專利名稱：一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電工工程技術領域，涉及一種在非平衡磁控靶放電系統(tǒng)中通過調整磁場空間分布，放電條件、電極結構和電源諧振特性形成自觸發(fā)的高功脈沖率磁控放電方法， 特點是磁場空間分布，放電條件、電極結構和電源諧振特性互相匹配，形成的高脈沖功率磁控放電具有參數(shù)調整范圍大，結構簡單和工作、安全、可靠。
背景技術：
低氣壓磁控放電技術廣泛應用于表面工程、電工、航空航天等領域，磁控放電的電場和磁場相互正交構成正交場，正交場和電極形成封閉的放電空間約束放電電荷，提高放電效率。采用比較典型的采用正交場放電的器件有表面工程領域的各種磁控濺射技術、 電工領域的氣體開關技術等等。在表面工程中磁控濺射沉積技術用于材料改性和薄膜沉積，普通的磁控濺射裝置中采用陰極表面的封閉磁場產生等離子體，其中離子在陰極電壓的作用下轟擊陰極材料形成濺射效應和沉積薄膜，薄膜沉積的過程中等離子體密度影響沉積到被鍍工件表面的薄膜性能，因此設計者不斷采用各種技術措施來提高等離子體密度和轟擊到被鍍工件表面的離子電流密度?！稙R射沉積技術的發(fā)展和現(xiàn)狀》(《真空科學與技術學報》Vol. 25，No. 3,2005)和《磁控濺射技術進展及應用》(《現(xiàn)代儀器》No. 5，2005)介紹了目前各種磁控濺射沉積技術的發(fā)展和應用情況，一般磁控濺射的電源采用直流和中頻的脈沖技術，粒子能量在幾個電子伏特左右，形成的等離子體離化率低，難以獲得理想的等離子體狀態(tài)，使磁控濺射裝置的應用受到限制。近年來開發(fā)了大功率脈沖磁控濺射技術(High Power PulseMagnetron Sputtering, HPPMS,或 High Power Impulse Magnetron Sputtering, HPIMS)[V.Kouznetsov, K. Maca, J. M. Schneider, et.al. , Surface and CoatingsTechnology 122(1999)290-293]。大功率脈沖磁控濺射技術能夠形成高密度、高離化率等離子體。V. Kouznetsov等最早研究了 HPPMS技術，功率密度達到幾個kW/cm2，離子電流達到幾個A/cm2 ；Andersson表明HPPMS濺射鈦靶的過程中形成了高價態(tài)離子，并由此形成了具有較高等離子體密度的自持濺射現(xiàn)象；放電特性和陰極材料、放電氣壓、電源參數(shù)、等離子體密度以及有金屬離子的運動速度有密切的關系[2]。HPPMS提高了脈沖瞬間能量，同時保持較低的平均能量輸入，通常采用脈沖頻率為 I-IOOHz的開關脈沖電源放電，其放電的機理仍然處于基礎研究階段，大功率的開關電源對于開關器件有較高的要求，也限制了放電功率等性能的進一步提高。由于對放電機制仍然處于基礎研究階段，也限制了這種技術的推廣應用，進一步改進高功率脈沖磁控濺射技術的途徑必然要在放電技術和原理上有進一步的進展。高脈沖功率的開關技術是各種高新技術的基礎，比如激光核聚變、脈沖X射線等， 需要極高的瞬間電流和耐受較高的電壓，半導體脈沖開關器件容易小型化，但是能夠承受的瞬間電流和耐受的電壓受到限制，采用氣體放電的方法可能形成較高瞬間電流和耐受較高的電壓，所以在脈沖功率領域，廣泛應用氣體放電技術形成需要的高脈沖功率，但是連續(xù)性能較差，通常需要專門的觸發(fā)機構，這為系統(tǒng)帶來了可靠性的問題，為了解決這些問題急需在放電原理和技術上取得突破。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種實現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電方法，該方法實現(xiàn)了高脈沖功率磁控放電的自觸發(fā)，避免脈沖開關電源的開關器件對提高放電功率的限制；磁控靶前設置空心陰極結構提高自觸發(fā)等離子體的初始密度，實現(xiàn)高脈沖功率放電。