考夫曼离子源

原初电子区
阴极材料由电子发射性能较好的难熔金属W或Ta构成,
发射的原初电子密度由灯丝的温度(即阴极电流)控制。 热阴极在阳极电场作用下发射电子,由于阳极前有磁力 线横过,阴极发射的绝大部分原初电子不能直接打到阳 极,只有沿着磁力线可直达阳极的小部分原初电子和大 量的低能、回旋半径较大的麦氏电子才能被阳极吸收。 原初电子被限制在阴极平面、与阳极直接相交的磁力 线和屏栅围成的边界内,这个区域称为原初电子区。阴 极发射的原初电子可在此进行有效的电离过程,因此等 离子体也基本限制在这个区域内。
考夫曼离子源放电效率的提高
考夫曼离子源一般采用低磁场的轴向发散场及多磁极
场。在发散场中电子沿发散的轴向磁力线作螺旋运动 并来回振荡。在多极磁场中沿着放电室四壁布置了软 铁片制成的磁极靴，将磁钢夹在磁极之间，并使相邻 的磁钢极性相反。于是，在放电室四壁构成了电子磁 障，高速电子受到磁障的反射将不能到达阳极，从而 延长了高速电子的自由程，提高了放电效率。
目录
基本结构 工作原理 性能特点 应用实例
基本结构
Kaufman 离子源源自文库最早出现、最基本的离子源,原理结
构如图1所示,阴极(Cathode)、阳极(Anode)、栅极 (Grids)、放电室圆筒构成气体放电室(Discharge Chamber),栅极构成离子光学系统。放电室筒外设置 磁铁,通过磁路使磁力线穿过放电室,磁力线从阳极向栅 极方向发散并布满栅极,栅极极靴收集磁力线回到磁铁。
基本结构示意图
工作原理
从阴极(普通为直热式灯丝，也可采用带有氧化物发射体作
为插入件的空心阴极)发射出来的电子，经过阴极鞘层被加 速获得相应于等离子体与阴极之间电位差的能量。等离子 体的电位接近于阳极电位，只高几伏。这类高速电子与从 进气口均匀进入放电室的气体原子相碰撞形成等离子体。 形成的离子少部份被离子光学系统拔出形成离子束，大部 分离子则要和壁面复合。碰撞后形成的慢电子则作为等离 子体电子存在。 为了构成放电通路，该类慢电子必须通过 扩散到达阳极被阳极接收。部分中性气体原子也要从离子 光学系统中逸出。真空室中部分气体原子则也要通过离子 光学系统返流进入离子源。为了延长高速电子的自由程， 阻止电子迅速飞回阳极复合，需要使用磁场来限制电子运 动。
离子束的形成
放电室中产生的离子向所有的边界扩散,并且在等离子
体与栅极附件形成弓形离子鞘,经栅极离子光学系统加 速引出放电室形成离子束。
性能特点
考夫曼离子源是应用较早的离子源。属于栅格式离子源。
首先由阴极在离子源内腔产生等离子体，让后由两层或三 层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来。这种离子源 产生的离子方向性强，离子能量带宽集中，可广泛应用于 真空镀膜中。缺点是阴极（往往是钨丝）在反应气体中很 快就烧掉了，另外就是离子流量有极限，对需要大离子流 量的用户可能不适和。 Kaufman离子源具有较宽的工作状态,在Ar作为工作气体时, 阴极灯丝具有较长寿命和较稳定的工作状态。但是灯丝的 消耗会对基片带来污染,而使用氧气和反应气体时,兼容性 差,灯丝寿命和稳定性会大大下降,同时产生的C、F 沉积构 成的绝缘层会导致离子源不能正常工作。
各类离子源的优缺点比较
考夫曼离子源的应用
考夫曼电源
光学镀膜机
12厘米考夫曼离子源快速电子轨迹模拟
考夫曼离子源局部工作照
早期考夫曼推进器
考夫曼离子源实际图片
谢谢