摘 要 针对中国散裂中子源（CSNS）四极陶瓷真空盒磁控溅射镀膜系统，采用CST仿真软件，进行了镀膜系统安置外导电层、内导电层及无导电层三种情况下的电磁场模拟计算及结果对比与分析，并结合实验系统和磁控溅射相关理论进行了讨论，对实验系统镀膜研究提供了理论基础和指导，同时也为如何进行绝缘体长直管道的内壁镀膜提供了一定的思路。
关键词 镀膜；CST；电磁场；模拟计算
中图分类号：TB43 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0052-03
中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是即将建造的中国第一台散裂中子源，也将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源。该装置由一台80MeV负氢直线加速器、一台1.6GeV快循环质子同步加速器、两条束流输运线、一个靶站和三台谱仪及相应的配套设施组成，利用中子研究物质微观结构和运动，建成后将在物理学、化学、生命科学、材料科学、生物学、纳米科学、医药、国防科研、工业应用和新型能源开发等诸多重要学科前沿领域内，为我国提供一个先进的基础研究和高技术研究的综合科研平台。
中国散裂中子源的快循环质子同步加速器（Rapid Cycling Synchrotron，RCS）的二极和四极真空盒均采用陶瓷材料，以减少磁场快速上升产生的涡流效应及其对真空盒的损坏危险。此外，环绕的高能粒子会把束流管道内的残余气体分子电离，然后捕获其中的电子，这些电子在质子吸引下运动，打在真空盒内壁，可能产生二次电子或多次电子发射，在管道内部形成稳态的电子云分布，从而影响质子束的稳定性，即电子云不稳定性，又叫e-p不稳定性。TiN具有好的真空性能以及低的二次电子发射系数（Secondary Electron Yield，SEY），采用磁控溅射法在陶瓷真空盒内壁镀一层适当厚度的TiN薄膜，可减小真空盒内壁的二次电子发射系数，抑制潜在的电子云不稳定性，从而提高加速器的束流性能。
1 模拟软件及计算方法介绍
磁控溅射主要是在溅射装置系统中引入与电场正交的磁场，利用磁场的洛伦兹力对阴极靶表面电子运动的束缚作用，来延长电子的运动路径，提高对工作气体的电离几率，从而提高沉积效率。因此，溅射装置真空室内电磁场的分析计算，特别是磁场分布的分析计算，就显得尤为重要。
1.1 软件介绍
文章采用CST软件（Computer Simulation Technology）来对CSNS四极陶瓷真空盒磁控溅射镀膜系统的电磁场进行模拟计算分析，下面对该软件做简单介绍。
CST软件是全球最大纯电磁场仿真软件公司CST推出的三维全波电磁场仿真软件，早期的CST软件是基于有限积分算法的仿真软件，现已成为一个工作室套装软件，包含有限积分法和有限元法，在建立复杂3D模型方面有着友好的用户图形界面。CST软件具有独特的网格生成技术：理想边界拟合（Perfect Boundary Approximation，PBA）和薄片技术（Thin Sheet Technology，TST），在计算时间、生成网格和计算误差方面优于同类仿真软件，其全参量化结构建模为结构优化设计提供了方便，并具有丰富的结果分析工具，是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包。
CST共包含七个工作室子软件，分别为CST印制板工作室（CST PCB STUDIO）、CST电缆工作室（CST CABLE STUDIO）、CST MS工作室（CST MICROSTRIPES）、CST微波工作室（CST MICROWAVE STUDIO）、CST电磁工作室（CST EM STUDIO）、CST粒子工作室（CST PARTICLE STUDIO）、CST 设计工作室（CST DESIGN STUDIO），集成在同一平台上，可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。此外，CST还包含强大的建模工具，方便用户建模使用，并且保留有与机械设计软件CAD、EDA、CAE等软件的接口通道，可以方便地将已设计的图纸导入CST平台中，大大缩短用户的建模时间。
CST七个工作室子软件各有针对性，实际应用时可根据不同需求，选用不同的工作室。文章应用CST电磁工作室（CST EM STUDIO）来进行电磁场的模拟计算，电磁工作室主要针对（准）静电、（准）静磁、稳恒电流、低频电磁场及温度场等的仿真模拟计算，多用于传感器、驱动装置、变压器、测试仪器、感应加热、无损探伤和电磁屏蔽等领域。
1.2 模拟计算方法
利用CST电磁工作室（CST EM STUDIO）来进行电磁场模拟计算时，首先要获取装置的几何尺寸，建立装置模型；其次要获取装置各部件的物理条件，包括材料、电导率、磁化率等相关信息，设置模型各部件物理参数；定义源和激励，其中静电场源包括电压、电荷两种形式，静磁场源包括线圈、永磁铁、电流线、外部场等形式；根据分析数据的类型进行合理的网格划分；根据分析需要设置合适的物理边界；定义各面边界条件；选用求解器，定义合适的求解参数，求解计算；最后进行结果的后处理，包括2D和3D场的可视化、沿任意路径场的积分和可视化、电磁场数据输出等等。流程如图1所示。
2 外导电层镀膜系统电磁场模拟计算
2.1 模型的建立
要建立模型，首先要获取系统详细的结构尺寸，对于四极陶瓷真空盒磁控溅射镀膜系统，各部件结构尺寸如下。
2.1.1 镀膜室
2.1.2 阴极（即同轴溅射靶）
2.2 模拟计算结果及分析
在模型建立起来后，便可以对模型进行电场、磁场的模拟计算。按照CST软件电磁场模拟计算流程，得到如下计算结果。
2.2.1 电场分布
由于系统采用的是直流稳流电源，且系统结构相对简单，因此镀膜室内部电场分布比较规则。模拟计算时把钛阴极和镀膜室外壁视为理想导体，定义源为镀膜室外壁0 V，阴极表面-200 V，电场分布结果如图3所示。
CST软件具有丰富的结果分析工具，可以方便得到不同路径的电场强度及其积分等分布曲线。由于系统沿阴极轴线Z方向任意切面完全对称，因此，X、Y方向电场分布情况相同。利用CST软件的结果分析工具，可直接得到系统中心沿X、Y方向电场强度分布曲线及阴极表面、阴极中心轴线至真空盒内壁中心处沿Z方向的电场强度分布曲线。结果表明，镀膜室内电场并非匀强电场，取外壁电势为0，电场强度则从阴极表面至镀膜室外壁做非线性减少，沿阴极轴线方向，真空室内与阴极等距离电场强度处处相等。
2.2.2 磁场分布
定义源为阴极内每一个永磁小磁块场强为3000G，镀膜系统内部的磁场分布如图4所示。
同样，利用结果分析工具，可直接得到系统中心沿X、Y轴方向磁感应强度分布曲线及阴极中心轴线上、阴极表面、阴极中心轴线至真空盒内壁中心处沿Z方向的磁感应强度分布曲线。结果显示，磁感应强度沿阴极轴线的法线方向迅速减小，阴极表面的磁感应强度约为380G，在离阴极外表面15 mm处，磁感应强度已降至约100G，阴极外表面40 mm处，磁感应强度已十分微弱，降至约10G。这一结果说明，系统所用的同轴磁控溅射靶，其磁场主要分布在阴极表面区域，等离子体被强烈限制在阴极靶表面附近，这一结论符合传统磁控溅射的特点。
3 内导电层镀膜系统电磁场模拟计算
美国SNS（Spallation Neutron Source）质子储存环的注入区冲击磁铁处，真空盒也采用陶瓷材料，以减少磁场快速上升和下降引起的涡流效应及其真空盒及束流的影响。SNS质子储存环工作压强为10-9Torr，而且需要最小化束流和残余气体之间的电离，在这样的真空条件下，电离率和电子产额大约为1 ms的累积循环下，每个质子对应10-3个电子数，故SNS质子储存环也存在电子云不稳定问题。SNS采用磁控溅射法对其陶瓷真空盒表面进行TiN镀膜处理，但并没有采用外导电层的系统配置，而是采用细铜丝组成的栅极网作为内导电层。为了对比两种情况下的系统内部电磁场分布，从理论上验证实验所采用方法的可行性，对镀膜系统安置内导电层的情况进行了电磁场的模拟计算和分析。
3.1 模型的建立
内导电层采用直径D=6 mm的细铜丝，螺旋延展形成栅极网，间隙取30 mm，其他部件同章节2.1所述，建立模型如图5所示。
3.2 模拟计算结果及分析
定义电场和磁场的源值完全和章节2.2模拟计算相同，得到如下结果。
3.2.1 电场分布
铜丝栅极网电压为0 V，阴极表面电压为-200 V，系统内部电场分布如图6所示。
参照外导电层镀膜系统内部电场分布结果分析，可得到系统内部中心处沿X、Y方向、阴极表面及阴极中心轴线至真空盒内壁中心处沿Z方向的电场强度分布，此处不再赘述。
3.2.2 磁场分布
由于系统的磁场由阴极内部的永磁铁磁块提供，经章节2.2.2磁场分析可知，阴极外表面40 mm处，磁感应强度已经十分微弱，约10G，而铜丝组成的栅极网离阴极表面约90 mm。因此，栅极网对系统内部的磁感应强度及分布的影响相当微弱，可以忽略不计，认为该情况下的系统磁场分布，同章节2.2.2中四极陶瓷真空盒外导电层镀膜系统的磁场分布，此处不再赘述。
4 无导电层镀膜系统电磁场模拟计算
为了分析引入的外屏蔽层和内屏蔽层对四极陶瓷真空盒镀膜系统带来的影响，文章还对无导电层镀膜系统进行了详细的电磁场模拟计算与分析。
4.1 模型的建立
