Manyetik filtreleme teknolojisi

Manyetik filtreleme cihazının temel teorisi
Plazma ışınındaki büyük parçacıklar için manyetik filtreleme cihazının filtreleme mekanizması aşağıdaki gibidir:
Plazma ve büyük parçacıklar arasındaki yük ve yük-kütle oranı farkından yararlanılarak, alt tabaka ile katot yüzeyi arasına bir "bariyer" (ya bir bölme ya da kavisli bir tüp duvarı) yerleştirilir; bu bariyer, katot ile alt tabaka arasında düz bir çizgide hareket eden tüm parçacıkları engellerken, iyonlar manyetik alan tarafından saptırılarak "bariyerden" geçip alt tabakaya ulaşabilir.

Manyetik filtreleme cihazının çalışma prensibi

Manyetik alanda, Pe<

Pe ve Pi sırasıyla elektronların ve iyonların Larmor yarıçaplarıdır ve a manyetik filtrenin iç çapıdır. Plazmadaki elektronlar Lorentz kuvvetinden etkilenir ve manyetik alan boyunca eksenel olarak dönerken, iyonlar ve elektronlar arasındaki Larmor yarıçapı farkı nedeniyle manyetik alanın iyonların kümelenmesi üzerindeki etkisi daha azdır. Bununla birlikte, elektron manyetik filtre cihazının ekseni boyunca hareket ettiğinde, odaklanması ve güçlü negatif elektrik alanı nedeniyle dönme hareketi için iyonları eksenel olarak çekecektir ve elektron hızı iyondan daha büyük olduğundan, elektron sürekli olarak iyonu ileri doğru çekerken, plazma her zaman yarı elektriksel olarak nötr kalır. Büyük parçacıklar elektriksel olarak nötr veya hafifçe negatif yüklüdür ve iyonlardan ve elektronlardan çok daha büyüktür, temelde manyetik alandan etkilenmezler ve eylemsizlik boyunca doğrusal hareket ederler ve cihazın iç duvarıyla çarpıştıktan sonra filtrelenirler.
Manyetik alanın eğrilmesi, gradyan sürüklenmesi ve iyon-elektron çarpışmalarının birleşik işlevi altında, plazma manyetik filtreleme cihazında saptırılabilir. Günümüzde kullanılan yaygın teorik modeller, Morozov akı modeli ve Davidson rijit rotor modelidir ve bu modellerin ortak özelliği şudur: Elektronların kesinlikle sarmal bir şekilde hareket etmesini sağlayan bir manyetik alan vardır.
Manyetik filtreleme cihazında plazmanın eksenel hareketini yönlendiren manyetik alanın gücü şu şekilde olmalıdır:

Mi, Vo ve Z sırasıyla iyon kütlesi, taşıma hızı ve taşınan yük sayısıdır. a manyetik filtrenin iç çapı, e ise elektron yüküdür.
Şunu belirtmek gerekir ki, bazı yüksek enerjili iyonlar elektron demeti tarafından tamamen bağlanamaz. Bu iyonlar manyetik filtrenin iç duvarına ulaşarak iç duvarı pozitif bir potansiyele getirebilir; bu da iyonların iç duvara ulaşmaya devam etmesini engeller ve plazma kaybını azaltır.
Bu olguya göre, iyonların çarpışmasını engellemek ve hedef iyon taşıma verimliliğini artırmak için manyetik filtre cihazının duvarına uygun bir pozitif önyargı basıncı uygulanabilir.

