專(zhuān)利名稱(chēng)：用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備，包括至少 一 個(gè) 可抽真空的》文電室，連續(xù)材料被連續(xù)地運(yùn)送穿過(guò)該放電室，各放電 室具有外電極，所述外電極相對(duì)連續(xù)材料電絕緣設(shè)置，還包括一個(gè) 用于設(shè)定至少一個(gè)放電室內(nèi)的氣氛的裝置和用于將放電能輸送到放 電路徑的供能裝置，所述放電路徑界定于各個(gè)獨(dú)立的放電室的外電 極與作為內(nèi)電極的連續(xù)材料之間。
背景技術(shù)：
采用輝光放電等離子的等離子處理常用于在負(fù)壓下對(duì)工件或連 續(xù)材料進(jìn)行全包圍式處理，所述處理例如包括加熱、凈化、(脫) 氧化、脫脂、汽相淀積和賊射等。等離子的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)均 可使用。
所有這些處理的共同之處在于，需要放電灼燒經(jīng)過(guò)處理的工件表 面或連續(xù)材料表面的整個(gè)區(qū)域。為了節(jié)約，需要處理時(shí)間盡可能短， 隨之導(dǎo)致需要盡可能高的處理強(qiáng)度(盡可能高的功率密度)。在粘 滯真空范圍內(nèi)的處理壓力下(其中的氣體微粒的自由行程明顯小于 其容器尺寸)，能量的傳輸通常存在限制，因?yàn)楫?dāng)功率密度太高時(shí)， 具有輝光或類(lèi)輝光特性的放電易于轉(zhuǎn)變成電弧放電。通常，阻止所 述輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放電是在負(fù)壓范圍內(nèi)對(duì)等離子處理過(guò)程和裝 置進(jìn)行改進(jìn)的最重要的目標(biāo)之一，從而不必進(jìn)行(例如焊接時(shí)的) 逐點(diǎn)處理。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的一個(gè)重要舉措是引入電壓源作為供能裝 置，用于放電能量的功耗，該裝置在脈沖直流電壓下工作。電弧的 形成需要時(shí)間。由于電壓放電模式中的周期性中斷，因此在產(chǎn)生強(qiáng) 烈的局部加熱之前電弧就會(huì)消散。在一個(gè)脈沖內(nèi)，電流通常在開(kāi)始時(shí)以近似線性的方式單調(diào)上升，隨后，上升的速率下降。在多數(shù)應(yīng) 用中，由于技術(shù)原因， 一個(gè)脈沖內(nèi)的電壓保持基本恒定。例如，從
PCT申請(qǐng)WO 2004/073009 A2中已知一種用于連續(xù)材料的等離子處 理設(shè)備，其中采用脈沖恒壓源作為供能裝置。
例如在文獻(xiàn)US 2004/0026412 Al中所述，4吏用另外一種瞬間電 壓曲線代替脈沖直流電壓，從而使電弧在形成初期即被熄滅。然而， 在放電的過(guò)程中，若使用這種電壓曲線代替脈沖直流電壓增大了技 術(shù)上的消耗，卻不具有明顯優(yōu)勢(shì)時(shí)，其技術(shù)意義就不大了。
盡管脈沖電源供應(yīng)已經(jīng)給等離子技術(shù)帶來(lái)了很大的進(jìn)步，但還是 存在許多不足。特別是，目前不能令人滿意地解決下述問(wèn)題和缺點(diǎn)
1. 在恒壓脈沖的過(guò)程中，輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放電的可能 性隨著時(shí)間急劇升高。三個(gè)因素能夠促使向電弧放電轉(zhuǎn)變電流、 電壓和時(shí)間。從這方面看，在脈沖期間內(nèi)，所述因素中的兩個(gè)(電 流和時(shí)間)升高，僅第三個(gè)因素(電壓)保持不變是不利的。
弧放電的轉(zhuǎn)變。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了用于檢測(cè)上述阻抗發(fā)生下降的控制系 統(tǒng)，并且在這種情況下，中斷電壓一段時(shí)間以使電弧熄滅。然而， 檢測(cè)阻抗的下降和切斷電源電壓都需要 一 定的響應(yīng)時(shí)間，該時(shí)間不 能任意縮短。在所述的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，電流增大且電壓基本恒定，因 此能量增大，導(dǎo)致不期望產(chǎn)生的電弧加熱。這樣，可能形成具有很 大能量的電弧，這種電弧很難(通過(guò)中斷幾個(gè)脈沖)被"吹散，，。
3. 特別是在低熔點(diǎn)材料中，電弧的出現(xiàn)可能立即導(dǎo)致表面 損傷。
4. 當(dāng)放電空間內(nèi)的氣體成分不恒定時(shí)，另一個(gè)主要問(wèn)題產(chǎn) 生了。特別是在使用等離子凈化材料時(shí)，以及電極表面將物質(zhì)釋放 到氣相中時(shí)，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。由于待處理的材料通常受到不同 程度的污染，并且等離子也不具有完全一致的處理強(qiáng)度，因此由等 離子從材料表面帶入氣相的雜質(zhì)數(shù)量隨時(shí)間而改變。這種改變既不 能預(yù)測(cè)也無(wú)法控制，并且因此會(huì)導(dǎo)致放電室內(nèi)的氣體成分發(fā)生無(wú)法控制的變化。
在等離子中，有兩個(gè)過(guò)程始終相互對(duì)抗，其中一個(gè)對(duì)放電本身和
放電穩(wěn)定性都有利，而另一個(gè)對(duì)兩者都有害在輝光放電等離子中， 電子在負(fù)壓下加速直至撞擊到氣體微粒。在有利的情況下，電子可 以使被撞擊的氣體微粒發(fā)生電離，從而形成新的電子-離子對(duì)。在不 利的情況下，電子由于激發(fā)了被撞擊的氣體微粒而損失能量。單個(gè) 的原子(尤其是惰性氣體原子，在更小的范圍內(nèi)也包括小分子)特 別是能量較低時(shí)具有分散的、量子力學(xué)容許的能級(jí)，這些能級(jí)彼此 遠(yuǎn)離，以致電子撞擊了這種原子并將其激發(fā)，由此釋放其能量給該 原子的可能性非常小。反之亦然，分子，尤其是典型地含有雜質(zhì)的 較大的有機(jī)分子，具有更多的量子力學(xué)容許能態(tài)，他們中的很多都 處于低能態(tài)。如果電子撞擊到這樣的分子，很可能會(huì)激發(fā)所述分子， 由此從電子中吸取能量。
在電學(xué)中，放電空間里存在這樣的分子會(huì)使放電路徑中的阻抗升 高。如果微粒被運(yùn)送到氣相中，所述氣相不僅從電子中吸取電能， 還會(huì)從等離子中吸收電子本身，則阻抗升高更明顯。
因?yàn)樵诨谳x光放電的等離子處理設(shè)備中也產(chǎn)生基質(zhì)提純，對(duì)高 氣體速度進(jìn)行調(diào)節(jié)以用于去除雜質(zhì)，所述雜質(zhì)由放電傳入氣相，并 且進(jìn)入到氣相的雜質(zhì)數(shù)量極快地瞬間變化，氣體成分因此迅速并無(wú) 法控制地變化，阻抗和放電電流隨之變化。尤其是在連續(xù)操作中對(duì) 連續(xù)材料進(jìn)行處理時(shí)，所述阻抗發(fā)生變化如此之快，以至于即使非 常快的電壓源控制裝置，也不能在保持放電功率或放電電流不變的 情況下，重新調(diào)整放電的電參數(shù)。然而，這對(duì)連續(xù)處理是非常重要 的，因?yàn)檫B續(xù)材料在放電區(qū)域內(nèi)的部分的滯留時(shí)間短，處理過(guò)程沒(méi) 有有效的瞬間平均值。
5. 在對(duì)表面不干凈的材料進(jìn)行處理的過(guò)程中，產(chǎn)生了另一 個(gè)破壞放電恒定性的類(lèi)似問(wèn)題，這是由于放電受到陰極(通常由待 處理材料構(gòu)成)上二次電子發(fā)射的嚴(yán)重影響。如果所述材料受到不 均勻的污染，由此二次電子發(fā)射和阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化。 一方面，
7這種影響與上面已經(jīng)說(shuō)明的類(lèi)似，另一方面，促使待處理的表面上 方被不均勻的等離子覆蓋，導(dǎo)致局部密集放電，并且由此形成電弧。 例如，由于除了陰極上的少量雜質(zhì)之外，在處理效率極低時(shí)放電也 會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹姡虼烁緹o(wú)法使用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備對(duì)覆蓋有一 定雜質(zhì)的表面進(jìn)行處理。
6. 然而，特別是用高處理強(qiáng)度處理待加工的連續(xù)材料時(shí)， 出現(xiàn)了另外一個(gè)問(wèn)題。通常適宜移動(dòng)連續(xù)材料穿過(guò)多個(gè)連續(xù)的放電 區(qū)域，從而能夠耦合更多能量，而不會(huì)在轉(zhuǎn)變成電弧放電過(guò)程中將 全部大功率集中在一點(diǎn)上，而只是分別集中各個(gè)處理單元的功率。 每個(gè)放電區(qū)域都可以具有一個(gè)單獨(dú)的供氣和供能裝置。因此，由于 熱力原因，只能在第一個(gè)處理單元之前和最后一個(gè)處理單元之后接 觸用作;改電電極的連續(xù)材料，以;改走》文電電流。即使為每個(gè)》文電區(qū) 域提供獨(dú)立的供壓和供氣裝置，處理區(qū)域之間的相互作用也可以使 處理過(guò)程非常的不穩(wěn)定。如果仍給各處理區(qū)域供入強(qiáng)電流，在連續(xù) 材料中將會(huì)再次產(chǎn)生 一 個(gè)很大的電壓降，這是由于這些電流朝處理 區(qū)域外的接合處釋放。在使用脈沖恒壓源作為放電能源的等離子處 理設(shè)備中，連續(xù)材料上的各點(diǎn)的電勢(shì)是未知的，所述各點(diǎn)與下一個(gè) 接合處的距離至少為一個(gè)放電路徑。通常，相對(duì)接合處電勢(shì)的較小 電勢(shì)差就足以使電壓源和放電過(guò)程在加工線路中心變得不穩(wěn)定。
7. 在要求非常高溫度的連續(xù)材料處理過(guò)程中(如高溫材料退 火)，又一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了。如果接觸連續(xù)材料表面的溫度接近產(chǎn)生電 子自發(fā)輻射的溫度，將不再可能進(jìn)行均勻地處理，這是因?yàn)槎坞?子的產(chǎn)生大大地提高了溫度。因此，等離子對(duì)連續(xù)材料上較熱點(diǎn)的 處理強(qiáng)度更大，就導(dǎo)致了在這些點(diǎn)上產(chǎn)生過(guò)度加熱的對(duì)處理過(guò)程有 害的結(jié)果。補(bǔ)救辦法是將處理線路分成小段，對(duì)各段獨(dú)立供電。這 樣，每段僅會(huì)導(dǎo)致連續(xù)材料的溫度輕微升高。所需要的處理溫度越 高，每段升高的溫度就要越小。然而，真處于高溫時(shí)，各段之間的

