เทคโนโลยีการกรองด้วยแม่เหล็ก

ทฤษฎีพื้นฐานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
กลไกการกรองของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กสำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ในลำแสงพลาสม่ามีดังนี้:
การใช้ความแตกต่างระหว่างพลาสมาและอนุภาคขนาดใหญ่ในอัตราส่วนประจุและประจุต่อมวล จะมี "สิ่งกั้น" (อาจเป็นแผ่นกั้นหรือผนังท่อโค้ง) วางอยู่ระหว่างพื้นผิวและแคโทด ซึ่งจะขวางอนุภาคใดๆ ที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงระหว่างแคโทดและพื้นผิว ขณะที่ไอออนสามารถเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กและผ่าน "สิ่งกั้น" ไปยังพื้นผิวได้

หลักการทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก

ในสนามแม่เหล็ก Pe<

Pe และ Pi คือรัศมีลาร์มอร์ของอิเล็กตรอนและไอออนตามลำดับ และ a คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็ก อิเล็กตรอนในพลาสมาได้รับผลกระทบจากแรงลอเรนซ์และหมุนไปตามแกนของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่สนามแม่เหล็กมีผลต่อการรวมกลุ่มของไอออนน้อยกว่าเนื่องจากความแตกต่างระหว่างไอออนและอิเล็กตรอนในรัศมีลาร์มอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามแกนของอุปกรณ์ตัวกรองแม่เหล็ก มันจะดึงดูดไอออนไปตามแกนสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนเนื่องจากโฟกัสและสนามไฟฟ้าลบที่รุนแรง และความเร็วของอิเล็กตรอนจะมากกว่าไอออน ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงดึงไอออนไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่พลาสมาจะยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าเสมอ อนุภาคขนาดใหญ่เป็นกลางทางไฟฟ้าหรือมีประจุลบเล็กน้อย และคุณภาพจะมากกว่าไอออนและอิเล็กตรอนมาก โดยพื้นฐานแล้วไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กและการเคลื่อนที่เชิงเส้นตามความเฉื่อย และจะถูกกรองออกหลังจากการชนกับผนังด้านในของอุปกรณ์
ภายใต้ฟังก์ชันรวมของความโค้งของสนามแม่เหล็ก การเลื่อนแบบไล่ระดับ และการชนกันของไอออน-อิเล็กตรอน พลาสมาจึงสามารถเบี่ยงเบนได้ในอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก แบบจำลองทางทฤษฎีทั่วไปที่ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ แบบจำลองฟลักซ์ของโมโรซอฟและแบบจำลองโรเตอร์แข็งของเดวิดสัน ซึ่งมีคุณสมบัติทั่วไปดังต่อไปนี้: มีสนามแม่เหล็กที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในลักษณะเกลียวอย่างเคร่งครัด
ความแรงของสนามแม่เหล็กที่ควบคุมการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของพลาสมาในอุปกรณ์กรองแม่เหล็กควรเป็นดังนี้:

Mi, Vo และ Z คือมวลไอออน ความเร็วการขนส่ง และจำนวนประจุที่เคลื่อนที่ตามลำดับ a คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็ก และ e คือประจุอิเล็กตรอน
ควรสังเกตว่าไอออนที่มีพลังงานสูงบางชนิดไม่สามารถจับกับลำแสงอิเล็กตรอนได้อย่างสมบูรณ์ ไอออนเหล่านี้อาจไปถึงผนังด้านในของตัวกรองแม่เหล็ก ทำให้ผนังด้านในมีศักย์ไฟฟ้าบวก ซึ่งจะยับยั้งไม่ให้ไอออนเข้าถึงผนังด้านในต่อไปและลดการสูญเสียพลาสมา
ตามปรากฏการณ์นี้ แรงดันอคติบวกที่เหมาะสมสามารถนำไปใช้กับผนังของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กเพื่อยับยั้งการชนกันของไอออนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการขนส่งไอออนเป้าหมาย

การจำแนกประเภทของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
(1) โครงสร้างเชิงเส้น สนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นแนวทางสำหรับการไหลของลำแสงไอออน ลดขนาดของจุดแคโทดและสัดส่วนของกลุ่มอนุภาคในระดับมหภาค ขณะเดียวกันก็เพิ่มความรุนแรงของการชนกันภายในพลาสมา กระตุ้นให้อนุภาคที่เป็นกลางเปลี่ยนเป็นไอออน ลดจำนวนของกลุ่มอนุภาคในระดับมหภาค และลดจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลงอย่างรวดเร็วเมื่อความเข้มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเคลือบไอออนแบบมัลติอาร์คแบบเดิม อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างนี้สามารถเอาชนะการลดลงอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพที่เกิดจากวิธีการอื่นๆ และสามารถรับประกันอัตราการสะสมฟิล์มที่คงที่โดยพื้นฐานในขณะที่ลดจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลงประมาณ 60%
(2) โครงสร้างแบบโค้ง แม้ว่าโครงสร้างจะมีรูปแบบต่างๆ แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกัน พลาสม่าเคลื่อนที่ภายใต้ฟังก์ชันรวมของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กใช้เพื่อจำกัดและควบคุมพลาสม่าโดยไม่เบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็ก และอนุภาคที่ไม่มีประจุจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงและแยกออกจากกัน ฟิล์มที่เตรียมโดยอุปกรณ์โครงสร้างนี้มีความแข็งสูง ความหยาบผิวต่ำ ความหนาแน่นดี ขนาดเกรนสม่ำเสมอ และการยึดเกาะฐานฟิล์มที่แข็งแกร่ง การวิเคราะห์ XPS แสดงให้เห็นว่าความแข็งผิวของฟิล์ม ta-C ที่เคลือบด้วยอุปกรณ์ประเภทนี้สามารถเข้าถึง 56 GPa ดังนั้น อุปกรณ์โครงสร้างโค้งจึงเป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ แต่ประสิทธิภาพในการขนส่งไอออนเป้าหมายยังต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม อุปกรณ์กรองแม่เหล็กโค้ง 90° เป็นหนึ่งในอุปกรณ์โครงสร้างโค้งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด การทดลองกับโปรไฟล์พื้นผิวของฟิล์ม Ta-C แสดงให้เห็นว่าโปรไฟล์พื้นผิวของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กโค้ง 360° ไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเทียบกับอุปกรณ์กรองแม่เหล็กโค้ง 90° ดังนั้นจึงสามารถบรรลุผลพื้นฐานของการกรองแม่เหล็กโค้ง 90° สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ อุปกรณ์กรองแม่เหล็กโค้ง 90° มีโครงสร้างหลัก 2 ประเภท: ประเภทหนึ่งคือโซลินอยด์โค้งที่วางอยู่ในห้องสุญญากาศ และอีกประเภทหนึ่งวางอยู่ภายนอกห้องสุญญากาศ และความแตกต่างระหว่างทั้งสองประเภทอยู่ที่โครงสร้างเท่านั้น แรงดันใช้งานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กโค้ง 90° อยู่ในลำดับ 10-2Pa และสามารถใช้ในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย เช่น การเคลือบไนไตรด์ ออกไซด์ คาร์บอนอะมอร์ฟัส ฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์ และฟิล์มโลหะหรือไม่ใช่โลหะ

ประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
เนื่องจากอนุภาคขนาดใหญ่ไม่สามารถสูญเสียพลังงานจลน์ได้ทั้งหมดจากการชนอย่างต่อเนื่องกับผนัง อนุภาคขนาดใหญ่จำนวนหนึ่งจึงจะไปถึงพื้นผิวผ่านทางออกของท่อ ดังนั้น อุปกรณ์กรองแม่เหล็กที่ยาวและแคบจึงมีประสิทธิภาพการกรองอนุภาคขนาดใหญ่ที่สูงขึ้น แต่ในเวลานี้ จะเพิ่มการสูญเสียไอออนเป้าหมายและในเวลาเดียวกันก็เพิ่มความซับซ้อนของโครงสร้าง ดังนั้น การรับรองว่าอุปกรณ์กรองแม่เหล็กมีการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ที่ยอดเยี่ยมและมีประสิทธิภาพสูงในการขนส่งไอออนจึงเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นสำหรับเทคโนโลยีการเคลือบไอออนแบบหลายอาร์คเพื่อให้มีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางในการสะสมฟิล์มบางประสิทธิภาพสูง การทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กได้รับผลกระทบจากความแรงของสนามแม่เหล็ก ความเอนเอียงโค้ง ช่องรับแสงเชิงกล กระแสแหล่งกำเนิดอาร์ค และมุมตกกระทบของอนุภาคที่มีประจุ ด้วยการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก สามารถปรับปรุงผลการกรองอนุภาคขนาดใหญ่และประสิทธิภาพในการถ่ายโอนไอออนของเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพ