专利名称：一种交叉场放电的控制方法
技术领域：
本发明属于电工工程技术领域，涉及一种采用辉光放电系统中电场和磁场互相正交形成 交叉场与电源电压共同控制的交叉场放电状态，采用电源电压和交叉场中的磁场强度和磁场 空间分布调制放电的等离子体状态实现等离子体驻波共振机制共振耦合形成超高功率脉冲放 电或者实现稳定的放电状态。
背景技术：
磁控放电系统的电场和磁场互相正交形成交叉场控制放电的方法广泛应用与各种工业领 域，比如电工领域、表面工程、航天领域等。例如在表面工程中磁控溅射沉积技术用于材料 改性和薄膜沉积，普通的磁控溅射装置中采用阴极表面的封闭磁场产生等离子体，其中离子 在阴极电压的作用下轰击阴极材料形成溅射效应和沉积薄膜，薄膜沉积的过程中等离子体密 度影响沉积到被镀工件表面的薄膜性能，因此设计者不断采用各种技术措施来提高等离子体 密度和轰击到被镀工件表面的离子电流密度。《溅射沉积技术的发展和现状》(《真空科学 与技术学报》Vol. 25， No. 3， 2005)和《磁控溅射技术进展及应用》(《现代仪器》No. 5， 2005)介绍了目前各种磁控溅射沉积技术的发展和应用情况， 一般磁控溅射的电源采用直流 和中频的脉冲技术，粒子能量在几个电子伏特左右，形成的等离子体离化率低，难以获得理 想的等离子体状态，使磁控溅射装置的应用受到限制。在航空航天领域用于航天器推动和姿 态调整的霍尔发动机则采用阳极放电，磁场由永磁体和电磁线圈构成，形成阳极电场和磁场 正交控制放电，通常控制放电的电压和磁场强度以及电极形状、磁场强度、磁场在空间的分 布来调整发动机的工作状态。阳极层放电方式应用与等离子体发动机和表面工程领域的材料 改性，也是利用和阳极电场正交的磁场来辅助放电，增加等离子体的放电效率和等离子体密 度，这些放电方式的困难在于没有办法保证系统处于稳定的工作状态和处于振荡的工作状态 ，影响了器件的使用可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种交叉场放电状态的调控方法，采用电源电压、放电 气压、放电气体成份和交叉场中的磁场强度和磁场空间分布相匹配调制放电的等离子体状态 ，实现等离子体驻波共振机制共振耦合电能形成超高功率脉冲放电或者稳定的放电状态，达 到更高离化率、更高的可靠性和更高等离子体密度的要求。
本发明的技术解决方案是采用在交叉场放电离子源中由电场和磁场互相正交形成封闭或开放的交叉场空间的结构 ，控制在放电中形成的鞘层不稳定性和等离子体不稳定性导致的等离子体驻波共振机制耦合 电源能量或者实现稳定的放电机制耦合电源能量。
整个放电系统是一个利用电场和磁场正交的交叉场结构约束放电等离子体增强放电，此 时磁场在阴极的轴向上形成磁效应；
通过控制交叉场中的磁场强度、磁场空间分布以及磁场特性和电源电压、放电气压和气 体成分互相匹配来调整放电中的各种磁效应，可以采用在永磁体磁极上安置铁磁性的极靴改 变阴极表面和放电空间的磁场分布，在轴向上形成磁效应；或者利用同轴线圈磁场调整阴极 表面和放电空间的磁场分布，在轴向上形成磁效应。
平行电极的方向上磁场和电场正交的交叉场放电结合磁镜效应、磁力线曲率效应和电荷 扩散的阻挡效应控制形成等离子体静电波动的激发和驻波共振机制或者稳定的放电耦合电源 能量；
在构成交叉场的磁场中磁场感应强度在0-3T的范围之内，电压的范围在0-10000V之间， 通过使用频率范围为0Hz-10GHz、电压幅值在0-10000V之间的高功率脉冲开关电源供电或者 直接使用0-10000V的可调直流电源为放电系统提供电能。电源的供给电压、放电气压、气体 成份需要和磁场特性通过反馈方式匹配，波动频率在0-10GHz之间，振幅通过电源的电压控 制，电源连接到真空放电电极上，在真空室压力在0.01-1000Pa的范围之内，可以使用直流 和脉冲方式供给磁控放电形成等离子体，由电源功率和频率控制交叉场放电等离子体静电驻 波共振放电状态或者实现稳定控制。
本发明的效果和益处是交叉场放电离子源中由电场和磁场互相正交形成封闭或开放的交 叉场空间的结构和磁镜效应、磁力线曲率效应和电荷扩散的阻挡效应，利用这种电场和磁场 结构在放电中形成等离子体不稳定性导致的静电驻波共振机制耦合电源能量或者实现稳定放 电，突破原有交叉场放电技术的原理限制，能够实现更高的效率和稳定性，可以应用于电工 领域、表面工程、航天领域等多种领域，是传统交叉场放电技术的替代方法，应用于表面工 程领域时，易形成高密度的等离子体束流、且放电过程更稳定，所沉积的薄膜性能更佳。