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備， 其中消除了或至少大大減輕了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
第一步，根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過(guò)具有權(quán)利要求1中特征部 分的用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有益實(shí)施方式 在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行了闡述。
根據(jù)本發(fā)明的用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備包括至少 一 個(gè) 可抽真空的放電室，連續(xù)材料被連續(xù)地運(yùn)送穿過(guò)該放電室，各放電 室具有外電極，所述的外電極相對(duì)連續(xù)材料電絕緣設(shè)置。此外，該 設(shè)備還包括用于設(shè)定至少一個(gè)放電室內(nèi)的氣氛的裝置和用于將放電 能輸送到放電路徑的供能裝置，所述放電路徑界定于各個(gè)獨(dú)立的放 電室的外電極與作為內(nèi)電極的連續(xù)材料之間。根據(jù)本發(fā)明的用于連 續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的特征在于供能裝置設(shè)計(jì)為以脈沖形式釋 放放電能量的固有電流源，該電流源包括至少 一 個(gè)用作儲(chǔ)能元件的 電感，所述儲(chǔ)能元件和與之配屬的一個(gè)放電路徑相連，或依次和與 之配屬的多個(gè)放電路徑相連。通過(guò)這種方法，可以確保產(chǎn)生釋放到 與各自電感相連的放電路徑上的能量的同時(shí)，維持放電電流基本恒 定。因此使放電電流獨(dú)立于調(diào)節(jié)或控制元件的連接而保持恒定，也 就是說(shuō)，電感起到了 "固有"恒流源的作用。這是與現(xiàn)有技術(shù)相比 的根本不同之處，因?yàn)樵诜烹娺^(guò)程中，釋放到放電路徑內(nèi)的電流沒(méi) 有增加，從而恒流源大大地阻止了電弧的形成。更確切的說(shuō)，因?yàn)?電感的存在，即使在放電路徑可能發(fā)生迅速和/或大的阻抗變化的情 況下，也防止了放電路徑上的電流迅速變化，乂人而在單個(gè)的脈沖內(nèi)， 提供一 個(gè)近似獨(dú)立于任何阻抗變化-甚至不連續(xù)的阻抗變化-的穿 過(guò)各個(gè)放電路徑的瞬時(shí)恒定電流，所述電流隨著能量損失而降低， 但是在任何情況下都不會(huì)出現(xiàn)中斷，每次放電都占用了放電室的大 部分空間，并且至少覆蓋內(nèi)電極，即連續(xù)材料。
此外，應(yīng)該指出的是，至今還沒(méi)有商用的功率調(diào)節(jié)電路具有足夠 的響應(yīng)速度可以分別阻止或破壞電弧的形成。因此，本發(fā)明代表一
9種實(shí)質(zhì)上的進(jìn)步，因?yàn)樗軌虿捎靡环N更短的放電供能中斷抑制電 弧的形成，并且通常甚至完全沒(méi)有功率調(diào)節(jié)。
供能裝置上的電感可以設(shè)計(jì)成例如分立的儲(chǔ)能線圈或者變壓器 繞組，其中，在采用變壓器繞組時(shí)，通過(guò)另一個(gè)變壓器繞組進(jìn)行能 量輸入。
特別是在要求高處理溫度的實(shí)際應(yīng)用中，將等離子處理路徑分成 多個(gè)放電路徑很重要，其中在能量輸出的每個(gè)脈沖的任一時(shí)刻，至 少有一個(gè)電感正好與一個(gè)放電路徑相連。如果一個(gè)電感為一個(gè)以上
的放電路徑供能，最好在所述的電感的能量輸出脈沖間隔內(nèi)完成不 同放電路徑的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的另一個(gè)可選實(shí)施方式中，依靠對(duì)供能裝置的設(shè)計(jì)，電感 可以?xún)H在能量輸出脈沖內(nèi)充電，也可以?xún)H在能量輸出脈沖間隔內(nèi)充 電。
此外，供能裝置還應(yīng)該包括一個(gè)輸出限壓電路，因?yàn)槊}沖開(kāi)始時(shí) 的等離子的阻抗會(huì)非常高，并且電感中的恒定電流也可能導(dǎo)致電壓 升高，該電壓升高無(wú)法控制且對(duì)處理過(guò)程、設(shè)備以及周?chē)h(huán)境都有害。
如果供能裝置具有一個(gè)可以為放電路徑輸送任何所需極性的能 量脈沖的電子轉(zhuǎn)換電路，對(duì)各種處理將很有利。然而，為了更易于
放電，主要是對(duì)自清理設(shè)備而言，例如可以將每第X個(gè)能量脈沖反
極性地輸出。
在根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的改進(jìn)實(shí)施方式中，在至少一個(gè)供能裝置的電 感和至少一個(gè)i文電室之間設(shè)置至少一個(gè)補(bǔ)償電路，以分別壓制或補(bǔ) 償寄生高頻效應(yīng)和寄生高頻響應(yīng)，例如，導(dǎo)線的電感，放電室和電
極各自的電容，等等。
尤其是用于連續(xù)材料的高溫處理時(shí)，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中， 依次設(shè)置多個(gè)放電室，連續(xù)材料穿過(guò)該放電室，而不在放電室內(nèi)或 放電室之間產(chǎn)生接觸。由此避免了對(duì)連續(xù)材料表面造成損壞。
在解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題的第二步中，為本發(fā)明的用于等離子處理設(shè)備提供一種高效磁體組件，該磁體組件在外電極的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生
一種至少為120mT，優(yōu)選至少為400mT，最佳至少為700mT的強(qiáng)^茲 場(chǎng)，該磁場(chǎng)的方向與連續(xù)材料基本平行。以這種方式，可以大量增 加氣體放電的能量密度。通過(guò)產(chǎn)生如此強(qiáng)的磁場(chǎng)，可以生成非常高 的等離子流密度，這也使得能夠?qū)?yán)重污染的連續(xù)材料進(jìn)行凈化， 在現(xiàn)有技術(shù)中，氣體放電會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入氣相的微粒而突然停止，所述 微粒不僅從電子中吸收電能，而且也從等離子中吸收電子本身。
由于采用了磁場(chǎng)，等離子變得更加導(dǎo)電，以至于放電更適宜僅在 磁場(chǎng)穿過(guò)的空間內(nèi)進(jìn)行放電灼燒。
為了實(shí)現(xiàn)盡可能均勻地放電和隨后的盡可能一致的處理，進(jìn)一步 將所述高效磁體組件設(shè)計(jì)為用于產(chǎn)生在其整個(gè)縱向延伸過(guò)程中基本 均勻分布的磁場(chǎng)。為了生成這樣一種均勻的磁場(chǎng)，高效磁體組件優(yōu) 選為包圍外電極并且與連續(xù)材料基本同軸設(shè)置的線圈，該線圈優(yōu)選 設(shè)計(jì)為冷卻式，特別是液冷式線圈，可選用超導(dǎo)電磁體。通過(guò)線圏 冷卻可以實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)率。
在其他的等離子處理應(yīng)用中，可能更適合將高效磁體組件設(shè)計(jì)為 用于產(chǎn)生在其整個(gè)縱向延伸過(guò)程上不均勻分布的磁場(chǎng)，并且該磁場(chǎng) 的最大值決定了連續(xù)材料處理強(qiáng)度的最大值，即使在有相反趨勢(shì)的 因素的時(shí)候也是如此。因此，根據(jù)本發(fā)明的目的，將所述高效磁體 組件設(shè)計(jì)為永磁體組件，所述永磁體組件特別地由各向異性的永磁 體組成，優(yōu)選由釹鐵硼(NdFeB)永磁體制成，該永萬(wàn)茲體基本形成具有 多邊形橫截面的棱柱的側(cè)壁，其磁鐵的磁化方向優(yōu)選基本沿著棱柱 的橫截面的徑向。因?yàn)楫a(chǎn)生磁場(chǎng)既不需要冷卻系統(tǒng)也不需要電流， 所以這樣的設(shè)計(jì)節(jié)省了設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。由于永磁體組件設(shè)計(jì)成棱 柱形狀，在放電室中很容易形成有利的磁場(chǎng)走向。采用各異向性永 磁體，優(yōu)選采用NdFeB永/磁體制成，更易于生成強(qiáng)i茲場(chǎng)。
可以通過(guò)設(shè)置鐵軛元件-該元件用于集中氣體放電區(qū)域內(nèi)永磁 體組件生成的磁場(chǎng)—以適宜的價(jià)格顯著提高放電區(qū)域內(nèi)的永磁體的 效果。
ii為了實(shí)現(xiàn)放電完全在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)灼燒，而不燒到所述磁場(chǎng)區(qū)域之 外，進(jìn)一步提供縱向延伸不超出磁場(chǎng)范圍的外電極。
在本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施方式中，外電極在其縱向延長(zhǎng)上至少有 一側(cè)超出f茲場(chǎng)范圍，因此在i茲場(chǎng)的端部沿縱向在上述一邊或一些邊 處，放電連續(xù)地轉(zhuǎn)變成通常的輝光放電，該輝光放電從此覆蓋連續(xù) 材料。
在本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，這樣設(shè)計(jì)外電極，即在連續(xù)材 料的橫截面的投影上，該外電極從視覺(jué)上基本上完全緊密地圍住連 續(xù)材料。以這樣的方式，可以生成一種高功率密度的氣體放電。結(jié) 合下面將具體描述的本發(fā)明的其他特征，發(fā)明人能夠?qū)崿F(xiàn)一種明顯 不同于已有的放電類(lèi)型的新型氣體放電，并且可以使等離子處理密
度的無(wú)級(jí)可調(diào)性從極小值(約1W/cm2)直至極大值(幾kW/cm2), 而放電不會(huì)在空間上或時(shí)間上變得不穩(wěn)定。
