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磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究

作　者: 龚玉武
导　师: 施芸城
学　校: 东华大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 阴极弧等离子体磁过滤脉冲螺线管
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

磁过滤真空弧制备薄膜是一种新型的薄膜制备方式。本文主要论述了磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究和磁过滤弯管中带电粒子的数值模拟计算。其中重点研究的是高压脉冲大电流电源及其触发发生器、放电电极和磁过滤弯管装置。后期的附加工作中，我们又尝试利用移动式探针对真空阴极等离子体进行了诊断研究。我们研究了脉冲形成网络(PFNs)的基本原理：Z＜R时，绝大部分的能量浪费在匹配电阻中，能量利用率很低，大概只有9％；在没有匹配电阻情况下，Z＞R导致电容会反向充电，返回PFN电容器中的能量只有当电容器始终从同一极充电时才能被有效利用。引入了一种“效率增强二极管”，这种二极管可以使LC电路出现多个弧脉冲，并且电容器总是从一个合适的方向充电，不需要提高输入功率就可以使电容器重复充电更加迅速，PFN运行时具有更高的脉冲重复频率(pulse repetition frequency简称PRF)。基于此原理，我们自行设计了一台高压脉冲大电流电源装置。我们设计并搭建了一套触发发生器装置，发生器产生的脉冲宽度为300μs，脉冲电压峰值约为1.5V。这套装置能够成功的触发KP(3CT)2000A平板型晶闸管，使得高压脉冲大电流电源正常工作。然后，我们利用该电源对两个碳棒电极进行了尖端弧放电试验，并对其放电特性进行了研究，试验表明该电源装置为将来利用阴极弧等离子体制备薄膜提供了良好的电源条件。我们设计了阴极真空电弧电极，并制作了两个磁过滤弯管，一个是带有90°磁滤，另一个带有接续式90°磁滤(即S形)。对于90°弯管，其传输效率相对要高一些；而对于S型弯管，制备出的薄膜更加的致密均匀，然而传输效率相对受到一定的限制。描述了在90°螺线管中通过磁过滤移除大粒子后等离子的运动，然后用电磁场数值分析中的有限元法算出带电粒子在螺线管中运动的主要算法，并用Matlab语言编程绘出螺线管、螺线管中的磁力线以及带电粒子在螺线管中运动的方程和图象。通过螺线管中大小颗粒粒子运动图象的比较来说明磁过滤器的过滤原理。随着阴极弧等离子体工业应用的日益广泛，特别是阴极弧等离子体制备纳米叠层膜和超硬膜等新一代表面技术的出现，消除大颗粒和提高阴极弧等离子体传输效率研究工作受到普遍重视，成为研究的热点。我们设计的整套装置能够稳定控制阴极弧的产生以及沉积薄膜的厚度，并有效的清除其中的大颗粒杂质，得到优质的薄膜，因此该套装置在将来会有非常广阔的工业前景。另外，还利用移动式单探针对不同电源偏压、不同气压以及不同位置的空心阴极等离子体进行了诊断，分析了电压和气压对空心阴极等离子体的影响，并对测量数据中表征等离子体空间电位Vsp的拐点不明显这一现象进行了解释。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章阴极弧及磁过滤系统  13-24
  第一节阴极弧放电及其形态  13-15
    1.1.1 电弧历史发展  13
    1.1.2 弧斑的描述和阴极弧斑放电的基本特征  13-15
  第二节弧斑放电的机理分析  15-19
    1.2.1 电子的热场致发射理论模型  15-16
    1.2.2 电子爆裂发射模型  16-17
    1.2.3 磁场对弧斑运动的影响  17-19
  第三节真空电弧的击穿及电弧稳定性  19-21
  第四节磁过滤系统  21-24
    1.4.1 直线型结构  21-22
    1.4.2 曲线型结构  22
    1.4.3 90°弯曲磁过滤器  22-24
第二章装置设计  24-42
  引言  24
  第一节高压脉冲大电流电源的设计和搭建  24-32
    2.1.1 电源电路原理框图  24
    2.1.2 脉冲形成网络(PFNs)  24-27
    2.1.3 高压脉冲大电流电源  27-30
    2.1.4 触发发生器的设计  30-32
  第二节电源装置试验  32-35
    2.2.1 平板型晶闸管(SCR)的开关功能测试  32-33
    2.2.2 利用电源对两碳棒进行尖端弧放电  33-35
  第三节放电系统与磁过滤弯管装置  35-38
    2.3.1 放电系统的结构  35-37
    2.3.2 磁过滤弯管装置  37-38
    2.3.3 透明石英玻璃筒电极装置  38
  第四节真空制膜系统  38-41
  小结  41-42
第三章磁过滤弯管中带电粒子的数值分析与计算  42-60
  引言  42
  第一节电磁场的数值计算  42-45
    3.1.1 电磁场数值分析法的分类与比较  42-44
    3.1.2 有限元分析法的介绍  44-45
  第二节螺线管中带电粒子的运动方法的主要算法  45-49
    3.2.1 螺线管空间方程的算法  45-46
    3.2.2 螺线管中磁力线的算法  46-49
  第三节计算机中模拟带电粒子的运动轨迹  49-59
    3.3.1 90°螺线管的编程方程及图象  49-52
    3.3.2 螺线管中磁力线的编程方程及图象  52-55
    3.3.3 等离子运动轨迹的编程方程及图象  55-59
  小结  59-60
第四章空心阴极等离子体探针诊断  60-67
  引言  60
  第一节空心阴极放电及其伏安特性曲线  60-62
    4.1.1 空心阴极放电  60
    4.1.2 伏安特性曲线  60-62
  第二节移动式单探针诊断空心阴极等离子体  62-66
    4.2.1 电压对等离子体的影响  63-64
    4.2.2 气压对等离子体的影响  64-65
    4.2.3 不同位置等离子体的分布  65
    4.2.4 Langmuir单探针Ⅰ—Ⅴ曲线拐点分析  65-66
  小结  66-67
第五章总结  67-69
参考文献  69-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-73
致谢  73

磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究

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