เทคโนโลยีการกรองด้วยแม่เหล็ก

ทฤษฎีพื้นฐานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
กลไกการกรองของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กสำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ในลำแสงพลาสมามีดังนี้:
โดยใช้ความแตกต่างระหว่างพลาสมาและอนุภาคขนาดใหญ่ในด้านประจุและอัตราส่วนประจุต่อมวล จะมีการวาง "สิ่งกีดขวาง" (อาจเป็นแผ่นกั้นหรือผนังท่อโค้ง) ระหว่างพื้นผิวของวัสดุรองรับและพื้นผิวของแคโทด ซึ่งจะปิดกั้นอนุภาคใดๆ ที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงระหว่างแคโทดและวัสดุรองรับ ในขณะที่ไอออนสามารถถูกเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กและผ่าน "สิ่งกีดขวาง" ไปยังวัสดุรองรับได้

หลักการทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก

ในสนามแม่เหล็ก Pe<

Pe และ Pi คือรัศมีลาร์มอร์ของอิเล็กตรอนและไอออนตามลำดับ และ a คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็ก อิเล็กตรอนในพลาสมาได้รับผลกระทบจากแรงลอเรนซ์และหมุนไปตามแกนของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่สนามแม่เหล็กมีผลกระทบต่อการรวมกลุ่มของไอออนน้อยกว่าเนื่องจากความแตกต่างระหว่างรัศมีลาร์มอร์ของไอออนและอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามแกนของอุปกรณ์ตัวกรองแม่เหล็ก มันจะดึงดูดไอออนไปตามแกนเพื่อการหมุนเนื่องจากจุดรวมแสงและสนามไฟฟ้าลบที่แรง และเนื่องจากความเร็วของอิเล็กตรอนมากกว่าไอออน อิเล็กตรอนจึงดึงไอออนไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่พลาสมายังคงมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าเกือบสมบูรณ์ อนุภาคขนาดใหญ่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าหรือมีประจุลบเล็กน้อย และมีขนาดใหญ่กว่าไอออนและอิเล็กตรอนมาก โดยพื้นฐานแล้วจะไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กและเคลื่อนที่เชิงเส้นตามแรงเฉื่อย และจะถูกกรองออกหลังจากชนกับผนังด้านในของอุปกรณ์
ภายใต้การทำงานร่วมกันของความโค้งของสนามแม่เหล็กและการเคลื่อนที่แบบไล่ระดับ รวมถึงการชนกันระหว่างไอออนและอิเล็กตรอน พลาสมาสามารถเบี่ยงเบนได้ในอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก แบบจำลองทางทฤษฎีที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันคือแบบจำลองฟลักซ์ของโมโรซอฟและแบบจำลองโรเตอร์แข็งของเดวิดสัน ซึ่งมีคุณสมบัติร่วมกันดังต่อไปนี้: มีสนามแม่เหล็กที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในลักษณะเป็นเกลียวอย่างเคร่งครัด
ความแรงของสนามแม่เหล็กที่ควบคุมการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของพลาสมาในอุปกรณ์กรองแม่เหล็กควรเป็นดังนี้:

Mi, Vo และ Z คือ มวลของไอออน ความเร็วในการเคลื่อนที่ และจำนวนประจุที่ถูกนำพาตามลำดับ a คือ เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็ก และ e คือ ประจุของอิเล็กตรอน
ควรสังเกตว่าไอออนที่มีพลังงานสูงบางส่วนไม่สามารถถูกยึดไว้โดยลำแสงอิเล็กตรอนได้อย่างสมบูรณ์ ไอออนเหล่านั้นอาจไปถึงผนังด้านในของตัวกรองแม่เหล็ก ทำให้ผนังด้านในมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก ซึ่งจะยับยั้งไม่ให้ไอออนไปถึงผนังด้านในต่อไป และลดการสูญเสียพลาสมา
จากปรากฏการณ์นี้ สามารถใช้แรงดันไบแอสบวกที่เหมาะสมกับผนังของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กเพื่อยับยั้งการชนกันของไอออน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งไอออนเป้าหมายได้

การจำแนกประเภทของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
(1) โครงสร้างเชิงเส้น สนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นตัวนำทางสำหรับการไหลของลำไอออน ลดขนาดของจุดแคโทดและสัดส่วนของกลุ่มอนุภาคขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความเข้มข้นของการชนกันภายในพลาสมา กระตุ้นการเปลี่ยนอนุภาคที่เป็นกลางให้เป็นไอออนและลดจำนวนกลุ่มอนุภาคขนาดใหญ่ และลดจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลงอย่างรวดเร็วเมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเคลือบไอออนแบบหลายอาร์คแบบดั้งเดิม อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างนี้สามารถเอาชนะการลดประสิทธิภาพอย่างมากที่เกิดจากวิธีการอื่น ๆ และสามารถรับประกันอัตราการตกตะกอนของฟิล์มที่คงที่ในขณะที่ลดจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลงได้ประมาณ 60%
(2) โครงสร้างแบบโค้ง แม้ว่าโครงสร้างจะมีหลายรูปแบบ แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกัน พลาสมาเคลื่อนที่ภายใต้การทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กใช้ในการกักและควบคุมพลาสมาโดยไม่เบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็ก และอนุภาคที่ไม่มีประจุจะเคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นตรงและแยกออกจากกัน ฟิล์มที่เตรียมโดยอุปกรณ์โครงสร้างนี้มีความแข็งสูง ความเรียบผิวต่ำ ความหนาแน่นดี ขนาดเกรนสม่ำเสมอ และการยึดเกาะฐานฟิล์มที่แข็งแรง การวิเคราะห์ XPS แสดงให้เห็นว่าความแข็งของพื้นผิวของฟิล์ม ta-C ที่เคลือบด้วยอุปกรณ์ประเภทนี้สามารถสูงถึง 56 GPa ดังนั้นอุปกรณ์โครงสร้างแบบโค้งจึงเป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ แต่ประสิทธิภาพการขนส่งไอออนเป้าหมายจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม อุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้ง 90° เป็นหนึ่งในอุปกรณ์โครงสร้างแบบโค้งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด จากการทดลองเกี่ยวกับลักษณะพื้นผิวของฟิล์ม Ta-C พบว่าลักษณะพื้นผิวของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้ง 360° ไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเทียบกับอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้ง 90° ดังนั้นประสิทธิภาพของการกรองแม่เหล็กแบบโค้ง 90° สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่จึงสามารถทำได้โดยพื้นฐาน อุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้ง 90° มีโครงสร้างหลักสองแบบ คือ แบบหนึ่งเป็นขดลวดโค้งที่วางอยู่ในห้องสุญญากาศ และอีกแบบหนึ่งวางอยู่นอกห้องสุญญากาศ ความแตกต่างระหว่างทั้งสองแบบอยู่ที่โครงสร้างเท่านั้น แรงดันใช้งานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้ง 90° อยู่ในระดับ 10⁻² Pa และสามารถใช้งานได้หลากหลาย เช่น การเคลือบไนไตรด์ ออกไซด์ คาร์บอนอสัณฐาน ฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์ และฟิล์มโลหะหรืออโลหะ

ประสิทธิภาพของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
เนื่องจากอนุภาคขนาดใหญ่ไม่สามารถสูญเสียพลังงานจลน์ทั้งหมดได้ในการชนกับผนังอย่างต่อเนื่อง อนุภาคขนาดใหญ่จำนวนหนึ่งจึงจะไปถึงพื้นผิวผ่านทางออกของท่อ ดังนั้น อุปกรณ์กรองแม่เหล็กที่มีลักษณะยาวและแคบจึงมีประสิทธิภาพในการกรองอนุภาคขนาดใหญ่สูงกว่า แต่ในขณะเดียวกันก็จะทำให้สูญเสียไอออนเป้าหมายมากขึ้น และโครงสร้างก็จะซับซ้อนขึ้นด้วย ดังนั้น การทำให้มั่นใจว่าอุปกรณ์กรองแม่เหล็กมีประสิทธิภาพในการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่และประสิทธิภาพในการขนส่งไอออนสูง จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยีการเคลือบไอออนแบบหลายอาร์คที่จะมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในการเคลือบฟิล์มบางประสิทธิภาพสูง การทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กได้รับผลกระทบจากความแรงของสนามแม่เหล็ก ความเอนเอียงของส่วนโค้ง ช่องเปิดของแผ่นกั้นเชิงกล กระแสแหล่งกำเนิดอาร์ค และมุมตกกระทบของอนุภาคที่มีประจุ การตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการกรองอนุภาคขนาดใหญ่และประสิทธิภาพการถ่ายโอนไอออนของเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพ