圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置的制造方法
【專利摘要】一種用于材料表面沉積鍍膜的圓形靶陰極真空電弧等離子體磁過濾矩形引出裝置，該裝置由一個矩形口梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈構(gòu)成一個梯形通電螺線管。為了克服圓形陰極靶材的陰極真空電弧源所產(chǎn)生的圓形束斑等離子體對長條狀、大面積和卷材類工件鍍膜處理能力的不足，本發(fā)明提供了一種等離子體磁過濾矩形引出裝置，能夠?qū)A形束斑的離子束轉(zhuǎn)化為矩形束斑的離子束。該裝置不僅能夠與圓截面磁過濾彎管相連構(gòu)成磁過濾等離子體矩形引出裝置，而且能夠直接與圓形靶陰極真空電弧源連接引出矩形等離子體束。該裝置適于對長條狀、大面積和卷材類工件進(jìn)行沉積鍍膜，提高等離子體的利用效率和膜層的質(zhì)量。
【專利說明】
圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種圓形靶陰極真空電弧等離子體沉積鍍膜的磁過濾矩形引出裝置。其特征是該裝置由一個矩形口的梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈構(gòu)成一個梯形通電螺線管。等離子體由梯形的小口端進(jìn)入，在磁場的約束和引導(dǎo)下呈扇形均勻發(fā)散，從梯形的大口端引出，得到一個大面積矩形等離子體束。該裝置可以將圓形束斑的等離子體束轉(zhuǎn)化為矩形束斑的等離子體束，不僅能夠與圓截面的磁過濾彎管相連構(gòu)成磁過濾等離子體矩形引出裝置，而且能夠直接與圓形靶陰極真空電弧源連接引出矩形等離子體束。提高陰極真空電弧等離子體沉積鍍膜的等離子體的利用效率和鍍層的均勻性。
【背景技術(shù)】
[0002]離子束材料表面改性技術(shù)是目前先進(jìn)的材料表面處理技術(shù)之一。陰極真空電弧源因其引出束流大，離化率高，能夠引出離子種類多等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于材料表面改性領(lǐng)域，其中離子束沉積、離子注入是最主要的兩個應(yīng)用。文獻(xiàn)《強流金屬離子束材料表面改性研究》，張通和，梁宏，馬芙蓉，1997，14(3)描述了離子注入對材料表面改性研究與應(yīng)用已經(jīng)并正在發(fā)揮重要而深遠(yuǎn)的影響。陰極真空電弧源是在高真空條件下，利用陰陽極間的弧放電產(chǎn)生等離子體，因而可以用于等離子體沉積鍍膜，這就是常規(guī)的電弧離子鍍。由于放電劇烈，在等離子體產(chǎn)生的同時將會產(chǎn)生許多金屬顆粒，極大的影響了膜層的質(zhì)量。文獻(xiàn)《Review of the filtered vacuum arc process and materials deposit1n》P.J.Martin_, A.Bendavid.Thin Solid Films 394 (2001) 1-15 報道了陰極真空電弧大顆粒的過濾方法，包括直管過濾法、機械屏蔽法、彎管磁過濾法、靜電偏轉(zhuǎn)法等。彎管磁過濾法相比其他過濾方法是一種簡單有效的過濾方法，能夠有效的過濾掉等離子體中的大顆粒從而制備高質(zhì)量、致密、光滑的涂層。針對圓形陰極靶材的陰極真空電弧源，通常采用圓截面彎管磁過濾裝置，能夠很好的過濾掉大顆粒制備高性能的涂層。圓形陰極靶材的陰極真空電弧磁過濾裝置采用圓形截面的過濾管道，使得等離子體的引出束斑為圓形。對于長條狀，大面積和卷材類工件的表面處理，通常采用多個弧源和多套圓截面彎管磁過濾裝置同時工作來解決單個圓形束斑鍍膜處理能力的不足。但采用這種方案不僅設(shè)備復(fù)雜、成本昂貴，而且工件表面鍍膜層的質(zhì)量和厚度不均勾。文獻(xiàn)《Approaches to rid cathodic arcplasmas of macro-and nanoparticles:a review》，Andre’Anders，Surface and CoatingsTechnology，120-121 (1999) 319-330報道了多種磁過濾器形式，其中包括引出矩形等離子體束的裝置，但需要采用矩形陰極靶材或圓柱形陰極靶材，采用這些方法電弧控制復(fù)雜，靶材消耗不均勻，同時需要采用復(fù)雜的矩形磁過濾裝置。圓形陰極靶材的陰極真空電弧源結(jié)構(gòu)簡單，電弧容易控制，得到廣泛應(yīng)用。針對圓形陰極靶材的陰極真空電弧源采用圓形截面的磁過濾管道，使得等離子體的引出束斑為圓形，不適于對長條狀、大面積和卷材類工件作鍍膜處理的缺點，發(fā)明了圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服圓形陰極靶材的陰極真空電弧源所產(chǎn)生的圓形束斑等離子體不適于對長條狀、大面積和卷材類工件鍍膜處理的不足，本發(fā)明提供了一種圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置。該裝置由一個矩形口梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈組成，構(gòu)成一個梯形通電螺線管。等離子體由梯形的小口端進(jìn)入，在磁場的約束和引導(dǎo)下呈扇形均勻發(fā)散，從梯形的大口端引出后得到一個大面積矩形等離子體束斑。該裝置可以將圓形束斑的等離子體束轉(zhuǎn)化為矩形束斑的等離子體束，不僅能夠與圓截面磁過濾彎管相連構(gòu)成磁過濾等離子體矩形引出裝置，而且能夠直接與圓形靶陰極真空電弧源連接引出矩形束斑的等離子體束。該裝置適合對長條狀、大面積和卷材類工件進(jìn)行鍍膜，實現(xiàn)對長條狀或卷材類工件的批量鍍膜處理。同時提高等離子體的利用效率和膜層質(zhì)量以及膜層均勻性。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置由由一個矩形口的梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈組成，構(gòu)成一個梯形通電螺線管。管道截面成矩形。梯形管道的小口端經(jīng)合理裝配方式(例如連接法蘭、焊接等)與磁過濾彎管或者弧源連接，梯形管道的大口端經(jīng)合理裝配方式(例如連接法蘭、焊接等)與真空室連接，組成陰極真空弧等離子體磁過濾鍍膜裝置。連接處應(yīng)保證良好的氣密性。梯形管道采用無磁性金屬材料(例如銅、無磁不銹鋼、鋁等)制造，管道本身具有良好的氣密性。梯形通電螺線管通電后產(chǎn)生磁場用于磁化等離子體。等離子體從梯形管道小口端進(jìn)入沿著磁力線呈扇形發(fā)散后由梯形管道的大口端引出，再進(jìn)入真空室。由于磁力線方向與電流方向垂直，為了使等離子體沿磁力線均勻發(fā)散，梯形管道外的磁場線圈以合適的曲率半徑凸向大口端呈弧形繞制(稱為圓弧繞制)，使磁力線呈扇形均勻發(fā)散。根據(jù)實際工作的需要，梯形管道長度、出口端高度和寬度的尺寸可適當(dāng)調(diào)整。此外，梯形管道需要合適的冷卻措施以確保正常工作。管道可以采用夾層直接通以冷卻液(水、油等)，或者采用細(xì)銅管繞制線包通冷卻液，或者采用導(dǎo)熱性好的材料制造管道，在合適的位置(例如管道兩端的法蘭)冷卻。
[0005]本發(fā)明的有益效果是:該裝置能夠?qū)A形束斑的等離子體束轉(zhuǎn)化為矩形束斑的等離子體束，從而獲得大面積矩形束斑。而且該裝置引出的矩形等離子體束均勻性好，適合對長條狀、大面積、卷材類工件進(jìn)行鍍膜處理，獲得高質(zhì)量的膜層。
【附圖說明】
[0006]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0007]圖1:是本發(fā)明的矩引出裝置的正視示意圖
[0008]圖2:是圖1中矩形引出裝置的左視圖
[0009]圖3:是圖1中矩形引出裝置的右視圖
[0010]圖4:是本發(fā)明的矩形引出裝置的一個實施例
[0011]圖中
[0012]1:梯形管道小口端2:圓形連接法蘭3:梯形管道大口端4:磁場線圈5:矩形連接法蘭。
【具體實施方式】
[0013]圖1所示是本發(fā)明圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置的正視示意圖。本發(fā)明由一個矩形口梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈組成。梯形管道的兩端設(shè)計有適當(dāng)?shù)倪B接措施(法蘭或焊接等其他密封連接)。梯形管道的矩形口大小和梯形管道長度尺寸可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。由于磁力線的方向與電流方向垂直，為了使等離子體沿磁力線呈扇形均勻發(fā)散，梯形管道外的磁場線圈呈圓弧狀弧形繞制，使得磁力線呈扇形均勻發(fā)散。磁場線圈勵磁電流的大小可以根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。梯形管道設(shè)計有合適的冷卻措施。
[0014]在圖1中，該矩形引出裝置由梯形管道小口端(1)、兩個連接法蘭(2，5)、梯形管道大口端(3)、磁場線圈(4)組成梯形通電螺線管；如圖2所示是圖1中矩形引出裝置的左視圖，由梯形管道小口端⑴、連接法蘭(2，5)、磁場線圈⑷組成；如圖3所示是圖1中矩形引出裝置的右視圖，由梯形管道大口端(3)、連接法蘭(2，5)、磁場線圈(4)組成。該矩形引出裝置的梯形管道小口端(I)通過圓形連接法蘭(2)與磁過濾彎管或弧源密封連接，梯形管道大口端(3)通過矩形連接法蘭(5)與真空室密封連接。等離子體從梯形管道小口端(I)進(jìn)入，受磁場線圈(4)產(chǎn)生的磁場約束和引導(dǎo)，沿磁力線呈扇形均勻發(fā)散，再從梯形管道大口端⑶引出進(jìn)入真空室。磁場線圈⑷的勵磁電流大小能夠按實際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0015]在圖4所示的實時例中，該矩形引出裝置由兩個連接法蘭(2，5)、磁場線圈(4)和一個梯形管道組成通電螺線管。梯形管道小口端的圓形連接法蘭⑵為?260mm厚18mm，小口端開口為175mm*128mm的矩形開口 ；梯形管道大口端的矩形連接法蘭為350mm*170mm*18mm，大口端開口為305mm*128mm的矩形開口。梯形管道的有效長度(即梯形的高)為380_。梯形管道與連接法蘭采用不銹鋼制作，通過焊接連接起來。管道外壁點焊有薄銅皮將熱量快速傳導(dǎo)到兩端的法蘭處，在連接法蘭上設(shè)計有冷卻水通過的回路進(jìn)行冷卻。梯形管道外繞制的線圈安匝數(shù)為75安匝/厘米，磁場線圈(4)的勵磁電流IA到5A可調(diào)。等離子體經(jīng)梯形管道的小口端進(jìn)入被磁場磁化，沿著磁力線運動呈扇形均勻發(fā)散，再經(jīng)梯形管道大口端引出，獲得矩形等離子體束，從而能夠獲得大面積矩形束斑。圖中示意了等離子體的運動方向和發(fā)散情況。
【主權(quán)項】
1.一種圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置，其特征是:該裝置由一個矩形口梯形管道和圓弧繞制的磁場線圈構(gòu)成的梯形通電螺線管，能夠?qū)A形束斑的等離子體束轉(zhuǎn)化為矩形束斑的等離子體束。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置，其特征是:梯形管道外的磁場線圈圓弧形繞制，圓弧的曲率可以根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。勵磁電流大小可調(diào)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置，其特征是:矩形口梯形管道為無磁性金屬材料制造，管道本身具有良好的氣密性。梯形管道長度、小口端和大口端的高度寬度尺寸根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置，其特征是:該裝置通過合適的連接方式(法蘭，焊接等)與過濾管道或弧源、真空室連接，組成陰極真空弧等離子體磁過濾鍍膜裝置，連接處應(yīng)該有良好的氣密性。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓形靶陰極真空電弧源等離子體磁過濾矩形引出裝置，其特征是:該裝置必須要有合適的冷卻措施以確保正常工作。
【文檔編號】C23C14/56GK105887035SQ201410805548
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月23日
【發(fā)明人】吳先映, 黃杰, 廖斌, 張薈星, 肖天慶
【申請人】北京師范大學(xué)