由于采用這種方式得到的連續(xù)材料表面上的能量密度極高，再加 上連續(xù)材料位于處理區(qū)域內(nèi)的部分的滯留時(shí)間短，造成連續(xù)材料外 層的溫度明顯高于連續(xù)材料內(nèi)部的溫度，因此使連續(xù)材料表面附近 的區(qū)域的熱處理強(qiáng)度高于連續(xù)材料內(nèi)部區(qū)域的強(qiáng)度。因此，利用本 發(fā)明設(shè)備使下面對(duì)等離子處理的運(yùn)用首次成為可能
a. 連續(xù)材料的涂層處理，其中涂層上的效應(yīng)很大而基材上的 熱效應(yīng)^艮小。
b. 熔化以及通過(guò)等離子處理以電解方式在連續(xù)基材上進(jìn)行 涂層的涂敷，而基材的熱變形沒(méi)有超出期望或允許的范圍。
c. 通過(guò)等離子處理，觸發(fā)連續(xù)的基材中的至少一個(gè)涂層的擴(kuò) 散過(guò)程，而載體中心的熱變化不會(huì)超過(guò)期望或允許的范圍。例如， 內(nèi)部涂覆銅而外部涂覆鋅的基材，通過(guò)等離子處理，所述涂層擴(kuò)散 后形成黃銅，而基材的熱變形沒(méi)有超出期望或允許的范圍。
d. 由于采用等離子處理，可以在連續(xù)材料的外部區(qū)域形成雜 質(zhì)朝向表面的散射，由此所述外部區(qū)域可以(但不必須)變?yōu)橐合唷?在等離子處理的下一個(gè)步驟中，在外層冷卻后以離子轟擊所述包含大部分污染物的外層的外部，并在溫度沒(méi)有大幅升高的情況下這樣 去除所述外部，即不會(huì)進(jìn)一步使相應(yīng)的材料發(fā)生分解，由此在近表 面區(qū)域保留雜質(zhì)含量極低的材料成分。如果連續(xù)材料是高頻導(dǎo)體， 這將非常有利，因?yàn)樵诟哳l范圍內(nèi)，僅在雜質(zhì)含量較低的表面區(qū)域 產(chǎn)生導(dǎo)電。
e. 通過(guò)等離子處理，從鐵基、鎳基合金或類(lèi)似合金制成的連 續(xù)材料上去除馬氏體涂層，該馬氏體由前述的機(jī)械和/或熱處理形成， 而連續(xù)材料中心的熱變形不超出期望或允許的范圍。應(yīng)用等離子處 理，去除馬氏體涂層可能導(dǎo)致馬氏體涂層的濺射和/或汽化和/或轉(zhuǎn)化 為不同的晶體結(jié)構(gòu)，和/或使馬氏體涂層氧化。
f. 如果待處理的連續(xù)材料上涂有退火中待去除的涂層時(shí)，所 述層特別是包括碳(石墨)、脂肪酸鹽，尤其是硬脂酸鹽、脂、油、 乳劑或其他的含碳化合物及其混合物，所述層在含氧氣氛中通過(guò)等 離子處理至少可以部分去除，該含氧氣氛在放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致所述涂層 發(fā)生氧化。因此在放電室壓力范圍內(nèi)的氧化物殘?jiān)鼛缀跞炕蛏踔?完全以氣相存在(二氧化碳和水)，并且因此在連續(xù)材料上沒(méi)有粘 附或者至少幾乎沒(méi)有粘附有機(jī)的或其他含碳的或可氧化的、在化學(xué) 上與連續(xù)材料不同的層。等離子處理產(chǎn)生的氧化過(guò)程之后，為了產(chǎn) 生還原反應(yīng)，將依舊處于高溫狀態(tài)的連續(xù)材料送入 一 個(gè)含氬的或含 酒精的或其他含有還原成分的氣氛或者液體中，以便通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào) 節(jié)連續(xù)材料和連續(xù)材料周?chē)幕瘜W(xué)成分的溫度，使在氧化作用中也 被氧化了的連續(xù)材料表面能夠被還原(脫氧)。作為一種變換，也 可以在下一個(gè)離子處理步驟中實(shí)現(xiàn)上述還原，其中化學(xué)等離子效應(yīng) 和濺射效應(yīng)及其組合都導(dǎo)致還原。
g. 在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，連續(xù)材料可以依次穿過(guò)多個(gè)等離 子處理室而不產(chǎn)生中間接觸，其中各個(gè)等離子處理室內(nèi)的氣體中化 學(xué)成分可以不同，并且所述材料進(jìn)入和離開(kāi)各個(gè)等離子處理室時(shí)的 溫度可以不同。
h. 根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以這樣操作，即在選定的化學(xué)氣氛中，大致這樣選擇連續(xù)材料的溫度，即在連續(xù)材料表面與氣氛之間 使得一種化學(xué)反應(yīng)，特別是放熱化學(xué)反應(yīng)，具有最高反應(yīng)速度。這 是個(gè)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，因?yàn)槿绻麥囟忍?，放熱反?yīng)本身會(huì)變慢或者 甚至消退，也就是說(shuō)，其具有"最佳"反應(yīng)溫度。這一點(diǎn)重要的應(yīng) 用是，例如，使高溫導(dǎo)線去石墨化，其中，第一步，在含氧氣體中 實(shí)現(xiàn)退火處理，因此石墨"燃盡"。若所述過(guò)程是在過(guò)高的溫度下 進(jìn)行時(shí)，就會(huì)接近或甚至超過(guò)這樣的溫度，在這個(gè)溫度下二氧化碳 和一氧化碳的分解是熱力學(xué)的自然過(guò)程，并且石墨的氧化極其緩慢 或者根本不再發(fā)生。上述過(guò)程中，通常在第二個(gè)獨(dú)立的步驟中將形 成的氧化層從連續(xù)材料中去除。如果所述過(guò)程在等離子處理中進(jìn)行， 通常會(huì)涉及到同樣的問(wèn)題。
在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械穩(wěn)定且對(duì)加工有利的結(jié)構(gòu)中，外電極界定了 放電室部分，并且優(yōu)選為冷卻式的，特別是液冷式的。
在本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施方式中，為了確保對(duì)連續(xù)材料進(jìn)行全面的、 盡可能均勻的等離子處理，外電極的橫截面積和連續(xù)材料的最小凸
起包圍的橫截面積之間的比例至少為4: 1，最好至少為10: 1,并 優(yōu)選至少20: 1。
由于構(gòu)造的原因可能產(chǎn)生，在等離子處理設(shè)備中，處理區(qū)域內(nèi)的 連續(xù)材料沒(méi)有在其整個(gè)長(zhǎng)度上被縱向磁場(chǎng)包圍，這樣可能導(dǎo)致產(chǎn)生 電弧放電。為了在處理區(qū)域的這種位置上也抑制電弧放電的產(chǎn)生， 在本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)實(shí)施方式中，提供一種用于設(shè)定至少一個(gè)放電 室內(nèi)氣氛的裝置，該裝置設(shè)計(jì)為用于在氣體放電室區(qū)域內(nèi)生成氣流， 所述氣流具有沿連續(xù)材料縱向的流速分量，在氣體放電室區(qū)域中的 》茲場(chǎng)分別以不完全或萬(wàn)茲場(chǎng)強(qiáng)度遞減的方式包圍連續(xù)材料。以這種方 式防止氣體微粒在氣體放電室的這些區(qū)域內(nèi)停留過(guò)久。
從放電的磁效應(yīng)中得到的另 一 個(gè)實(shí)質(zhì)上的益處也有利于連續(xù)材 料的處理如果外電4及的大小仍然限定在強(qiáng)》茲場(chǎng)內(nèi)，不但僅在磁場(chǎng) 內(nèi)的放電以極高的功率灼燒，而且在增強(qiáng)的磁場(chǎng)內(nèi)，等離子的宏觀 傳導(dǎo)率也提高到一定的程度，這表明這種方法在連續(xù)材料的縱向上
14的放電空間或者至少是放電焦點(diǎn)的空間內(nèi)是高效的。如果適當(dāng)?shù)剡x 擇參數(shù)，上述方法通常可以保證對(duì)連續(xù)材料的均勻處理，當(dāng)在處理 過(guò)程中，連續(xù)材料呈現(xiàn)出很強(qiáng)的部分區(qū)域過(guò)熱的趨勢(shì)時(shí)，所述過(guò)熱 區(qū)域會(huì)隨著連續(xù)材料的向前運(yùn)動(dòng)暫時(shí)拖住放電的焦點(diǎn)，那么就無(wú)法 保證上述對(duì)連續(xù)材料的均勻處理。
采用本發(fā)明，第一次使得對(duì)受到(不均勻)污染的連續(xù)材料進(jìn)行
均勻的等離子處理成為可能
使用固有電流源產(chǎn)生放電電流，從而(與現(xiàn)有技術(shù)相比)放電電 流不會(huì)隨著連續(xù)材料的移動(dòng)而改變(盡管氣體成分和二次電子發(fā)射 率發(fā)生變化，也就是說(shuō)，盡管放電條件迅速地發(fā)生了很大的變化)， 并且在磁場(chǎng)作用下形成了精確的放電位置，從而使放電焦點(diǎn)(與現(xiàn) 有技術(shù)相比)保持不變并且在各個(gè)導(dǎo)線部分的上方覆蓋相同的時(shí)間。 這兩種方法的結(jié)合使設(shè)備的性能得到提高，這種提高明顯大于將其 簡(jiǎn)單相加，并且這也是本發(fā)明的重要基本點(diǎn)之一。
電能脈沖、固有恒流源的恒定電流輸出特性、磁場(chǎng)以及可選擇使 用的強(qiáng)氣流，這些因素共同作用，防止新的放電形式轉(zhuǎn)變成傳統(tǒng)的 電弧放電，從而使到目前為止難以獲得的等離子功率密度能夠?qū)B 續(xù)材料的整個(gè)表面均勻地加工。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，將放電室內(nèi)的壓力設(shè)置為0.1至 100毫巴，更優(yōu)選為0.5至50毫巴，最優(yōu)選為1至10毫巴。所述壓 力范圍足夠低，從而使得連續(xù)材料被等離子大面積地覆蓋，同時(shí)所 述壓力范圍足夠高，從而在放電室內(nèi)生成足夠量的粒子，該粒子足
夠用于等離子處理過(guò)程中期望的高電流。此外，放電室內(nèi)的壓力足 夠高以筒單且有效保持真空、供氣和閘門(mén)系統(tǒng)。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子處理設(shè)備中，用于設(shè)定氣氛的裝置優(yōu)選具 有前室系統(tǒng)和/或后室系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)的各室之間i殳置有閘門(mén)開(kāi)口 ， 連續(xù)材料可以穿過(guò)所述開(kāi)口。為了實(shí)現(xiàn)良好的截止效果，當(dāng)至少一 個(gè)閘門(mén)開(kāi)口i殳計(jì)成通道時(shí)效率極佳，所述通道的長(zhǎng)度與通道的內(nèi)徑 之間的比例至少為2: 1,優(yōu)選至少為4: 1。因此，如果要避免在具
15有較高壓力的閘門(mén)開(kāi)口側(cè)形成不同成分的氣體和氣體的混合，至少 將這些閘門(mén)優(yōu)選設(shè)計(jì)成通道，該通道兩邊均為負(fù)壓。例如，在具有 不同處理氣體的處理室之間會(huì)出現(xiàn)這種情況。
為了以非常節(jié)約氣體的方式完成等離子處理過(guò)程，特別是在使用 昂貴的處理氣體如氦氣時(shí)非常有意義，在本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)中， 所述用于設(shè)定氣氛的裝置具有回收系統(tǒng)，其中氣體可以從后室回流 到前室和/或壓力值更高的后室。
本發(fā)明的另 一 個(gè)有利實(shí)施方式的特征為，所述前室被劃分為多個(gè) 子室并且/或者后室系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的后室組成，在所述子室和后室 之間分別設(shè)有閘門(mén)開(kāi)口 ，連續(xù)材料被引導(dǎo)經(jīng)由所述開(kāi)口分別穿過(guò)子 室和后室。子室和后室的構(gòu)成使得可以將所需的氣體安全并節(jié)約地 保持在放電室內(nèi)，并且可以防止氣體不合需要地進(jìn)入放電室。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的縱截面
示意圖2為根據(jù)本發(fā)明的用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的一個(gè)可 選實(shí)施方式的縱截面示意圖3為根據(jù)本發(fā)明的供能裝置的方框圖4為在放電路徑與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的脈沖電流源連接時(shí)，具有輝 光特性的低壓等離子的典型電壓、電流和功率曲線圖5為在放電路徑與根據(jù)本發(fā)明的固有電流源連接時(shí)，具有輝光 特性的低壓等離子的典型電壓、電流和功率曲線圖6為在放電路徑與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的脈沖電流源連接時(shí)，發(fā)生電 弧;改電的典型電壓、電流和功率曲線圖，以及電弧抑制^L構(gòu)的響應(yīng) 圖，若沒(méi)有該電弧抑制機(jī)構(gòu)，不受控制的雪崩式的電流升高會(huì)導(dǎo)致 組件的毀壞；
圖7為在放電路徑與固有電流源連接時(shí)，沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的電弧 抑制裝置或電弧抑制裝置失效時(shí)電弧放電的典型電壓、電流和功率曲線圖8為根據(jù)本發(fā)明的具有多個(gè)處理單元的等離子處理設(shè)備的方 框圖9為設(shè)計(jì)為通道的閘門(mén)開(kāi)口的縱截面圖； 圖10為用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的另一實(shí)施方式的縱截 面圖11為外電極的一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖； 圖12為外電極的另一個(gè)實(shí)施方式的橫截面圖； 圖13為用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備的又一實(shí)施方式的縱截 面圖14示出了減小了磁體間距的圖1中的設(shè)備。 下面參照附圖，基于非限定性的典型實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一 步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于連續(xù)材料1的等離子處理設(shè)備的縱截面 示意圖，所述設(shè)備包括至少一個(gè)可抽真空的管狀放電室3a。連續(xù)材 料1被連續(xù)運(yùn)送穿過(guò)該;故電室3a,其中，連續(xù)材料l僅在放電室3a 的外面由導(dǎo)輥14、 14，引導(dǎo)，但在放電室3a中不接觸。放電室3a具 有一個(gè)外電極5，所述外電極5相對(duì)連續(xù)材料1電絕緣。在本示例性 實(shí)施方式中，將外電極5設(shè)計(jì)成管狀并且用玻璃、陶瓷或類(lèi)似材料 制成的間隔的管狀絕緣件21、 21在端部對(duì)其進(jìn)行支承，從而由絕緣 件21、 21形成一個(gè)被外電極5占據(jù)的"窗口"。絕緣件21、 21由 法蘭22、 22固定。由O形環(huán)23在外電才及5與法蘭22、 22之間實(shí)現(xiàn) 密封。此外，外電極5被冷卻管24包圍，且外電極5與冷卻管24 中間形成空腔25,冷卻介質(zhì)26流經(jīng)所述空腔。在》文電室3a內(nèi)，通 過(guò)一個(gè)用于設(shè)定氣氛的裝置(未示出)對(duì)期望氣氛和期望壓力進(jìn)行 調(diào)節(jié)。在放電室3a的外電極5與作為內(nèi)電極的連續(xù)材料1之間界定 了放電路徑G。為了在放電路徑G上產(chǎn)生氣體放電，通過(guò)端子27將
17提供放電能的供能裝置30與連續(xù)材料1和外電極5相連接。在本示
例性實(shí)施方式中，通過(guò)導(dǎo)電材料構(gòu)成的導(dǎo)輥14實(shí)現(xiàn)連續(xù)材料1與供
能裝置30的電連接。此外，；汶電室3a^皮永》茲體61組成的永》茲體組
件6包圍，從連續(xù)材料l的縱向上看，所述永磁體61是相間設(shè)置，
并且通過(guò)反向磁化與4失軛元件62相連。該4失輒元件62將永石茲體組
件6的磁場(chǎng)集中在氣體放電路徑的區(qū)域內(nèi)。由此形成的磁力線M的
路徑如圖1所示。由鐵扼元件62和永》茲體61組成的結(jié)構(gòu)單元以具
有多邊形(如六邊形)橫截面的棱柱的形式圍繞放電室3a,如參考
文獻(xiàn)WO2004/073009 A2中所述。為了更清楚起見(jiàn)，圖1中僅示出
了一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)單元。優(yōu)選采用各向異性材料制成永磁體61，其 具有一個(gè)擇優(yōu)取向并且基本在棱柱橫截面的徑向上被極化。各向異
性永磁體61可以被強(qiáng)》茲化。特別是由釹鐵硼(NdFeB)合金制成的 永磁體61非常適合。磁通密度B在放電室3a內(nèi)在長(zhǎng)度d上的分布 趨勢(shì)表明，磁通密度B在磁體61、 61的區(qū)域內(nèi)總是零相交的，而磁 通密度B在磁體61與61之間的區(qū)域內(nèi)基本保持恒定。磁通密度B 的最大負(fù)值顯然出現(xiàn)在磁體61、 61外。由于對(duì)磁體組件的設(shè)計(jì)，產(chǎn) 生了 一個(gè)在整個(gè)縱向延伸過(guò)程上的不均勻的磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)的最大 值決定了連續(xù)材料l的處理強(qiáng)度的最大值。在本示例性實(shí)施方式中， 起到氣體放電作用的外電極部分5縱向長(zhǎng)度上沒(méi)有超出磁場(chǎng)，由此 遏制磁場(chǎng)中放電的"燒蝕"現(xiàn)象。
圖14示出了根據(jù)圖1的設(shè)備的變型，其縮短了永磁體61之間的 距離。距離的縮短致使磁通密度B的分布趨勢(shì)不同，此時(shí)磁通密度 B在放電路徑的中部具有一個(gè)明顯的最大值，而不是恒定的分布。 由于這個(gè)明顯的最大值，確定了該點(diǎn)為放電發(fā)生的確切位置。
在圖2中以縱截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的用于等離子處理設(shè)備 的一個(gè)可選實(shí)施方式。所述實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同之處在 于，不是用永^茲體組件而是用電i茲體組件6'作為》茲體組件，該電》茲體 組件由線圈63組成，所述線圏63圍繞外電極5并且與連續(xù)材料1 基本同軸設(shè)置,所述線圈優(yōu)選設(shè)計(jì)成冷卻式，特別是液冷式的線圏，
18可選用超導(dǎo)電磁體。磁力線M的路徑表明，如》茲通密度B在放電室 3a內(nèi)在長(zhǎng)度d上的分布趨勢(shì)圖中可清楚地看到，在線圏63內(nèi)可調(diào)節(jié) 為基本均勻的》茲場(chǎng)。
將圖l和圖2的實(shí)施方式中的磁體組件設(shè)計(jì)為高效磁體組件，該 》茲體組件產(chǎn)生至少1 2 0 m T (亳特斯^立)，優(yōu)選為至少4 0 0 m T,最佳為至少7 0 0 m T的強(qiáng)磁場(chǎng)，該/磁場(chǎng)在外電極5的區(qū)域內(nèi) 基本與連續(xù)材料平行。為了通過(guò)等離子處理方法清理嚴(yán)重污染的材 料，也可以產(chǎn)生強(qiáng)至1.5T (特斯拉)的磁場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明，將供能裝置30構(gòu)造為固有電流源，所述固有電流 源設(shè)計(jì)為以脈沖形式釋放放電能，該電流源包括至少 一 個(gè)作為儲(chǔ)能 元件的電感，所述儲(chǔ)能元件能夠和與之配屬的放電路徑G相連，或 和與之配屬的多個(gè)放電路徑G依次相連。
參照?qǐng)D3基于以下的示例對(duì)供能裝置30的基本電路布線圖的一 種可能設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。供能裝置30包括供能電路31，該供能電路 31根據(jù)需要為用作儲(chǔ)能元件的電感32提供電能。該電感32通過(guò)端 子27與放電路徑G串聯(lián)，從而使電感32能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的能量釋放到 放電路徑G。這樣，受控供能電路31為電感32充電，從而由電感 32傳送至放電路徑G的電流可以保持基本恒定。另外，供能裝置30 包括一個(gè)與放電路徑G并聯(lián)設(shè)置的脈沖間隔開(kāi)關(guān)34。為了對(duì)由電感 傳給放電路徑G的電流進(jìn)行脈沖調(diào)制(產(chǎn)生脈沖間隔)，脈沖間隔 開(kāi)關(guān)34暫時(shí)將放電路徑G短路，從而使電流繼續(xù)流過(guò)電感32和脈 沖間隔開(kāi)關(guān)34，而不流過(guò)》文電路徑G。另外，由于ii電i 各徑G內(nèi)的 等離子的阻抗在脈沖開(kāi)始時(shí)非常高，來(lái)自電感32的恒定電流在脈沖 間隔開(kāi)關(guān)34打開(kāi)時(shí)可能導(dǎo)致電壓升高，這種電壓升高不受控制并對(duì) 等離子處理過(guò)程及其周?chē)O(shè)備都有害，因此理應(yīng)確保放電路徑G上 的最大電壓值受到限制。通過(guò)限壓電路33實(shí)現(xiàn)該功能，在脈沖開(kāi)始 階段，即當(dāng)放電路徑G上已經(jīng)達(dá)到最大允許電壓而流經(jīng)放電路徑G 的電流還未達(dá)到流經(jīng)電感32的電流時(shí)，該限壓電路33限制了電壓 并將電感的所期望大小的電能強(qiáng)制分流。所述限壓電路33可以用多