附图l是利用永磁体形成磁控放电等离子体静电驻波共振机制共振耦合电源能量脉冲放 电磁控耙的磁路结构示意图。
附图2是利用同轴线圈磁场约束的磁控放电等离子体静电驻波共振机制共振耦合电源能 量脉冲放电磁控耙的磁路结构示意图。附图3是利用控制交叉场放电实现稳定工作的霍尔发动机的结构和磁场示意图。
图中l阴极材料；2极靴；3永磁体；4铁轭；5磁力线；6电源；7中线8同轴线圈。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例l :本发明涉及的利用静电驻波共振机制耦合电能的磁控放电系统，磁控耙的内部 磁路结构由附图1和附图2所示，图中采用以中线7为对称轴的极化坐标，必须具备主要构件 有阴极材料l、极靴2、永磁体3、铁轭4、磁力线5、同轴线圈8和电源6组成，通过极靴2优化 磁场的分布状态，磁场结构具有非平衡磁控耙的特征，磁场在电极表面形成封闭的磁场结构 和在磁控耙的轴向上形成磁镜效应，磁力线5要在两端和电极表面相交，并且和电极的电场 正交，形成适当的交叉场空间，磁场强度在表面典型数值是160mT，磁场强度和电源6供给功 率互相匹配，采用脉冲电源输出频率为10-llKHz，直流电源250-600V，输出电流大于O. 5A， 放电气压在O. 1Pa-5Pa之间，磁控耙连接到电源的输出端，电源要有接地的设置，形成静电 驻波共振放电耦合电源能量。
实施例2 :本发明涉及的通过控制磁场结构控制霍尔等离子体发动机稳定工作的结构由 附图3所示，图中采用以中线7为对称轴的极化坐标，必须具备主要构件有电极材料l、磁力 线5、电源6、陶瓷构件9、同轴线圈8组成，通过同轴线圈8优化磁场的分布状态，磁场结 构具有曲率的特征，磁场在电极表面形成封闭的磁场结构，磁力线5和电极的电场正交，形 成适当的交叉场空间，磁场强度在表面典型数值是10-500mT，磁场强度和电源6供给功率互 相匹配，采用脉冲电源输出频率为O. l-5腿z，直流电源50-3000V，输出电流大于O. 1A，放电 气压在O. 01Pa-100Pa之间，磁控靶连接到电源的输出端，通过控制磁场的强度和空间分布来 控制形成静电驻波共振或稳定放电状态耦合电源能量。
权利要求
1.一种交叉场放电的控制方法，其特征在于采用在交叉场放电离子源中由电场和磁场互相正交形成封闭或开放的交叉场空间的结构，通过控制交叉场中的磁场强度、磁场空间分布以及磁场特性和电源电压、放电气压和气体成分互相匹配来调整放电中的各种磁效应；控制在放电中形成的鞘层不稳定性和等离子体不稳定性导致的等离子体驻波共振机制耦合电源能量或者实现稳定的放电机制耦合电源能量；在构成交叉场的磁场中磁场感应强度在0-3T的范围之内，电压的范围在0-10000V之间，通过使用频率范围为0Hz-10GHz、电压幅值在0-10000V之间的高功率脉冲开关电源供电或者直接使用0-10000V的可调直流电源为放电系统提供电能；电源的供给电压、放电气压、气体成份需要和磁场特性通过反馈方式匹配，波动频率在0-10GHz之间，振幅通过电源的电压控制，电源连接到真空放电电极上，在真空室压力在0.01-1000Pa的范围之内，使用直流和脉冲方式供给磁控放电形成等离子体，由电源功率和频率控制交叉场放电等离子体静电驻波共振放电状态或者实现稳定控制。
2.根据权利要求l所述的一种交叉场放电的控制方法，其特征还在于 :采用在永磁体磁极上安置铁磁性的极靴改变阴极表面的磁场分布，在轴向上形成磁效应。
3.根据权利要求l所述的一一种交叉场放电的控制方法，其特征还在 于采用同轴线圈磁场调整阴极表面和放电空间的磁场分布，在轴向上形成磁效应。
全文摘要
本发明公开了一种交叉场放电的控制方法，属于电工工程技术领域。通过控制交叉场中的磁场强度、磁场空间分布以及磁场特性和电源电压、放电气压和气体成分互相匹配来调整放电中的各种磁效应，调整放电状态为稳定放电或者等离子体磁流体行驻波共振的状态。在构成交叉场的磁场中磁场感应强度因在0-3T的范围之内，电压的范围在0-10000V之间，通过使用频率范围为0Hz-1MHz、电源电压在0-10000V之间的高功率脉冲开关电源供电或者直接使用0-10000V的可调直流电源为放电系统提供电能。本发明的有益效果是系统结构简单、放电效率高。
文档编号H05H1/46GK101553075SQ20091030232
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者刘升光, 牟宗信, 牟晓东, 莉 贾, 赵德有 申请人:大连理工大学