Page 49 - 《真空与低温》2026年第1期

46 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

（UI）层，专门负责人机交互功能。其具体软件架构 控制软件
束流反馈
如图 3 所示。 控制/监测

用户界面（UI）层
中和器 中和器束流 射频电源 离子光学
MVVM架构 直流电源 控制器 电源控制器
View ViewModel Model
（WPF界面） （数据绑定） （业务数据对象） 灯丝 高压击穿 屏极/加速电压
加热电流 恒流维持 射频信号
WCF通信 中和器 放电室 离子束
离子束流
服务接口层
通信模块： 功能模块层：
WCF服务端 指令的解析与分发任务 中和离子束
Modbus RS 485 调度数据管理与发布
图 4 控制总体框图
业务逻辑与动作层 Fig. 4 Overall control block diagram

射频电源 离子光学电 中和器束流 中和器直流电
控制模块 源控制模块 控制模块 源控制模块
表 1 离子源参数设置
Tab. 1 Ion source parameter settings
设备驱动层
名称 参数
信号发生器 高压直流电 传感器驱动 高频变压器
驱动接口 源驱动接口 接口 驱动接口
放电室内径/mm 40
放电室深度/mm 40
核心管理与IO层
射频线圈弯曲直径/mm 50
安全联锁 PLC接口 信号采集 控制输出
线圈匝数 3、4、5、6

图 3 软件系统架构图 采 用 单 一 变 量 法， 首 先 固 定 线 圈 匝 间 距 为
Fig. 3 Schematic diagram of the software system architecture 6 mm，依次改变线圈匝数进行模拟，获得沿放电室

轴线的电子密度分布如图 5 所示。结果显示，随着
为满足精密工艺要求，控制系统必须确保等离
线圈匝数增加，电子密度整体呈现高斯分布形态，
子体生成、离子引出、加速及中和过程具备高稳定
但其数值显著提高，说明线圈匝数是影响电子密度
性与精确可控性。为此，控制软件将复杂的设备控
大小的重要因素。为进一步量化分析线圈匝数的
制逻辑封装为四个核心功能模块，其整体架构如
图 4 所示。具体而言，各模块功能有：射频电源负 影响，绘制了沿放电室径向半径方向电子密度分布
责激发并维持放电室内的等离子体；离子光学电源 曲线如图 6 所示。可以看出，随着线圈匝数从 3 增
控制器为屏栅和加速栅提供高压，用于离子束的引 至 6，电子密度逐渐上升，并出现数量级层面的跃
变。这一现象可归因于线圈匝数增加导致电感增
出与加速；中和器直流电源为中和器中的钨热灯丝
大，进而增强电场强度，使电子获得更高能量，提升
提供加热电流，使其发射电子以中和离子束；中和
其与气体粒子的碰撞频率，从而产生更多电子。然
气束流控制器为中和器供应电子束流控制。上述
而，当线圈匝数达到 5 匝以上时，电子密度趋于饱
四个模块由控制软件统一调度，共同构成一个闭环
和甚至略有下降，说明在电子密度达到一定水平后，
反馈系统，从而确保工艺过程稳定、可靠地运行。
射频功率成为其进一步增长的主要制约因素。
2 聚焦型射频离子源仿真优化
2.2 放电室磁场仿真与研究
2.1 放电室等离子体密度仿真与研究 在明确线圈匝数对等离子体密度的影响规律，
为探究线圈结构对等离子体密度分布特性的 并将 5 匝确定为最优参数后，等离子体的生成问题
影响，本文基于 COMSOL 软件的等离子体模块对 已得到有效解决。然而，实现高密度等离子体生成
射频离子源的放电系统进行了建模仿真。仿真中 并非本研究的最终目标，更重要的是如何利用磁场
所采用的放电室内径、放电室深度及射频线圈弯 有效约束等离子体，进一步提升其在空间分布上的
曲直径等关键结构参数如表 1 所列，线圈匝数分别 均匀性与稳定性。为此，在已优化的线圈结构基础
设置为 3、4、5、6 匝。 上，开展进一步的磁场仿真分析。