19種方法實(shí)現(xiàn)，其要么消耗從電感分出來(lái)的電能，例如將其轉(zhuǎn)化成熱 能，要么將其存儲(chǔ)且再利用或者將其釋放以再利用。
此外，可以在供能裝置30的電感32和至少一個(gè)放電路徑之間設(shè) 置補(bǔ)償電路，以抑制或者補(bǔ)償寄生高頻效應(yīng)及其影響，例如導(dǎo)線的 電感，放電室和電極各自的電容，等等。所述補(bǔ)償電路可以嵌入到 限壓電路33中。
除了如圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的供能裝置的實(shí)施方式外，還有另 外一種可以實(shí)現(xiàn)固有電流源的方法。例如，儲(chǔ)能線圏也可以是變壓 器的一部分，其中通過(guò)另一個(gè)與儲(chǔ)能線圏磁耦合的變壓器繞組進(jìn)行 能量輸入。可以另外設(shè)置一個(gè)繞組用于診斷。
就根據(jù)本發(fā)明的供能裝置而言，用作儲(chǔ)能元件的載流電感與放電
路徑G的兩個(gè)電極的無(wú)損耗連接或者盡可能低損耗連接以及脈沖發(fā) 生裝置是十分重要的，所述脈沖發(fā)生裝置例如為圖3中所示的脈沖 間隔開(kāi)關(guān)34。然而，應(yīng)該指出，脈沖發(fā)生裝置也可以有不同的設(shè)計(jì)， 例如轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路還可以實(shí)現(xiàn)脈沖極性的轉(zhuǎn)換。
為了說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的脈沖固有電流源的有益效果，先看圖4 所示的電流Il、電壓Ul和功率Pl的曲線，當(dāng)放電路徑G與根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)的脈沖電壓源相連時(shí)，在具有輝光特性的低壓等離子的放電 路徑G上獲得所述電流Il、電壓Ul和功率Pl的曲線。顯然在每個(gè) 脈沖周期內(nèi)，電壓U1是恒定的，而電流Il和功率Pl隨著時(shí)間而增 大，這是一個(gè)很不利的過(guò)程，隨著脈沖的繼續(xù)，輝光放電轉(zhuǎn)變成電 弧放電的可能性越來(lái)越大。
相反，當(dāng)供能裝置設(shè)計(jì)為根據(jù)本發(fā)明的脈沖固有電流源時(shí)，獲得 如圖5所示的電流I2、電壓U2和功率P2的曲線，由于具有輝光特 性的低壓等離子在放電路徑上占主導(dǎo)，使得電弧放電極不可能出現(xiàn)。 圖中表明，除了在脈沖開(kāi)始時(shí)電流12還未達(dá)到恒定值的短暫期間外， 電壓U2和功率P2在脈沖寬度內(nèi)呈下降趨勢(shì)。這個(gè)特性可以稱(chēng)作時(shí) 間互易。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，在放電組件和參數(shù)都不變的情 況下，可以將與現(xiàn)有技術(shù)中的電壓源相比明顯大的、典型地大2至20倍的功率耦合到放電路徑G中，同時(shí)等離子特性不會(huì)從輝光或類(lèi) 輝光特性(大面積地覆蓋在連續(xù)材料上方)轉(zhuǎn)變成電弧放電。另外， 當(dāng)采用固有電流源時(shí)，放電電弧的出現(xiàn)十分輕微，這是由于當(dāng)產(chǎn)生 放電電弧時(shí)，放電能不會(huì)增大(或者由于數(shù)量和時(shí)間十分有限而幾 乎不增大)，如圖7中通過(guò)電流14、電壓U4和功率P4的曲線所示， 其中在tl時(shí)刻出現(xiàn)放電電弧。當(dāng)然，由于電弧的形成表示內(nèi)阻抗降 低，因此功率P4和放電能實(shí)際上將大大地下降。由此，電弧放電可 以自行消失。然而，假如通過(guò)在檢測(cè)到電弧放電的時(shí)候阻止進(jìn)一步 將電能輸入到等離子中，例如，將等離子短路來(lái)實(shí)施一種相應(yīng)的調(diào) 整，則與現(xiàn)有技術(shù)相比所需的干涉時(shí)間明顯縮短。若通過(guò)將等離子 短路實(shí)現(xiàn)脈沖間隔，另一個(gè)放電穩(wěn)定因素是，由于所述放電路徑上 的短路，放電中的載流子可以通過(guò)電極流出，這再次縮短了所需的 脈沖間隔時(shí)間。
應(yīng)該提到的是，在實(shí)際中，放電路徑的電極之間可能產(chǎn)生電容。 這些可以是寄生特性或是用于穩(wěn)定和補(bǔ)償半導(dǎo)體元件和電路元件的 小電容。這些電容使電流I4從恒定值Ie瞬間增大到峰值Ib。然而， 在通常情況下，所述的電容效應(yīng)和由此導(dǎo)致的電流上升相對(duì)脈沖持 續(xù)時(shí)間而言為短期效應(yīng)，可以忽略不計(jì)。
與根據(jù)本發(fā)明的建議的那樣采用固有脈沖電流源作為供能裝置 相反，如果采用電壓源對(duì)放電路徑供電，當(dāng)輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放 電時(shí)，耦合的功率會(huì)明顯增加。這從圖6的電流I3、電壓U3和功率 P3的曲線中可以明顯看出，并且若沒(méi)有電弧抑制機(jī)構(gòu)的干預(yù)，將至 少導(dǎo)致電路中電流靈敏度最高的元件發(fā)生毀壞。
恒定電壓源得到很大程度地減輕，所述等離子阻抗的迅速變化是由 于氣體成分的變化和表面的變化(二次電子發(fā)射)而引起。在由于 放電氣體中的雜質(zhì)導(dǎo)致放電阻抗增大的情況下，由于放電路徑上所 形成的電壓上升迅速提供了更多的能量。借助于該附加的能量使污 染分子分解，或者使其他的等離子抑制作用(例如，電子俘獲)飽和。這個(gè)有利特性使得采用現(xiàn)有技術(shù)的等離子處理中的不可行成為可行。由此，例如在現(xiàn)有技術(shù)的等離子設(shè)備中，在等離子處理之前用棵露的手指直接觸摸待處理的線材，常常會(huì)導(dǎo)致喪失具有非常多的不易阻止的電弧放電過(guò)程的放電穩(wěn)定性。皮膚上的鹽中所含的氯對(duì)處理過(guò)程造成了干擾，所述干擾與處理過(guò)程的完成無(wú)關(guān)。然而，根據(jù)本發(fā)明，若由固有電流源為等離子提供能量的話，只有放電顏
色會(huì)發(fā)生變化，而觀察不到電弧放電的轉(zhuǎn)化；在相應(yīng)的線材處的處理強(qiáng)度與未受影響處的處理強(qiáng)度只有輕微的不同。
由于技術(shù)原因(因?yàn)檫B續(xù)材料的溫度太高，或是為了避免表面結(jié)構(gòu)、質(zhì)地或純度遭到破壞)無(wú)法實(shí)現(xiàn)接地或無(wú)法實(shí)現(xiàn)在處理單元之間對(duì)連續(xù)材料進(jìn)行連接，特別是不能總是對(duì)所有電極提供相同極化的能量脈沖時(shí)，所述處理通常只能通過(guò)采用固有電流源實(shí)現(xiàn)對(duì)具有兩個(gè)以上連續(xù)排列的處理單元(電極)的連續(xù)材料的處理。應(yīng)該提到的是，要求非常高的連續(xù)材料的處理溫度(約大于1000-1500攝氏度，取決于材料)的等離子處理只能由兩個(gè)以上的串聯(lián)電極和放電室完成。若采用固有電流源，由于在任何情況下總是輸入所需的電流，所以為待處理連續(xù)材料加熱的功率基本與連續(xù)材料內(nèi)的電勢(shì)波動(dòng)無(wú)關(guān)。單個(gè)的電極和放電室之間確實(shí)可能存在電勢(shì)的偏移和波動(dòng)，其大小不能精確得知，然而在實(shí)際中連續(xù)材料上任意一點(diǎn)的電勢(shì)波動(dòng)低于等離子電弧下降電壓的10%,在單個(gè)電極上的功率測(cè)定的誤差同樣最多為10%。
圖8所示為五個(gè)處理單元串聯(lián)的方框簡(jiǎn)圖。參考標(biāo)號(hào)51、 52、53、 54、 55表示各個(gè)處理單元的電極，參考標(biāo)號(hào)301、 302、 303、304、 305表示設(shè)計(jì)成固有脈沖電流源的供能裝置，其中各供能裝置301-305的第一端子接地，而第二端子與各個(gè)電極51-55相連。連續(xù)材料1由接地的導(dǎo)輥14、 14，所支承，沿箭頭方向被引導(dǎo)穿過(guò)處理單元。導(dǎo)輥14、 14，分別設(shè)置在處理單元的前方和后方，并且在接觸的地方使連續(xù)材料l接地。參考標(biāo)號(hào)V1、 V2、 V3、 V4、 V5分別表示位于處理單元之間和之后的電勢(shì)點(diǎn)，其中只有電勢(shì)點(diǎn)VI和V5可以認(rèn)為接地，而電勢(shì)點(diǎn)V2、 V3、 V4偏離地電勢(shì)一個(gè)未知的數(shù)值。如上所述，不能對(duì)處理單元之間的連續(xù)材料另外進(jìn)行連接，因?yàn)檫B續(xù)材料l會(huì)由此受到毀壞，特別是在高溫處理時(shí)。在電極55之后設(shè)置冷卻單元20，連續(xù)材料1在所述冷卻單元20中被冷卻到這樣的程度，即，其可以與下游的導(dǎo)輥14，和環(huán)境空氣接觸，而不會(huì)遭到任何損壞。
在本發(fā)明中也可以采用一個(gè)電流源，所述電流源與全部電極51-55依次相連，并向電極發(fā)出恒定的、優(yōu)選總是具有很小的占空因數(shù)的電流脈沖，從而不用為五個(gè)電極51-55提供五個(gè)供能裝置。恒流脈沖會(huì)隨著電極的脈沖持續(xù)時(shí)間和極性的不同而不同，因此在脈沖長(zhǎng)度上對(duì)各個(gè)電極的功率測(cè)定是分別進(jìn)行的。在等離子處理設(shè)備的這種操作中無(wú)法使用傳統(tǒng)的電壓源。
如上所述，在本發(fā)明的用于等離子處理的設(shè)備的實(shí)施方式中，根據(jù)圖1和圖2提供了一種高效磁體組件，該磁體組件在外電極5的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生至少為120mT，優(yōu)選至為少400mT,最佳至少為700mT、方向與連續(xù)材料1基本平行的強(qiáng)磁場(chǎng)。原則上，實(shí)際已知用磁場(chǎng)影響放電，然而，放電室內(nèi)適當(dāng)?shù)膲毫Α⒃诘入x子處理設(shè)備中用以調(diào)節(jié)和保持所述壓力的新結(jié)構(gòu)、對(duì)電極和使用固有電流源的特殊設(shè)計(jì)、放電形式是可以實(shí)現(xiàn)的，這些按照現(xiàn)有技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明用于等離子處理的設(shè)備，由于下述原因?qū)⒎烹娛覂?nèi)的壓力調(diào)節(jié)到0.1到100毫巴，更優(yōu)選為0.5到50毫巴，最佳為1到10毫巴。
