轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟(4)

利用轴对称PIC模型对轴承滚珠等离子体浸没离子注入(PIII)过程进行了数值模拟,对归一化电势的扩展情况进行了研究。在滚珠批量处理过程中,为了避免相邻滚珠周围鞘层的相互重叠对注入均匀性造成不良影响,对滚珠在靶台上摆放的最小距离进行了数值计算,计算结果表明：在电压

第12期　　　　　　　　　　　　　于永　等:轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟1601　　在讨论滚珠表面注入剂量分布时,将整个滚珠表面沿圆周方向分为18等份,其中0°表示滚珠的最上端点,

μs时刻剂量的分布如图3所示。从图中可以看出大180°为最下端点,也就是滚珠与靶台相接触的点。t=10.0

部分离子注入到滚珠的上表面,在滚珠的下表面只有少量的离子注入剂量,因此对于静止的轴承滚珠其PIII过程的注入均匀性是很不理想的。

表1　不同模拟时刻鞘层厚度及扩展速度的对比

Table1　Comparisonofsheaththicknessandsheathexpansionrateatdifferenttime

pulsedurationtime/μs

sheaththickness/cm03.902.09.69

2.904.012.041.186.013.940.958.015.590.8310.017.090.

75μ-1)(Fig.3　DistributionsofincidentdoseinsphericalFig.4　Distributionsofincidentdoseinsphericaldirection

μsdirectionatpulsedurationtimet=10.0

图3　

滚珠表面沿圆周方向注入剂量的分布情况μswiththerotatingofthebearingballduringpulsewidth10.0μs内表面注入剂量分布图图4　考虑滚珠旋转后,注入脉宽10.0

　　为了提高注入过程的均匀性,引入了自行设计的高压慢速旋转靶台,使得滚珠可以随着靶台的转动而连续旋转。当等离子体密度为4.8×109cm-3,电压为-40kV时,在旋转方向上,沿着滚珠圆周方向的注入剂量显然为100%;在垂直于旋转平面的方向上,沿滚珠圆周方向注入剂量的统计结果如图4所示,其注入均匀性可以达到91.25%,明显优于图3所示的未引入旋转靶台时的剂量分布,对比结果表明旋转靶台引入后滚珠表面离子注入均匀性明显提高。

3　鞘层扩展测量实验

　　为了验证模型建立的准确性,利用朗谬尔探针对高压幅值为10kV,氮等离子体密度为2.95×108cm-3时

μs,探针距离滚珠最高点距离分别选为3.0,4.0,5.0和8.0的鞘层扩展情况进行了测量,其脉冲宽度为20.0

cm。

　　由于在靶台和滚珠加以高电压后,滚珠周围形成离子

鞘层并向外扩展,当鞘层扩展到探针所在位置时,探针接收

的电压信号幅值会突然增大,突然增大所对应的时间为鞘

层刚好扩展到探针位置的时刻,因此可以通过观察探针电

压信号的变化情况来判断鞘层扩展情况。图5为不同位置

处探针的测量曲线图,从图中可以看出,这一瞬时信号变化

所对应的时刻并不明显,因此利用这种方法推算鞘层的扩

μs以后,鞘层在空展速度误差较大。在高压脉冲作用10.0

间的扩展距离均超过探针所在位置,因此可以通过将脉冲

μs时不同位置探针的电压测量值和模拟计信号作用10.0

算得到的相应位置鞘层的电势值进行对比来验证模型建立

的准确性。对比结果如表2所示,可见模拟结果和实验测

量结果吻合较好。最大相对误差小于8.4%。Fig.5　Probesignalsindifferenttestingpoints图5　距滚珠不同距离时探针的测量结果