无导电层镀膜系统相对于外导电层镀膜系统而言，只是除去了外屏蔽的紫铜板，因此，去掉紫铜板的建模即可方便地得到系统模型。
4.2 模拟计算结果及分析
4.2.1 电场分布
定义陶瓷真空盒两端的Ti法兰电压为0 V，阴极表面电压为-200 V，系统内部电场分布如图7所示。
参照外导电层镀膜系统内部电场分布结果分析，可得到系统内部中心处沿X、Y方向、阴极表面及阴极中心轴线至真空盒内壁中心处沿Z方向的电场强度分布，此处不再赘述。
4.2.2 磁场分布
由于该情况下的磁场场源并没有改变，并且系统相对于外导电层镀膜系统而言，只是去掉了外屏蔽层，而外屏蔽层对磁场几乎没有影响，因此，该情况下的磁场分布，近似认为等同于外导电层镀膜系统，详见章节2.2.2。
5 对比与讨论
由上面分析结果，对比章节2、3、4的电磁场模拟计算结果可知，四极陶瓷真空盒镀膜系统安置外导电层、内导电层和无导电层三种情况下，系统内部磁场分布可认为是相同的。三种情况下的电场分布也十分类似，系统内部沿各个方向的电场变化趋势相同，差别仅在于场强略有不同，内导电层情况下，阴极表面电场强度约为3890 V/m，Z轴至真空室内壁中心处的电场强度为2100 V/m；而在外导电层情况下，阴极表面电场强度约为3540 V/m，Z轴至真空室内壁中心处的电场强度为1956 V/m；无导电层情况下，阴极表面电场强度约为2830 V/m，Z轴至真空室内壁中心处的电场强度为1562 V/m。可见，无导电层镀膜系统，陶瓷真空盒区域的电场强度明显减弱，而外导电层与内导电层情况下的电场强度差别甚小。
真空溅射镀膜主要是利用低压等离子体的气体放电现象来进行镀膜，即辉光放电。辉光放电是稀薄气体在低气压条件下的一种气体放电现象，其物理机制为：放电系统两个电极之间加上电压，当电压达到一定数值时，稀薄气体中的残余正离子在电场的加速中就会获得足够的能量，从而轰击阴极靶材，产生二次电子，而后经过一个簇射的过程，使气体导电。辉光放电是溅射镀膜的基础，不同的镀膜方法，其辉光放电也是不同的。直流磁控辉光放电相对直流辉光放电，引入了与电场方向正交的横向磁场，这种情况下，电子的运动轨迹将会变长，从而使电子与气体分子的碰撞几率进一步提高，由此可知，加入磁场以后的辉光放电的击穿电压更低。另外，由于磁场对电子运动的约束作用，放电将更多地出现在磁场集中的部位。针对四极陶瓷真空盒磁控溅射镀膜系统，安装外导电层和安装内导电层对系统内部的电场、磁场并无太大的影响，只是使用铜质栅极网的内导电层，解决了直流磁控辉光放电对电极的依赖，对初期辉光放电的稳定性有一定的帮助。
但是，由于实验采用的镀膜系统的特殊性，使用外导电层依然可以保证辉光的持续，从而保证镀膜的完成。针对采用的镀膜实验系统，陶瓷真空盒长度为900 mm，整个镀膜系统长1800 mm，系统外壁为阳极，除去陶瓷真空盒部分，其他均为不锈钢材料，阴极靶材的有效长度大于1600 mm。在这样的结构尺寸下，虽然有绝缘的陶瓷真空盒遮盖于阳极内表面，但仅有900 mm的区域被遮盖，剩余有相当大的区域仍然处于放电空间之中。因此，从阴极表面发出来的电子，仍有不少能够到达阳极，形成闭合回路，辉光放电可以维持。同时，随着辉光放电的进行，TiN薄膜慢慢覆盖于陶瓷真空盒和不锈钢部分的内表面，由于TiN的导电性，积累在陶瓷真空盒内表面的电子，则将随着薄膜沉积的进行，通过TiN薄膜导向不锈钢部分，也即到达阳极。这表明陶瓷真空盒对电子的积累效应将随着放电的进行逐渐减弱，辉光放电更将趋于稳定。因此，对于实验采用的四极陶瓷真空盒镀膜系统，其辉光放电是可以维持的。
经过模拟计算及对比分析可知，四极陶瓷真空盒镀膜系统，采用安装外导电层的方法是可行的，并且使得系统的安装十分方便，这一结论在实际的实验中也得到了证明。
6 结论
应用CST仿真软件，分别对安置外导电层、内导电层和无导电层的四极陶瓷真空盒镀膜系统的电磁场进行了模拟计算分析，给出了三种情况下系统内部电磁场的分布情况，通过对外导电层、内导电层和无导电层的镀膜系统计算结果的对比与分析，从电磁场的角度论证了实验系统方法的可行性。此外，根据三种系统的模拟计算结果，结合实验系统和磁控溅射相关理论进行了讨论，结果与理论相吻合，对实验系统镀膜研究具有一定的指导意义，同时也为如何进行绝缘体长直管道的内壁镀膜提供了思路。
参考文献
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作者简介
王梨兵（1984-），男，河南鄢陵人，博士研究生，工程师，现主要从事仪器仪表、工艺系统控制及信息化等相关工作。
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