在大氣壓和與類(lèi)似壓力的條件下，通常不會(huì)產(chǎn)生輝光放電，尤其不會(huì)產(chǎn)生直流型輝光放電。而電弧放電是僅有的穩(wěn)定放電形式。在這樣的壓力下，只有產(chǎn)生電弧放電的路徑才可能受到磁場(chǎng)的影響。已知電弧由于磁場(chǎng)的影響而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。然而，已經(jīng)表明，在壓力大
于100毫巴時(shí)，不可能借助現(xiàn)在可以產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到具有輝光特
性的放電。
此外，已知放電電磁影響就是借助回旋加速器、磁鏡和磁保持架等在很低的壓力下使移動(dòng)的帶電微粒發(fā)生偏移。然而，使用這些設(shè)
23備的前提是可以預(yù)測(cè)粒子軌跡。隨之而來(lái)的前提是氣體微粒很少發(fā)生碰撞，因?yàn)樵谂鲎仓笪⒘＼壽E不再具有可預(yù)測(cè)性。所以，作為前提條件，粒子的自由軌跡長(zhǎng)度必須至少處在處理室和所用容器的
范圍內(nèi)。關(guān)于這一點(diǎn)，提到了 "分子"壓力范圍。為了實(shí)現(xiàn)只有10cm的自由粒子軌跡，壓力不能超過(guò)約10-3毫巴(對(duì)于電子約10-2毫巴)。但是，現(xiàn)在幾乎不可能建造出這樣一個(gè)處理設(shè)備，該處理設(shè)備適于對(duì)連續(xù)材料進(jìn)行處理，并且在選定大氣氛圍下的低分子壓力范圍內(nèi)工作，而沒(méi)有環(huán)境空氣流入放電室的任何部分中。因此，不論是從經(jīng)濟(jì)上還是從技術(shù)上考慮，都沒(méi)有理由建造一種釆用等離子進(jìn)行連續(xù)材料處理的設(shè)備，該設(shè)備借助于回轉(zhuǎn)加速器、磁鏡、磁保持架或者一種磁性通道的作用，這是由于在低工作壓力下，當(dāng)以連續(xù)操作的方式將連續(xù)材料進(jìn)給到處理室中時(shí)，總是有少量的環(huán)境空氣進(jìn)入處理室內(nèi)，這將使得連續(xù)材料的表面在很多場(chǎng)合中不滿足要求。然而，如果連續(xù)材料在處理室的前后是相對(duì)環(huán)境空氣密封的，就會(huì)迅速使連續(xù)材料產(chǎn)生變形或密封發(fā)生磨損。若將連續(xù)材料導(dǎo)入處理室的開(kāi)口設(shè)計(jì)成比連續(xù)材料的橫截面稍大，就會(huì)形成縫隙。
另外，放電室在分子壓力范圍內(nèi)工作的等離子處理設(shè)備(例如，基于上述磁效應(yīng)的所有設(shè)備)處理不完全干凈的連續(xù)材料的連續(xù)工作能力是有限度的。這種限度的原因是，從連續(xù)材料的表面上擊落的雜質(zhì)沒(méi)有被氣體帶走，而是沉積在設(shè)備的零件上，由于低粒子密度，污染粒子在從連續(xù)材料表面到設(shè)備零件的路徑中不能或者幾乎不能通過(guò)與氣體微粒碰撞而被阻擋。因此，必須將設(shè)備一次又一次地打開(kāi)和清洗。
現(xiàn)在看來(lái)需要依據(jù)壓力梯度構(gòu)造 一 個(gè)節(jié)流-截止系統(tǒng)(Blenden-und Schleusensystem ),該系統(tǒng)所依據(jù)的原理是穿過(guò)節(jié)流縫隙的氣體只會(huì)從高壓方流向低壓方。特別適宜至少在入口側(cè)設(shè)置一個(gè)前室，該前室中的壓力低于處理室內(nèi)中的工作壓力，從而氣體逆著連續(xù)材料的運(yùn)動(dòng)方向從處理室單向地流入前室(也有一些環(huán)境空氣從入口側(cè)被迫地流入該前室)。然而，這個(gè)方案的前提是存在較高的純粘性工作壓力，這是因?yàn)閷?duì)于氣體僅從較高壓力處通過(guò)縫隙流向較低壓力處的設(shè)想僅在純粘性壓力范圍內(nèi)是正確的。而在分子壓力范圍內(nèi)，氣體微粒之間很少發(fā)生碰撞，氣體微粒同樣幾乎無(wú)阻地從壓力較低的容器通過(guò)縫隙進(jìn)入壓力較高的容器。
因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備在指定的粘性壓力范圍內(nèi)工作的能力有時(shí)尤其重要。
然而，本發(fā)明也提供了另外一種方法，以便以適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃搲毫O限值推移至出現(xiàn)節(jié)流作用。根據(jù)本發(fā)明，可以用這樣的方式實(shí)
現(xiàn)，如圖9中的縱截面圖所示，閘門(mén)40包括一個(gè)設(shè)計(jì)成通道的閘門(mén)開(kāi)口 41，所述通道的長(zhǎng)度與通道的內(nèi)徑之間的比例至少為2:1，優(yōu)選至少為4:1。以這種方式，可以明顯改善例如在文獻(xiàn)WO 2004/073009A2的圖7和圖10中所公開(kāi)的具有中間閘門(mén)的多室系統(tǒng)。特別是，根據(jù)本發(fā)明，將兩側(cè)都為負(fù)壓的閘門(mén)設(shè)計(jì)成通道形式。
將閘門(mén)開(kāi)口設(shè)計(jì)成通道的方法所基于的原理是，容器尺寸和微粒的平均自由行程之間的比例是系統(tǒng)處于分子范圍內(nèi)還是處于粘性壓力范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，必須把通道看作一個(gè)容器，其大小僅為處理室的一部分。為了在通道內(nèi)達(dá)到粘性壓力條件，在同樣的參數(shù)下壓力必須高于處理室內(nèi)粘性壓力和分子壓力之間的限定壓力。
利用具有通道的閘門(mén)結(jié)構(gòu)，可以形成一個(gè)氣體回收系統(tǒng)，其中氣體可以/人后室回流到前室和/或壓力更高的后室。此外，可以將前室劃分成多個(gè)子室并且/或者后室系統(tǒng)可以由多個(gè)獨(dú)立的后室組成，其中在各個(gè)子室和后室之間設(shè)置有閘門(mén)開(kāi)口 ，連續(xù)材料能夠通過(guò)這些閘門(mén)開(kāi)口以低摩擦被引導(dǎo)穿過(guò)各個(gè)子室和后室，其中至少部分閘門(mén)開(kāi)口i殳計(jì)為通道形式。
下面具體描述包括前室和后室的等離子處理設(shè)備的兩個(gè)不同的變型，該設(shè)備包括一個(gè)氣體回收系統(tǒng)。
圖10和13表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的兩個(gè)不同變型，所述設(shè)備用于等離子處理連續(xù)材料1。連續(xù)材料1通過(guò)導(dǎo)輥14被引導(dǎo)穿過(guò)兩個(gè)前室系統(tǒng)10、 11,各前室系統(tǒng)都包括多個(gè)子室，例如，10a、 10b…10e,
25并且每個(gè)系統(tǒng)都在最后一個(gè)子室10e、 11e借助泵7a、 7b進(jìn)行抽空，在子室10e、 lle和泵7a、 7b之間設(shè)有過(guò)濾器8。在通過(guò)前室系統(tǒng)11之后，連續(xù)材料1穿過(guò)5個(gè)放電室3a、 3b…3e直至后室系統(tǒng)2,所述后室系統(tǒng)2也被劃分為多個(gè)子室，其中較小的子室位于作為冷卻單元20的長(zhǎng)后室的上游和下游，所述的較小子室通過(guò)閘門(mén)開(kāi)口相互連接。閘門(mén)40將前室11與第一放電室3a隔開(kāi)，所述閘門(mén)40具有作為閘門(mén)開(kāi)口的通道41。前室10、 11以及其子室、放電室3a-3e、后室系統(tǒng)2的》文電室3e以及后室系統(tǒng)2的子室都通過(guò)節(jié)流式的閘門(mén)12相互隔開(kāi)。多個(gè)閘門(mén)開(kāi)口結(jié)合可調(diào)壓力等級(jí)將氣流、氣耗和所需的排氣容量最小化。氣體從后室系統(tǒng)2流入第五放電室3e,并且甚至在與放電室接觸以前就從放電室3e向前進(jìn)入到上游》文電室3d-3a中。根據(jù)圖IO所示的實(shí)施方式，小部分氣體被真空泵7b從放電室3a中抽回，所述真空泵7b也用于對(duì)前室lle進(jìn)行抽空。根據(jù)圖13所示的實(shí)施方式，具有上游過(guò)濾器8的獨(dú)立泵7c用于從放電室3a中抽氣。在兩個(gè)實(shí)施方式中，部分氣體通過(guò)真空泵7d在后室系統(tǒng)2中循環(huán)，并且提供給冷卻單元20。以這種方式，可以確保給所有的放電室提供新鮮干凈的氣體，而在第一放電室3a內(nèi)從連續(xù)材料1上釋放的多種蒸氣與較少量的工作氣體混合，分別通過(guò)真空泵7b或真空泵7c排放到外界。通過(guò)管道13為整個(gè)設(shè)備供氣，所述管道13相對(duì)大氣壓為略孩i過(guò)壓(例如O.lbar)。由此，設(shè)計(jì)為冷卻單元的后室20中的壓強(qiáng)在整個(gè)設(shè)備中最高，從而該處對(duì)連續(xù)材料1有較好的冷卻能力。例如，可以設(shè)置一個(gè)回收系統(tǒng)，氣體可以在其中從后室系統(tǒng)2回流到壓力較高的后室20。例如，將氦氣用作工作氣體。所述回收系統(tǒng)由于特別有效證明了其價(jià)值。獨(dú)立i文電室3a到3e在任何情況下總是設(shè)置有分隔的外電極51-55和電磁體組件6，。如圖8中所示對(duì)外電極51-55供電，使用電磁體組件6'在力文電室3a-3e內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述電磁體組件6'同軸地設(shè)置在放電室3a-3e的外側(cè)。在放電室3a、 3b和電磁體組件6'之間設(shè)置有冷卻液。
導(dǎo)輥14、 14，接地并且與連續(xù)材料1相連(使之接地)。放電室3a-3e和連續(xù)材料冷卻單元20都采用液體冷卻，例如，油冷。此外，可以在后室系統(tǒng)2之后設(shè)置一個(gè)液體冷卻過(guò)程，特別是水冷過(guò)程?？梢苑謩e通過(guò)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)處理過(guò)程進(jìn)行控制，并且可以分別通過(guò)閥18進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。為達(dá)到此目的，也可選擇通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)角速度而改變泵的流量。
