴极 1 的斜边与轴线的夹角为 5° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过 法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触发线包 3 用于引发电离。在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个呈 圆筒形的输运直管 9， 输运直管 9 与阳极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在 输运直管 9 两端的凹槽内分别密绕发散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 10 ～ 20V 的可调直流电源连接。在输运直管 9 的正中心有一个盘成螺旋源筒形的水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固定在输运直管 9 的侧壁上并引出。输运直管 9 的下端与引出栅极 支座法兰 15 通过螺纹连接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的抑制 栅极支座法兰 17， 引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它们之 间设有一个高压绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。 在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支 座法兰 17 相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑 制栅极 13。抑制栅极支座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地 法兰 19， 它们之间垫有减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰 17 与脉冲电压为 0 ～ 2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲减速 电源 24 的负极连接， 脉冲减速电源 24 的正极接地。输运直管 9 靠近引出栅极支座法兰 15 的一端通过一根导线依次连接着一个 1000Ω 的电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可调 的弧放电电源 23 的正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴极座 2 的上部。水 冷阳极筒 7 紧接着绝缘环 8 的一端连着一个脉冲电压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲加速电源 25 的正极， 脉冲加速电源 25 的负极接地， 并且该 导线同时与弧放电电源 23 的正极连接。
实施例 3
如图 3 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线 圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 电阻 22 和弧放电电源 23。阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上部通过螺 钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷阴极座 2 从法兰盖 30 的中心 轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴极 1 的 斜边与轴线的夹角为 45° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发 针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触发线 包 3 用于引发电离。在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个的输运直管 9， 输运直管 9 与 阳极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在输运直管 9 两端的凹槽内分别密绕 发散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 10 ～ 20V 的可调直流电源连接。在输运直 管 9 的正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固定在输运直管 9 的 侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极 1 相当， 可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进 入离子引出区 29， 提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管 9 的下端与引出栅极支座法 兰 15 通过螺纹连接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支 座法兰 17， 引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它们之间设有 一个高压绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。 在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑制栅极 13。 抑制栅极支座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰 19， 它们之间垫有减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰 17 与脉 冲电压为 0 ～ 2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲减速电源 24 的负极连接， 脉冲减速电源 24 的正极接地。输运直管 9 靠近引出栅极支座法兰 15 的一端 通过一根导线依次连接着一个 500Ω 连续可调的电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可调 的弧放电电源 23 的正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴极座 2 的上部。水 冷阳极筒 7 紧接着绝缘环 8 的一端连着一个脉冲电压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调高压脉冲加速电源 25 的正极， 脉冲加速电源 25 的负极接地， 并 且该导线同时与弧放电电源 23 的正极连接。
实施例 4
如图 4 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线 圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引 出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 电阻 22 和弧放电电源 23。阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上部通过螺 钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷阴极座 2 从法兰盖 30 的中心 轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴极 1 的 斜边与轴线的夹角为 30° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发 针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触发线包 3 用于引发电离。在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管 9， 这样减少 等离子体在输运管中间段壁上的损失， 提高等离子体输出效率， 从而提高离子束流密度。 输 运直管 9 与阳极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在输运直管 9 两端的凹槽内分别密绕发散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 200V 的直流电源连接。在输运 直管 9 的正中心有一个盘成螺旋圆筒形的水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固定在输 运直管 9 的侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极 1 相当， 可以视线阻挡阴极弧放电产生 的大颗粒进入离子引出区 29， 提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管 9 的下端与引出 栅极支座法兰 15 通过螺纹连接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的 抑制栅极支座法兰 17， 引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它 们之间设有一个高压绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。 