陰極電弧蒸發(fā)源放電機(jī)理的研究.pdf

1、真空鍍膜工藝是一種物理方法，真空鍍的工藝過程不產(chǎn)生電鍍廢水，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣闊。陰極電弧蒸發(fā)鍍膜技術(shù)屬于真空鍍膜中離子鍍膜的一種改進(jìn)方法，是20世紀(jì)70年代開始研究的一種新的物理氣相沉積工藝是離子鍍技術(shù)中的皎皎者，具有高離化率、易于進(jìn)行反應(yīng)鍍、散射性好、膜層致密以及附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在刀具、模具、小五金以及裝飾品等鍍制耐磨、耐熱及耐蝕薄膜的行業(yè)應(yīng)用廣泛。
　　對于陰極電弧蒸發(fā)源放電機(jī)理的研究，首先要分析放電過程中等離子體

2、的屬性，特別是靶面等離子體的分布和參數(shù)，但是直流放電擊穿時(shí)間極短，對于放電過程中等離子體，其電子能量不足納秒，電子的輸運(yùn)為納秒級(jí)，離子輸運(yùn)為微秒級(jí)等問題，使得對于等離子體的研究與模擬過程極具復(fù)雜性。
　　本課題基于中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司所設(shè)計(jì)應(yīng)用的多弧離子鍍膜設(shè)備進(jìn)行模擬與實(shí)驗(yàn)研究，利用多物理場耦合軟件COMSOL Multiphysics中的等離子體模塊下的直流放電模塊以及添加外部電路模塊，對陰極電弧離子鍍膜直流放電

3、過程進(jìn)行了模擬，獲得了與實(shí)踐相符合的放電參數(shù)及等離子體參數(shù);利用COMSOL Multiphysics軟件中的磁場無電流模塊對弧源系統(tǒng)中的磁場組件所產(chǎn)生磁場的屬性進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬了相同幾何尺寸的磁環(huán)組件所產(chǎn)生磁場的屬性，得出使用磁環(huán)組件可達(dá)到降低充磁強(qiáng)度，節(jié)約能源的目的;利用COMSOL Multiphysics軟件中的粒子追蹤模塊對均勻磁場中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，所得到的拉莫爾回旋半徑與理論計(jì)算值之間的誤差控制在

4、0.1％之內(nèi);最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析附加磁場對放電過程中弧斑運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)并不是使得靶面磁場越強(qiáng)弧斑運(yùn)動(dòng)效果越好，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，使得靶面磁場強(qiáng)度適中，從而使弧斑細(xì)碎以減少液滴的反射，并且可以使弧斑在靶面收縮運(yùn)動(dòng)使靶材刻蝕均勻。
　　為深入研究弧光放電過程與附加磁場的關(guān)系，同時(shí)采用磁過濾多弧離子鍍系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過改變磁場組件與陰極靶面間的距離，調(diào)節(jié)靶面磁場強(qiáng)度與分布，以靶面橫向磁通密度為表征，得到不同磁場強(qiáng)度與分布情況

5、下的弧斑運(yùn)動(dòng)軌跡效果圖，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)弧斑內(nèi)帶電粒子所受回旋力的作用使得電荷在靶面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)弧作用力的作用將電荷束縛在相對確定的位置，徑向推力使得能夠控制弧斑在靶面移動(dòng)，使得靶面刻蝕均勻;軸對稱磁場兼具橫向磁場與銳角法則的雙重優(yōu)勢，可以使得弧斑在靶面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)弧斑分裂，減少液滴發(fā)射從而提高薄膜質(zhì)量，但是長時(shí)間在較高磁場環(huán)境中工作會(huì)造成靶材刻蝕不均的后果，降低了靶材的利用率，為改善靶材刻蝕不均勻的情況可以在實(shí)驗(yàn)過程中，及時(shí)