通過(guò)真空泵7a至7d并選擇性地通過(guò)過(guò)濾器8和閥18產(chǎn)生各最適壓力，由此，在給定的磁場(chǎng)下，可以在^茲場(chǎng)區(qū)域內(nèi)生成集中等離子流所需的壓力。為了達(dá)到更高的要求，將真空泵，尤其是用于氣體循環(huán)的真空泵設(shè)計(jì)為干式真空泵是有益的。特別適宜釆用離心泵、螺旋泵、循環(huán)泵、隔膜泵，在特定的實(shí)施方式中也使用多種設(shè)計(jì)的爪型泵和旋轉(zhuǎn)泵。
通過(guò)將本發(fā)明中的等離子處理設(shè)備設(shè)計(jì)為以固有恒流源作為供能裝置，并通過(guò)垂直于放電方向施加強(qiáng)磁場(chǎng)，形成這樣一種設(shè)備，該設(shè)備能夠節(jié)能、節(jié)氣并連續(xù)操作地以很高的處理強(qiáng)度對(duì)既不干凈又不是被雜質(zhì)完全均勻覆蓋的連續(xù)材料進(jìn)行等離子處理。同樣可以使用上述設(shè)備對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法處理的連續(xù)材料以相同的方式進(jìn)行處理。另外，根據(jù)上述方法，工作壓力無(wú)疑在粘性壓力范圍內(nèi)，因此，對(duì)進(jìn)出(多個(gè))放電室的連續(xù)材料的引導(dǎo)和放電大大地簡(jiǎn)化了，并且能夠有效地去除從連續(xù)材料的表面擊落的雜質(zhì)。
此外，發(fā)明人意識(shí)到，如果將本發(fā)明的設(shè)備設(shè)計(jì)為滿足以下條件，則可以在放電室中形成一個(gè)全新的放電模式
Z在》文電室或多個(gè)^t電室中，施加非常強(qiáng)的》茲場(chǎng)，所述》茲場(chǎng)基本沿著連續(xù)材料的縱向取向，并且以至少接近連續(xù)材料和至少穿過(guò)電極縱向延伸的較大部分的方式穿過(guò)外電極和連續(xù)材料的之間的橫截面區(qū)域。所述》茲場(chǎng)應(yīng)該至少為120mT,優(yōu)選至少為400mT,最佳至少為700mT。
Z外電極如此設(shè)計(jì)，即在連續(xù)材料的橫截面投影上，外電極從視覺(jué)上將連續(xù)材料緊密包圍。由上述強(qiáng)制性前提條件產(chǎn)生的放電形式非常令人驚訝并且無(wú)法以現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋。無(wú)論如何，上述放電形式的特性表明，這的確是一種新的放電形式，也就是一種新的物理現(xiàn)象。
Z在放電室中，氣壓在0.1到100毫巴之間，更好是在0.5至50毫巴之間，最理想在1至10毫巴之間。
Z外電極的橫截面積(或者至少其在橫截面上的投影)與內(nèi)電
的最小凸起的包圍面積之間的比例很大。所述比例應(yīng)至少為4: 1,更好是至少為10: 1,優(yōu)選為至少20: 1。
所述新的放電模式指的是以電磁方式旋轉(zhuǎn)發(fā)散地放電，并且在本文中縮寫(xiě)為MRDE。
在最簡(jiǎn)單的情況下，將外電極設(shè)計(jì)成在連續(xù)材料的橫截面投影上筆直的管道51-55 (見(jiàn)圖8),所述外電極從視覺(jué)上緊密包圍連續(xù)材料，而內(nèi)電極為一條金屬絲，該金屬絲作為穿過(guò)外電極管道的連續(xù)材料。所述金屬絲比管道細(xì)。適宜通過(guò)圓筒形的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，該線圏的對(duì)稱(chēng)軸與所述金屬絲的縱向軸 一 致。
如果內(nèi)電極不是橫截面形狀為圓形的金屬絲而是任意的橫截面輪廓，該橫截面輪廓所包圍的面積仍需小于外電極的內(nèi)橫截面積。
外電極的形狀很重要，因?yàn)槠浔仨毮軌蚴狗烹娋劢裹c(diǎn)旋轉(zhuǎn)。假設(shè)氣體速度螺線的上升相對(duì)應(yīng)，并且外電極的焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)與螺線曲線放電相對(duì)應(yīng)，那么除管道外，也適宜采用螺線管作為外電極57，如圖11中所示的側(cè)視圖。所述螺線管外電極57同軸地圍繞連續(xù)材料1 。
如圖12中所示的橫截面圖，外電極56也可以由多個(gè)獨(dú)立的節(jié)段56a至56f組成，所述節(jié)段沿著外電極的旋轉(zhuǎn)方向螺旋地延伸，從而所述各個(gè)節(jié)段不能單獨(dú)地將連續(xù)材料完全包圍，只能一起包圍連續(xù)材料l。所述節(jié)段形的外電極56還要符合的要求是，從連續(xù)材料的橫截面投影上看，外電極從視覺(jué)上緊密覆蓋連續(xù)材料。應(yīng)該提到的是，在所述必要的視覺(jué)上的緊密覆蓋中的小中斷可以在放電中被強(qiáng)化。在這種情況下，可以檢測(cè)放電故障(并且用于過(guò)程診斷的測(cè)定)，然而，在連續(xù)材料的等離子處理過(guò)程中通常將其忽略。此外，為了防止產(chǎn)生電弧放電，重要的是在磁場(chǎng)沒(méi)有包圍整個(gè)處 理長(zhǎng)度的連續(xù)材料的情況下，在放電室內(nèi)提供強(qiáng)氣流。由于強(qiáng)氣流， 氣體微粒在所述區(qū)域的停滯時(shí)間短，這使得不大可能轉(zhuǎn)變成電弧放 電。特別是使用永磁體組件時(shí)應(yīng)該想到，在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的連續(xù)材 料上，理論上至少存在一個(gè)而實(shí)際中甚至至少存在兩個(gè)軸向磁場(chǎng)的 零交點(diǎn)。這些點(diǎn)對(duì)放電有害，這是由于強(qiáng)磁場(chǎng)的鄰近區(qū)域會(huì)出現(xiàn)大 量的載流子，這些載流子會(huì)擴(kuò)散到零位，而不存在阻止電弧放電的 軸向磁場(chǎng)。也可以通過(guò)提供穿過(guò)零位的強(qiáng)氣流，例如大致平行于連 續(xù)材料流動(dòng)的強(qiáng)氣流，以使在這些點(diǎn)上轉(zhuǎn)變成電弧放電的可能性顯 著降低。
為放電路徑提供放電電能脈沖促進(jìn)了 MRDE效應(yīng)的產(chǎn)生，但并 不是在各種情況下都必要。
借助于MRDE效應(yīng)，可以在連續(xù)材^l"表面上以連續(xù)的方式獲得 小至約1 W/cm2,大至不低于2kW/cn^的極高的等離子處理密度， 并且沒(méi)有物理中斷現(xiàn)象發(fā)生，且放電沒(méi)有在空間或時(shí)間上變得不穩(wěn) 定。
MRDE是一種放電形式，其中在靠近外電極的區(qū)域中產(chǎn)生移動(dòng) (旋轉(zhuǎn))地放電情況，所述放電總是緊密的出現(xiàn)(因此要求連續(xù)材 料至少幾乎被磁場(chǎng)完全包圍)。然而，在靠近連續(xù)材料的內(nèi)部區(qū)域 中，這種密封狀態(tài)被"吹散，，，從而不是對(duì)連續(xù)材料螺旋地進(jìn)行處 理，而是以平面的方式均勻地進(jìn)行處理。為了實(shí)現(xiàn)這種靠近連續(xù)材 料的放電特性，重要的是，載流子(至少是電子)的曲率半徑小于 或等于(由氣壓導(dǎo)致的)自由行程。
下面的特性將新的放電形式MRDE與目前已知的放電形式區(qū)分 開(kāi)，特別是與那些在相同壓力范圍內(nèi)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的放電形式 區(qū)分開(kāi)
通常作為電極連接的連續(xù)材料的表面被均勻地處理(輝光特性)， 在非常小的功率密度下穩(wěn)定地灼燒(輝光特性)，并可以連續(xù)操作
直至達(dá)到kW/cm、范圍內(nèi)極高的處理密度(明顯屬于電弧放電范圍)，
29而當(dāng)耦合的功率增長(zhǎng)時(shí)，放電分布沒(méi)有任何明顯變化(既不是電弧放電特 性也不是輝光放電特性)。
為了產(chǎn)生MRDE效應(yīng)，外電極必須幾乎完全包圍連續(xù)材料。這種情 況無(wú)法用任何已知的輝光放電的電磁效應(yīng)來(lái)解釋。在實(shí)驗(yàn)中，在相同的氣 氛(氦氣、氬氣或者氮?dú)?，單位?shù)在毫巴的范圍內(nèi))和相同的氣流以及使 用相同的磁場(chǎng)組件(600mT,與連續(xù)材料的縱向平行)的條件下，對(duì)連續(xù) 材料上的外電極的幾何形狀的影響進(jìn)行了測(cè)試，所述連續(xù)材料由橫截面為 圓形的金屬絲構(gòu)成，所述金屬絲的直徑為1.2毫米并由非磁性的不銹鋼制 成。通過(guò)在一個(gè)內(nèi)徑為41毫米的冷卻的非磁性不銹鋼管的內(nèi)壁上不完全 地覆蓋一個(gè)或兩個(gè)硅玻管而制成外電極，由此使其部分絕緣。不銹鋼管上 露出的區(qū)域作為外電極。兩個(gè)組件相比，其中在第一個(gè)組件中，露出的電 極表面為在兩個(gè)硅玻管之間垂直地切除8mm的長(zhǎng)度所形成的環(huán)，從而形 成一個(gè)直徑為41mm高度為8mm的圓筒，作為外電極。在第二個(gè)組件中， 以具有兩個(gè)切口的單硅玻管覆蓋不銹鋼管的內(nèi)表面，這兩個(gè)切口限定了露 出的外電極表面。所述切口為兩個(gè)50mm長(zhǎng)1 Omm寬的縱向切槽，并且彼 此相對(duì)地設(shè)置。外電極表面的尺寸大致相同，并且外電極的總邊長(zhǎng)大致相 等，從而保證兩個(gè)組件中露出的電極表面處于磁場(chǎng)大致相同、均一的同等 位置上。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，可能會(huì)認(rèn)為兩個(gè)組件以相似的方式工作。然而， (在氦氣，3毫巴時(shí))觀察到，在等離子電壓為800V的第二組件中，電 流不超過(guò)200mA，而在第一組件中，在較低的電壓(大約600V)下電流 就已經(jīng)超過(guò)了 IOA，而其它條件完全相同。當(dāng)以氬氣作為氣氛時(shí)，相似的 情況在趨勢(shì)上變得更明顯，然而，由于氬氣更強(qiáng)烈的趨向于電弧放電，不 宜使用太高的電流。當(dāng)采用氮?dú)鈺r(shí)，過(guò)程與采用氦氣時(shí)相似，只是電弧下 降電壓略高。然而，由于表面的硝化作用，實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)性受到影響。然而， 本實(shí)驗(yàn)清楚地證明，新的放電形式是由至少在外部空間(帶電氣體微粒的 偏轉(zhuǎn)總會(huì)導(dǎo)致放電塊角速度的明顯不同，所述偏轉(zhuǎn)取決于氣體微粒到連續(xù) 材料的距離)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)放電狀態(tài)(很可能是密封的)而引起，而不是由 那些基于帶電微粒在至少與容器尺寸相當(dāng)?shù)穆窂缴系能壽E的可預(yù)測(cè)性的 效果而引起，例如上述磁性效果。
