电极形状对矩形管内壁等离子体注入剂量分布的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈尔滨工业大学 作者:蔡明哲

  矩形管由于自身形状的原因会造成等离子体注入的不均匀性,给内表面改性带来困难。本文基于particle-in-cell(PIC)模型采用Matlab软件对矩形管内壁等离子体离子注入进行数值仿真,主要考察了内电极形状(圆电极、三角电极、矩形电极)对管筒内壁注入剂量分布的影响。结果表明,中心圆电极、三角电极诱导的离子注入剂量呈现/M0型分布,象形矩形电极会导致长短边离子注入剂量密度产生较大差异,小尺寸矩形电极和半圆矩形组合电极会诱导离子注入剂量分布产生三个峰值和两个谷值。对不同电极注入剂量进行统计,长短边整体注入剂量均匀性最高的是小尺寸矩形电极,局部注入剂量均匀性最高的是矩形半圆组合电极。通过比较不同形状内电极离子注入过程和结果得到适用于一般形状电极的结论。

  管状零部件在精密机械、航天等领域有较多的应用,对其工作寿命和精度提出了较高的要求,因此通常要对管内壁进行精密表面处理。等离子体注入是一种优质有效的高精表面改性手段,对工件尺寸和表面粗糙度没有影响,不存在膜基结合力的问题,并在一定程度上突破了传统束线式离子注入的视线性限制,非常适合细长管的内壁表面处理。

  在细管内表面的离子注入过程中,等离子体鞘层会发生重叠,使得离子注入的能量效率降低,有时注入离子的最大能量还不到施加电压能量的37%。为提高能量利用率可采用内电极钳制管内电势,从而改变管内电场,影响等离子鞘层的分布,最终使得注入能量得到提高。有研究表明内电极的引入可使最高离子注入能量提高到没有内电极时的2.5倍。对半圆形容器球心放入圆球状电极也会使离子注入能量得到提高。对于非圆形内腔,内电极的引入不仅影响注入能量,也会影响注入剂量。

  矩形管在精密机械中也经常使用,由于相邻两边边长的差异影响电势分布以及等离子体鞘层扩展,注入离子剂量分布较圆管、方管会更为复杂。因此本文利用Matlab软件采用particle-in-cell(PIC)模型对矩形管等离子注入过程的动力学行为进行了研究。PIC模型折中了解析法的精确和流体模型的低运算量,在保证对等离子模拟精度要求的同时,降低了较大离子数目模拟的计算要求,适用于内管等离子体注入的模拟仿真。针对矩形管形状的特殊性,本文PIC模拟仿真主要考察了内电极形状对等离子体鞘层扩展和注入剂量分布的影响。

  3、结论

  应用MATLAB软件PIC模型对矩形管内壁等离子体注入进行数值仿真,研究了不同形状辅助电极对离子注入剂量分布的影响。结果表明,圆电极、三角电极会诱导离子注入剂量呈现/M0形分布,使用I号矩形象形电极会导致长短边离子注入剂量相差较大,II号小尺寸矩形电极、III号矩形半圆组合电极会诱导离子在长边离子注入剂量分布出现3个峰值和2个谷值。对注入剂量进行统计,整体注入剂量均匀性最高的是II号矩形电极,局部注入剂量均匀性最高的是III号矩形电极。通过比较不同形状内电极离子注入结果还可以发现:¹注入离子来源为内壁和电极之间空间内的离子,离子注入剂量高低主要取决于该空间的大小;º阳极鞘层有逐渐扩展为圆形的趋势,当内电极尺寸较小时,最终注入结果与圆电极类似,电极形状对离子注入剂量分布影响较小;»内电极的尖角周围会形成较强的电场,导致该处离子比其他位置的离子消耗更快,尖角过大会降低注入剂量的均匀性;¼内壁最先与离子鞘层接触的位置离子注入剂量偏小。这些结论适用于一般形状电极,对于实际应用具有重要的指导意义。

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