本發(fā)明的技術解決方案是以平面磁控靶為例，首先改進磁控靶的磁場結構，磁控靶的磁場結構為非平衡磁場分布，磁控靶表面的磁場磁力線與磁控靶構成封閉的空間，或者特征是放電時電場與磁力線正交，形成技術上稱為“正交場”放電，磁控靶的外緣磁極的磁感應強度應大于中心磁極的磁感應強度，外緣磁極的磁力線能夠向放電空間延伸形成非平衡的磁控濺射。形成非平衡磁控濺射的外緣磁場可以由磁控靶內部的磁極形成，也可以是磁力線方向與磁控靶同軸的磁極或外間的同軸線圈構成，通過調整橫向磁場特性和非平衡磁場特性與磁控靶輝光放電瞬態(tài)特性相匹配實現(xiàn)自觸發(fā)放電，這時非平衡磁場的作用體現(xiàn)在兩個方面一是影響和約束磁控靶輝光放電的自觸發(fā)形成的電荷，二是約束放電形成的等離子體。第二種要素是在非平衡磁控濺射的基礎上增設空心陰極結構，空心陰極的尺寸與磁控靶尺寸相匹配， 能夠有效地約束電荷和利用空心陰極效應提高自觸發(fā)初始等離子體的密度，提高高脈沖功率放電的能量。第三種要素是在等離子體非平衡磁場與自觸發(fā)放電相匹配基礎上，要求電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配。在磁控靶結構、電磁場特性和電源諧振特性相匹配的基礎上實現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電。放電采用非平衡磁控靶，也可以采用磁控靶與輔助的磁極或者輔助的電磁線圈， 要求放電過程中存在正交場或者放電電荷遷移方向的橫向磁場，電源可以直接采用直流電源、脈沖電源；觸發(fā)方式可以利用輝光放電的自觸發(fā)，也可以利用其它的輔助觸發(fā)方式，如外加的脈沖電源、直流電源、外加的脈沖離子束源、電子束、激光束、微波源、脈沖電源或脈沖磁場等激勵；電極的結構可以采用空心陰極增強放電，也可以改進為其他的電極形式，上述技術要素應與其它放電條件如氣壓、電源電壓、放電氣體成份等因素相匹配，發(fā)明的基本的技術特點是實現(xiàn)自觸發(fā)和實現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電。整個放電系統(tǒng)是一個利用電場和磁場正交的交叉場結構或者具有橫向磁場的結構約束、影響放電等離子體或者，磁場的分布特點是磁場的磁力線平行電極的表面，或者在放電空間橫向分布，在電極之前采用電激勵線圈或永磁體，通過優(yōu)化設計改變陰極表面的磁場結構，在構成磁效應的磁場中磁場感應強度因在應在0T-30T的范圍之內，電壓的范圍是在0-1MV之間，放電頻率在I-IMHz，在真空壓力在O-IOOMPa之間，控制正交于電場方向或橫向放電空間磁場和電源電壓相匹配形成等離子體脈沖，通過使用脈沖開關、直流電源供電或者直接使用的可調直流電源為放電系統(tǒng)提供電能。本發(fā)明的效果和益處是與現(xiàn)有高脈沖功率磁控放電方法相比具有結構簡單，對放電系統(tǒng)和電源要求低，工作可靠，從而實現(xiàn)更高工作效率和可靠性的放電方法。實現(xiàn)自觸發(fā)的空心陰極高脈沖功率的磁控放電，突破原有高脈沖功率的磁控放電原理限制，能夠實現(xiàn)更高的效率，可以應用于電工領域、表面工程、航天領域等多種領域，是傳統(tǒng)磁控放電技術的替代方法，應用于表面工程領域時，易形成高密度的等離子體束流、且放電過程更穩(wěn)定，所沉積的薄膜性能更佳；用于航空航天領域能夠實現(xiàn)高功率、大推力的效果，應用于電工工程領域具有結構簡單，連續(xù)工作，脈沖功率可調的效果。


附圖是實現(xiàn)自觸發(fā)空心陰極高脈沖功率磁控濺射放電裝置的結構示意圖。圖中1同軸線圈；2電極材料；3永磁體；4放電電源；5線圈電源；6磁力線；7空心陰極；8基片；9中心線；10偏壓電源；11接地。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。