在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅 极支座法兰 17 相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑制栅极 13。抑制栅极支座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形 接地法兰 19， 它们之间垫有减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。抑制栅极支座 法兰 17 与脉冲电压为 0 ～ 2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲 减速电源 24 的负极连接， 脉冲减速电源 24 的正极接地。输运直管 9 靠近引出栅极支座法 兰 15 的一端通过一根导线依次连接着一个 300Ω 电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可 调的弧放电电源 23 的正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴极座 2 的上部。 水 冷阳极筒 7 紧接着绝缘环 8 的一端连着一个脉冲电压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调高压脉冲加速电源 25 的正极， 脉冲加速电源 25 的负极接地， 并 且该导线同时与弧放电电源 23 的正极连接。 实施例 5
如图 5 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线 圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引 出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 电阻 22 和弧放电电源 23。阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上部通过螺 钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷阴极座 2 从法兰盖 30 的中心 轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴极 1 的 斜边与轴线的夹角为 15° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发 针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触发线包 3 用于引发电离。在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管 9， 这样减少 等离子体在输运管中间段壁上的损失， 提高等离子体输出效率， 从而提高离子束流密度。 输 运直管 9 与阳极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在输运直管 9 两端的凹槽 内分别密绕发散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 200V 的直流电源连接。在输运 直管 9 的正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固定在输运直管 9 的 侧壁上并引出。纺锤形最大直径与阴极 1 相当， 可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进 入离子引出区 29， 提高栅极系统高压引出的稳定性。输运直管 9 的下端与引出栅极支座法 兰 15 通过螺纹连接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支 座法兰 17， 引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它们之间设有 一个高压绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法 兰 17 相对的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑制栅 极 13。抑制栅极支座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰
19， 它们之间垫有减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。 抑制栅极支座法兰 17 与 脉冲电压为 0 ～ 2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲减速电源 24 的负极连接， 脉冲减速电源 24 的正极接地。输运直管 9 靠近引出栅极支座法兰 15 的一 端通过一根导线依次连接着一个 800Ω 电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可调的弧放电 电源 23 的正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴极座 2 的上部。水冷阳极筒 7 紧接着绝缘环 8 的一端连着一个脉冲电压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调高压脉冲加速电源 25 的正极， 脉冲加速电源 25 的负极接地， 并且该导线 同时与弧放电电源 23 的正极连接。
实施例 6
如图 6 所示， 一种强流金属离子源， 它包括阴极 1、 水冷阴极座 2、 阳极筒 7、 稳弧线 圈 5、 聚焦线圈 6、 触发针 4、 触发线包 3、 输运直管 9、 发散线圈 10、 汇聚线圈 14、 绝缘环 8、 引 出栅极 12、 支座法兰 15 上、 抑制栅极 13、 支座法兰 17、 高压绝缘环 16、 减速电源 20、 加速电 源 21、 水冷螺线铜管 11、 减速绝缘环 18、 接地法兰 19、 送气管 26、 电阻 22 和弧放电电源 23。 阳极筒 7 的外壁上开有凹槽， 在凹槽内分别缠绕着稳弧线圈 5 和聚焦线圈 6， 阳极筒 7 的上 部通过螺钉连接一个陶瓷材料的法兰盖 30。一个倒置 “T” 形结构水冷阴极座 2 从法兰盖 30 的中心轴线处穿过， 并伸入阳极筒 7 内。圆台形阴极 1 与水冷阴极座 2 连接， 其中圆台形阴 极 1 的斜边与轴线的夹角为 45° ； 在水冷阴极座 2 的旁边有一个穿过法兰盖 30 的 “鱼钩” 形触发针 4， 触发针 4 下端的 “针钩” 正对着阴极 1 的下端面， 触发针 4 的上部包裹着一个触 发线包 3 用于引发电离。在法兰盖 30 的顶部固定有一个送气管 26， 便于将工作气体如 Ar、 N2、 C2H2 等送入等离子体放电区域， 使工作气体也参与等离子体放电， 气体被活化或部分电 离， 使输出的金属等离子体 / 离子流中包含气体等离子体 / 离子， 从而有助于反应注入和沉 积。 在水冷阳极筒 7 的下部通过螺钉连接一个纺锤形的输运直管 9， 这样减少等离子体在输 运管中间段壁上的损失， 提高等离子体输出效率， 从而提高离子束流密度。输运直管 9 与阳 极筒 7 之间垫有一个聚四氟乙烯材料的绝缘环 8。在输运直管 9 两端的凹槽内分别密绕发 散线圈 10 和汇聚线圈 14， 这两个线圈分别与 10 ～ 20V 的直流电源连接。在输运直管 9 的 正中心有一个纺锤形水冷螺线铜管 11， 该螺线铜管 11 的两端固定在输运直管 9 的侧壁上并 引出。纺锤形最大直径与阴极 1 相当， 可以视线阻挡阴极弧放电产生的大颗粒进入离子引 出区 29， 提高栅极系统高压引出的稳定性。 输运直管 9 的下端与引出栅极支座法兰 15 通过 螺纹连接， 与引出栅极支座法兰 15 相对着的位置有一个结构相似的抑制栅极支座法兰 17， 引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 通过螺钉固定连接， 它们之间设有一个高压 绝缘环 16， 将它们隔开一定的距离。在引出栅极支座法兰 15 与抑制栅极支座法兰 17 相对 的位置分别焊着由均匀分布的钼丝制成的条形多孔结构的引出栅极 12 和抑制栅极 13。抑 制栅极支座法兰 17 的另一端通过螺钉固定连接一个内径相同的圆环形接地法兰 19， 它们 之间垫有减速绝缘环 18， 接地法兰 19 通过一个导线接地。抑制栅极支座法兰 17 与脉冲电 压为 0 ～ 2000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz 的可调脉冲减速电源 24 的负 极连接， 减速电源 24 的正极接地。 输运直管 9 靠近引出栅极支座法兰 15 的一端通过一根导 线依次连接着一个 100Ω 的电阻 22 和一个电压为 60V-100V 连续可调的弧放电电源 23 的 正极， 弧放电电源 23 的阴极通过导线连接着水冷阴极座 2 的上部。水冷阳极筒 7 紧接着绝 缘环 8 的一端连着一个脉冲电压 0 ～ 50000V， 脉冲宽度 50μs ～ 5ms， 脉冲频率 0 ～ 200Hz的可调脉冲加速电源 25 的正极， 脉冲加速电源 25 的负极接地， 并且该导线同时与弧放电电 源 23 的正极连接。