Manyetik filtreleme cihazlarının sınıflandırılması
(1) Doğrusal yapı. Manyetik alan, iyon ışın akışı için bir kılavuz görevi görerek katot noktasının boyutunu ve makroskopik parçacık kümelerinin oranını azaltırken, plazma içindeki çarpışmaları yoğunlaştırarak nötr parçacıkların iyonlara dönüşmesini teşvik eder ve makroskopik parçacık kümelerinin sayısını azaltır; manyetik alan şiddeti arttıkça büyük parçacıkların sayısı hızla azalır. Geleneksel çoklu ark iyon kaplama yöntemiyle karşılaştırıldığında, bu yapılandırılmış cihaz, diğer yöntemlerin neden olduğu verimlilikteki önemli azalmayı ortadan kaldırır ve büyük parçacıkların sayısını yaklaşık %60 oranında azaltırken esasen sabit film biriktirme hızını sağlayabilir.
(2) Eğri tipi yapı. Yapının çeşitli biçimleri olmasına rağmen, temel prensip aynıdır. Plazma, manyetik alan ve elektrik alanın birleşik işlevi altında hareket eder ve manyetik alan, manyetik kuvvet çizgileri yönünde sapma hareketi olmadan plazmayı sınırlamak ve kontrol etmek için kullanılır. Ve yüksüz parçacıklar doğrusal olarak hareket edecek ve ayrılacaktır. Bu yapısal cihazla hazırlanan filmler yüksek sertliğe, düşük yüzey pürüzlülüğüne, iyi yoğunluğa, homojen tane boyutuna ve güçlü film taban yapışmasına sahiptir. XPS analizi, bu tip cihazla kaplanmış ta-C filmlerinin yüzey sertliğinin 56 GPa'ya ulaşabileceğini göstermektedir; bu nedenle eğri yapılı cihaz, büyük parçacıkların uzaklaştırılması için en yaygın kullanılan ve etkili yöntemdir, ancak hedef iyon taşıma verimliliğinin daha da iyileştirilmesi gerekmektedir. 90° bükümlü manyetik filtrasyon cihazı, en yaygın kullanılan eğri yapılı cihazlardan biridir. Ta-C filmlerinin yüzey profili üzerinde yapılan deneyler, 360° bükümlü manyetik filtrasyon cihazının yüzey profilinin 90° bükümlü manyetik filtrasyon cihazına kıyasla çok fazla değişmediğini göstermektedir; bu nedenle, büyük parçacıklar için 90° bükümlü manyetik filtrasyon etkisi temel olarak elde edilebilir. 90° bükümlü manyetik filtrasyon cihazı esas olarak iki tip yapıya sahiptir: biri vakum odasına yerleştirilmiş bir bükümlü solenoid, diğeri ise vakum odasının dışında yerleştirilmiştir ve aralarındaki fark sadece yapıdadır. 90° bükümlü manyetik filtrasyon cihazının çalışma basıncı 10-2 Pa mertebesindedir ve nitrür, oksit, amorf karbon, yarı iletken film ve metal veya metal olmayan film kaplama gibi geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılabilir.

Manyetik filtreleme cihazının verimliliği
Tüm büyük parçacıklar duvarla sürekli çarpışmalarda kinetik enerjilerini kaybetmediğinden, belirli sayıda büyük parçacık boru çıkışından alt tabakaya ulaşacaktır. Bu nedenle, uzun ve dar bir manyetik filtreleme cihazı, büyük parçacıkların filtrelenmesinde daha yüksek bir verimliliğe sahiptir, ancak bu durumda hedef iyon kaybını artıracak ve aynı zamanda yapının karmaşıklığını artıracaktır. Bu nedenle, manyetik filtreleme cihazının mükemmel büyük parçacık uzaklaştırma ve yüksek iyon taşıma verimliliğine sahip olması, çoklu ark iyon kaplama teknolojisinin yüksek performanslı ince filmlerin kaplanmasında geniş bir uygulama potansiyeline sahip olması için gerekli bir ön koşuldur. Manyetik filtreleme cihazının çalışması, manyetik alan şiddeti, bükülme sapması, mekanik bölme açıklığı, ark kaynağı akımı ve yüklü parçacık geliş açısı gibi faktörlerden etkilenir. Manyetik filtreleme cihazının makul parametreleri ayarlanarak, büyük parçacıkların filtreleme etkisi ve hedef iyon transfer verimliliği etkili bir şekilde iyileştirilebilir.