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權(quán)利要求
1. 一種用于連續(xù)材料的等離子處理設(shè)備，包括至少一個(gè)可抽真空的放電室(3a)，連續(xù)材料(1)被連續(xù)地運(yùn)送穿過(guò)該放電室，各放電室(3a)具有外電極(5，51-57)，所述的外電極相對(duì)連續(xù)材料電絕緣設(shè)置，還包括用于設(shè)定至少一個(gè)放電室內(nèi)的氣氛的裝置和用于將放電能輸送到放電路徑(G)的供能裝置(30)，所述的放電路徑界定于各個(gè)獨(dú)立的放電室的外電極與作為內(nèi)電極的連續(xù)材料之間，其特征在于，供能裝置(30)是一個(gè)以脈沖形式釋放放電能的固有電流源，該電流源包括至少一個(gè)用作儲(chǔ)能元件的電感(32)，所述儲(chǔ)能元件和與之配屬的放電路徑(G)相連，或依次和與之配屬的多個(gè)放電路徑相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，在一個(gè)能量輸出 脈沖內(nèi)，至少一個(gè)電感(32)總是與正好一個(gè)放電路徑(G)相連， 并且優(yōu)選在能量輸出脈沖間隔內(nèi)完成不同放電路徑的轉(zhuǎn)換。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，電感(32) 僅在能量輸出脈沖內(nèi)充電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，電感(32) 僅在能量輸出脈沖間隔內(nèi)充電。
5. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，供能裝置 (30)具有輸出限壓電路(33)。
6. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，供能裝置 具有電子轉(zhuǎn)換電路，用于將任何所需極性的能量脈沖輸送給放電路 徑。
7. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，在至少一 個(gè)供能裝置的電感與至少一個(gè)放電室之間設(shè)置至少一個(gè)補(bǔ)償電路， 以分別抑制或補(bǔ)償寄生高頻效應(yīng)及其影響，例如，導(dǎo)線的電感，放 電室和電極各自的電容，等等。
8. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，依次設(shè)置多個(gè)放電室，所述連續(xù)材料穿過(guò)該放電室，而不在放電室內(nèi)或放電 室之間產(chǎn)生接觸。
9. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供高效 磁體組件(6, 6，)，該磁體組件在外電極(5)的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生至少為 120mT，優(yōu)選至少為400mT,最佳至少為700mT的強(qiáng)-磁場(chǎng)，所述》茲 場(chǎng)的方向與連續(xù)材料基本平行。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述高效磁體組 件(6，)設(shè)計(jì)為用于產(chǎn)生在其整個(gè)縱向延伸過(guò)程中基本均勻分布的磁 場(chǎng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述高效磁體 組件(6，)為包圍外電極并且與連續(xù)材料(1 )基本同軸設(shè)置的線圈(63),該線圏優(yōu)選設(shè)計(jì)為冷卻式，特別是液冷式線圏，可選用超 導(dǎo)電磁體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述高效磁體組 件(6)設(shè)計(jì)為用于產(chǎn)生在其整個(gè)縱向延伸過(guò)程上不均勻分布的磁場(chǎng)， 并且該磁場(chǎng)的最大值決定了連續(xù)材料處理強(qiáng)度的最大值。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述高效磁體 組件(6 )設(shè)計(jì)為永/磁體組件，該組件特別地由各向異性的永磁體(61 ) 組成，優(yōu)選由釹鐵硼(NdFeB)永磁體制成，該永》茲體基本形成具有多 邊形橫截面的棱柱的側(cè)壁。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)置鐵軛元件 (62),其用于集中氣體放電區(qū)域內(nèi)永磁體裝置(6)的磁場(chǎng)，而所述永磁體的》茲化方向優(yōu)選基本沿著棱柱的橫截面的徑向。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9至14其中之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述外電極(5)在其縱向延伸上不超出磁場(chǎng)范圍。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9至14其中之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述外電極(5)在其縱向延伸上至少在一側(cè)超出磁場(chǎng)范圍。
17. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，在連續(xù)材 料的橫截面投影上，所述外電極(5, 51-55， 56, 57 )從視覺(jué)上基本完全將連續(xù)材料緊密包圍。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述外電極(5) 界定了放電室部分，并且優(yōu)選為冷卻式，特別是液冷式的。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，其特征在于，所述外電 極(5， 51-57)的橫截面積與連續(xù)材料(1)的最小凸起包圍的橫截 面積之間的比例至少為4'. 1,最好至少為10: 1，并優(yōu)選為至少為 20: 1。
20. 根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一所述的設(shè)備，其特征在于，所 述用于在至少一個(gè)放電室中設(shè)定氣氛的裝置設(shè)計(jì)為用于在氣體放電 室區(qū)域內(nèi)生成氣流，該氣流具有沿連續(xù)材料縱向的流速分量，在氣 體放電室區(qū)域中磁場(chǎng)分別以不完全或i茲場(chǎng)遞減方式包圍連續(xù)材料。
21. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，放電室內(nèi) 的壓力設(shè)定為0.1至100毫巴，更優(yōu)選為0.5至50毫巴，最佳為1 至10毫巴。
22. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中用于設(shè)定氣氛的裝 置包括前室系統(tǒng)和/或后室系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)的各室之間設(shè)有閘門(mén)開(kāi) 口，連續(xù)材料可以穿過(guò)所述開(kāi)口 ，其特征在于，將至少一個(gè)閘門(mén)開(kāi) 口i殳計(jì)成通道(41),該通道的長(zhǎng)度與通道的內(nèi)徑之間的比例至少 為2: 1,優(yōu)選至少為4: 1，并且可以將所述開(kāi)口i殳計(jì)為獨(dú)立構(gòu)件以 及其他構(gòu)件的特殊實(shí)施方式。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，將所述閘門(mén)設(shè) 計(jì)成通道(41)，其兩邊均為負(fù)壓并具有不同的氣體成分。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于 設(shè)定氣氛的裝置具有回收系統(tǒng)，其中氣體可以從后室回流到前室和/ 或壓力值更高的后室。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，所述前室被劃 分為多個(gè)子室并且/或者后室系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的后室組成，在所述子 室與后室之間分別設(shè)有閘門(mén)開(kāi)口 ，連續(xù)材料能夠以較低摩擦被51導(dǎo) 經(jīng)由所述開(kāi)口分別穿過(guò)子室和后室。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)材料(1)的等離子處理的設(shè)備，包括至少一個(gè)可抽真空的放電室(3a)，連續(xù)材料(1)可以穿過(guò)該放電室被連續(xù)運(yùn)送，其中供能裝置(30)將放電能輸送到放電路徑(G)，所述放電路徑界定于各放電室的外電極(5，51-57)與作為內(nèi)電極的連續(xù)材料之間。所述供能裝置設(shè)計(jì)為以脈沖形式釋放放電能的固有電流源，該電流源包括至少一個(gè)用作儲(chǔ)能元件的電感(32)，所述儲(chǔ)能元件和與之配屬的放電路徑(G)相連，或和與之配屬的多個(gè)放電路徑依次相連。該設(shè)備分別大大地提高了能量轉(zhuǎn)換和處理的均一性，并且能夠處理受污染并非常熱的連續(xù)材料。能夠使多個(gè)放電室串聯(lián)并且不與連續(xù)材料接觸，由此可以進(jìn)行敏感的物理等離子處理。通過(guò)圍繞連續(xù)材料(1)施加強(qiáng)磁場(chǎng)(M)，功率的轉(zhuǎn)換以及處理的均一性得到進(jìn)一步提高。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101490793SQ200680039443
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者彼得·齊格, 普利莫茲·艾澤爾特 申請(qǐng)人:彼得·齊格;普利莫茲·艾澤爾特