實施例1本發(fā)明涉及的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電的磁控放電系統(tǒng)，磁控靶的結構和內部磁路結構由附圖1所示，圖中采用以中線9為對稱軸的極化坐標，必須具備主要構件有1 同軸線圈；2電極材料；3永磁體；4放電電源；5線圈電源；6磁力線；7空心陰極；8基片； 10偏壓電源；11接地組成，通過永磁體3和同軸線圈1優(yōu)化磁場的分布狀態(tài)，磁場結構具有非平衡磁控靶的特征，磁場在電極表面形成封閉的磁場結構，磁力線6要在磁控靶的放電空間形成開放的分布，放電電場與磁控靶2表面磁力線6正交，形成適當?shù)慕徊鎴隹臻g，磁場強度在表面典型數(shù)值是160mT，磁場強度和電源4供給功率互相匹配，采用脈沖電源輸出頻率為ΙΟ-ΙΟΚΗζ，直流電源250-600V，輸出電流大于0. 5A，放電氣壓在0. lPa_5Pa之間，磁控靶連接到電源的輸出端，電源要有接地11的設置，形成高脈沖功率磁控放電耦合電源能量。
權利要求
1.一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征在于通過調整橫向磁場特性和非平衡磁場特性與磁控靶輝光放電的放電條件、瞬態(tài)特性相匹配，由電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配，實現(xiàn)自觸發(fā)和形成高脈沖功率磁控放電；磁控靶前設置空心陰極結構提高自觸發(fā)等離子體的初始密度衡放電功率密度，實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電；所述的放電條件包括氣壓、電源電壓、電極形式、電場、磁場條件和放電氣體成份；觸發(fā)方式利用輝光放電的啟輝過程與由磁控靶磁場特性和放電條件控制的放電瞬態(tài)特性相匹配；在磁控靶上設置空心陰極的電極結構、形式和參數(shù)匹配能夠提高脈沖功率。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于在放電空間中通過電極結構、形式和參數(shù)匹配。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于觸發(fā)方式利用其它外加觸發(fā)輔助裝置，包括脈沖電源、直流電源、外加的脈沖離子束源、電子束、激光束、微波源、脈沖電場或脈沖磁場。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 通過控制交叉場中的磁場強度、磁場空間分布以及磁場特性和電源電壓、放電氣壓和氣體成分互相匹配來調整放電中的各種磁效應。
5.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 在電極表面形成平行電極表面的磁場；在構成磁效應的磁場中磁場感應強度應在0T-30T 的范圍之內。
6.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 包括應用該機制的磁約束核聚變裝置、強流電子束、強流離子束、高功率磁控濺射和其它粒子束源，采用磁鏡場約束電荷或等離子體的裝置及其它放電裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，屬于電工工程技術領域。其特征是該方法實現(xiàn)了通過調整橫向磁場特性和非平衡磁場特性與磁控靶輝光放電的放電條件、瞬態(tài)特性相匹配，由電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配，實現(xiàn)自觸發(fā)和形成高脈沖功率磁控放電；磁控靶前設置空心陰極結構提高自觸發(fā)等離子體的初始密度和放電功率密度，實現(xiàn)高脈沖功率磁控放電；與現(xiàn)有高脈沖功率磁控放電方法相比具有結構簡單，對放電系統(tǒng)和電源要求低，工作可靠，從而實現(xiàn)更高工作效率和可靠性的放電方法。
文檔編號H01J37/34GK102254778SQ20101030141
公開日2011年11月23日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權日2010年2月9日
發(fā)明者牟宗信, 牟曉東, 王春, 董闖, 賈莉, 郝勝智 申請人:大連理工大學