專利名稱：使用脈沖粒束的聚合物表面處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是在美國能源部合同DE-AC04-94AL8500下由美國政府支持進行的。政府在本發(fā)明中擁有一定的權利。
本發(fā)明涉及一個使用具有足夠束流量密度的高密度脈沖離子束處理聚合物表面和近表面的方法，以便在受過處理的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)交聯(lián)、熱解、蝕刻或腐蝕聚合物的各種效應。更特別是，離子束脈沖的特征在于脈沖寬度小于每個空間連續(xù)脈沖10微秒、束密度0.01-10J/cm2，而離子能量一般大于25keV。本申請是同待批的專利申請?zhí)?8/153、248(1993.11.16發(fā)布)的延續(xù)部分，它已給予本發(fā)明的受讓人。
使用高能粒子或量子束改進聚合物已經(jīng)被人們所了解，而且已經(jīng)使用象放射性元素(如60Co)的輻射衰減產(chǎn)物和電子束這樣的粒子源進行了多年實踐，其中電子束從連續(xù)和脈沖束源中產(chǎn)生。典型離子束聚合物處理使用由昂貴的研究加速器產(chǎn)生的高能離子源，例如用線性加速器(linacs)或Van de Graff加速器產(chǎn)生離子源，它們是昂貴的而且產(chǎn)生很低的劑量率，盡管它們作為研究用診斷工具是有用的，但不適合用于商業(yè)處理。電子束(一般＞1MeV電子)被用于發(fā)送最大幾百Mrad/小時的劑量率結(jié)聚合物。量子(10-30＜V)也已被用于通過引起化學反應束處理聚合物表面。還有，高能量子(8)源(例如，帶有1-3.5MeV量子的60Co)最常用于聚合物的商業(yè)輻射。這些技術已經(jīng)證明，在數(shù)量級10-100Mrad劑量水平上的高能粒子能對聚合物產(chǎn)生有益的改變，包括改進韌度、抗溶解力并且增加粘著力，以及改變光密度和導電性。
盡管目前的技術已被證明在許多聚合物處理應用中是有價值的，但這些處理方法有一些缺陷。
這種處理一般延伸入材料之中(例如，1MeV電子的范圍大約為0.5cm，MeV量子的范圍>>cm)。這種比較深的處理需要大的總處理劑量，以產(chǎn)生顯著效果。這是因為使用現(xiàn)有的處理方法難于獲得高流量密度的低能粒子，而且還存在由高水準的連續(xù)輻射所導致的表面加熱的問題。
以上所述的用于聚合物輻射的任一種技術都會沿受能量吸收影響的區(qū)域產(chǎn)生反應產(chǎn)品，例如產(chǎn)生自由原子團、受電離分子并且破壞了連接，其中能量吸收是由粒子移過聚合物產(chǎn)生的。這種反應產(chǎn)品之前的相互作用都會在聚合物之內(nèi)增加預期化學反應的速率(例如交聯(lián))，并且能產(chǎn)生不正常反應，該反應一般是由碳一碳鏈合的相對穩(wěn)定性消除。但是，使用目前技術得到的低劑量率消除了這種相互作用，因為反應產(chǎn)物的密度過低。即使總劑量大得足以產(chǎn)生間距低的軌跡(花費數(shù)分鐘到數(shù)小時)，相鄰軌跡形成之間的時間小于許多反應產(chǎn)品的典型再組合壽命(對于離子和激活狀態(tài)是＜1微秒，對于自由原子團是＞1μs或更大)。這意味著由反應產(chǎn)物密度高導致的反應產(chǎn)物之間相互作用增加的優(yōu)點，在使用當前技術時無法認識到。
目前技術也不能產(chǎn)生足夠的劑量率來對聚合物表面進行有效熱分解(清除氮和氧)或蝕刻(通過快速加熱表面材料超過它開始氣化的那點溫度，來清除材料)，而不會顯著影響下面的材料。另外，發(fā)送給聚合物表面區(qū)的高脈沖粒子劑量還能以目前技術不能支持的方式改進近表面區(qū)的布局(例如，通過產(chǎn)生一個較不平的表面構造)。
以前工藝技術的局限性被本發(fā)明所克服。向聚合物表面和近表面區(qū)域施加高密度粒子脈沖的優(yōu)點同時在聚合物的被處理區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高密度的離子軌跡激勵區(qū)，同時限制了這種激勵所需的總能量吸收。另外，本發(fā)明有可能有效地處理掉輻射所產(chǎn)生的熱量，并且有可能得出一個能量較有效的輻射措施。
以上能力及其伴隨的優(yōu)點由下面這個處理方法可認識到，這個處理方法應用高密度脈沖粒子束處理聚合物的表面和近表面區(qū)。脈沖離子束特別有用，其原因下面將作清楚的說明。每個在空間上延續(xù)的離子束脈沖在小于10微秒的時間內(nèi)把一個一般0.01-10J/cm2流量密度的可選擇的離子種類發(fā)送到聚合物表面中。這個水平的離子流量密度在聚合物內(nèi)產(chǎn)生足夠的離子軌跡密度，這樣通過與高能離子相互作用而激勵的聚合物分子的真正比率(即，斷開的聯(lián)接、自由原子團、受激聯(lián)接狀態(tài)等)能直接與其它的受激聚合物分子反應，由此創(chuàng)造了一個不象任何常規(guī)環(huán)境的用于交聯(lián)和其它化學反應的環(huán)境。
用這種方法處理的比較薄的聚合物表面區(qū)域瞬間升高到相當高的溫度，然后通過快速地把熱量傳導到聚合物的下部來快速冷卻，而不會產(chǎn)生不利影響，這種不利影響是由以前的工藝技術所必須的較長的時間間隙的加熱周期所引起的。因此，脈沖離子束處理對于蝕刻或腐蝕掉聚合物表面未受保護部分是有用的，對于熱電解聚合物表面及改變聚合物表面的幾何構形和布局也是有用的，而且包括熱激活聚合物內(nèi)的化學變化。


圖1是用脈沖離子束進行輻射的聚合物表面的部分橫剖面視圖2是一幅使用X射線光電發(fā)射光譜學獲得的給出了以Kapton的結(jié)合能為函數(shù)的各狀態(tài)標準化密度的曲線圖，其中有帶有和不帶有含氧化學涂層這兩種情況，論證了Kapton中氧含量的變化；圖3是一幅以受到處理和未受處理的聚碳酸酯的波數(shù)為函數(shù)給出的吸收率示意圖(使用傅利葉變換紅外光譜學測量)，又一次論證了處理前后聚合物化學萬分中的變化；圖4是一幅顯微照相圖片，示出了聚丙烯表面在輻射后表面結(jié)構中的變化；圖5是一幅柱狀圖表，示出了隨離子束輻射等級的變化，聚碳酸酯表面的改進粘著力特性，低≈0.1J/cm2，中≈0.5J/cm2，高≈1.2J/cm2；圖6A是一幅掃描電子顯微照相圖片，示出了一個未受處理的聚乙烯表面；圖6B是一幅掃描電子顯微照相圖，示出了同樣的聚乙烯表面(取自圖6A中的同一批)在用0.5-1.0J/cm2離子束處理后的情況；圖7是一幅RHEPP脈沖動力系統(tǒng)的示意圖；圖7A是一幅用在圖7脈沖動力系統(tǒng)中的脈沖壓縮系統(tǒng)的電路圖；圖7B是一幅脈沖成形線部件的橫剖面圖；圖7C是一幅線性感應電壓加法器(LIVA)的橫剖面圖；圖8是一幅磁約束正極等離子體(MAP)源的局部橫剖面圖；圖8A是圖8的改進視圖，示出了MAP源中快和慢線圈產(chǎn)生的磁場線；圖8B是圖8一部分的放大圖，示出了氣體入口閥和氣體入口通道；圖8C是快線圈電路的示意圖；和圖9是一幅MAP離子二極管整個橫剖面的示意圖。
本文中的發(fā)明用以下兩種技術中的任一種最容易執(zhí)行，即離子束表面處理(IBEST)和電子束表面處理(EBEST)，如圖1所示。IBEST和EBEST通過提供一種產(chǎn)生大量可選擇粒子種類有活力的流量密度(10.01-10J/cm2)的方法，避免以上所列出的問題，其中粒子具有的能量在脈沖長度內(nèi)一般＞25keV，而脈沖長度的范圍從幾毫微秒到幾微秒。這種新功能的價值依賴于幾個因素。
IBEST使用脈沖動力和密離子束技術處理聚合物表面，它具有密的但卻相對短的離子脈沖。在比較低的重復頻率(＜1Hz)下在單個或幾個脈沖激發(fā)中產(chǎn)生這種離子脈沖的能力已經(jīng)存在幾個了，但是這種脈沖的潛在優(yōu)點以前未被大家所認識。缺乏這種認識可能是因為這些技術不能被開發(fā)為有吸引力的商業(yè)處理，部分因為關鍵部件的非常有限的壽命(＜1000次脈沖)以及部分因為極其有限的平均功率。
一種能體現(xiàn)并增加了這種處理的新功能就是把RHEPP I和RHEPP II(在Sandia國家實驗室開發(fā)的)所驗證的重復脈沖動力與磁約束正極等離子體離子束系統(tǒng)的驗證的重復密離子束技術結(jié)合在一起。我們能使用這種方法向聚合物表面產(chǎn)生并發(fā)送密離子脈沖。RHEPP/MAP技術是這種新功能的一個代表實例。這些技術聯(lián)合提供了一種新的可行的商業(yè)方法，以便在短時間間隔的密脈沖(約30μsec～10μsec)內(nèi)以幾十keV到MeV的離子動能發(fā)送最大幾百kW或更大的平均離子動力。這種離子束效應能產(chǎn)生以上所述的效果。這些參數(shù)允許對具有壽命(>>1000脈沖)系統(tǒng)的大體積聚合物進行低成本(在lcent/sq.ft的數(shù)量級)處理。這種功能是其性質(zhì)中最重要的。
通過選擇不同種離子和不同動能，能選擇處理的深度。在許多情況中，最好是僅處理聚合物的近表面區(qū)域，目的是提供一個具有改進粘著特性的較結(jié)實、抗刮傷和抗溶解的表面。對于這種表面處理應用，可能僅需要處理近表面區(qū)域，深度大概幾個微米。相形之下，一個高能脈沖電子束當電子停止在聚合物中之前，將在幾毫米的數(shù)量級上產(chǎn)生作用。因此，由于僅處理這種深度就能使用高能離子脈沖并且能調(diào)節(jié)離子能量種類，使我們能大大降低(一般最大減少到原來的千分之一)單位面積所需的能量，同時還能使近表面的特性得到所希望的改進。
使用高能離子束脈沖有其它一些優(yōu)點。在幾毫微秒到幾微秒之間發(fā)送一個短的高密度離子脈沖(0.01-10J/cm2)的能力，對近表面區(qū)域產(chǎn)生了較均勻的高密度處理，在該區(qū)域中與高能離子反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物(例如，聚合物離子，受激狀態(tài)和自由原子團)能直接與其它的這種反應產(chǎn)物以及與未受激聚合物分子相互作用。這種方式的化學反應與低離子密度的情況形成了對比，該情況中離子引發(fā)的反應產(chǎn)品僅僅與未受激聚合物的分子相互作用。沒有任何現(xiàn)今的技術能在產(chǎn)生希望的高密度處理所需的幾個數(shù)量級的范圍，這到這些條件。這種新功能已經(jīng)被證明在聚合物的化學性質(zhì)和粘合結(jié)構中產(chǎn)生變化(圖2和3)，而且已被證明改進了涂層對不同聚合物表面的粘著力(圖4和5)。這種新技術還能產(chǎn)生新的表面布局、成分、化學性質(zhì)和粘接結(jié)構，這部分由于這種新型的高密度處理能力。
根據(jù)一個大家所熟知的計算機模擬軟件包TRIM-90，由移過聚碳酸酯(密度為1.2g/cm3)的一個400keV H+離子產(chǎn)生的局部劑量大約是每個放射H+離子是1.3×10-10J/g(1.3×10-5rad)。在400keV時一個0.25J的H+脈沖含有4×1012個離子。為于5×108Mrad/S的劑量速率，這最終得出以100ns發(fā)送的大約50Mrad的局部劑量。在此期間，聚合物的溫度近似升高500K。繞離子軌跡引起的效應半徑rp(由于電離、激勵引起的，以及由二級電子的形成和它們所引起的電離與激勵所造成的效應，還有由周圍區(qū)域所造成的效應)對于400keV H+近似為15nm?？缭竭@些軌跡效應所需的密度出現(xiàn)在當入射離子密度超過N＝(1/2rp)2＝1×1011/cm2的時候。我們4×1012的入射離子密度大大超過了這個界限，而且將會使反應產(chǎn)物的密度大大增加，這是因為它們是以比沿軌跡形成的反應產(chǎn)物重新組合的時間要短的時標來發(fā)送的。由于跨越軌跡，我們的處理還會產(chǎn)生顯微鏡下的表面均勻處理。
使用高密度脈沖離子束處理聚合物有其它一些方面，這些需要一些分析。在聚碳酸酯上由0.25J/cm2的質(zhì)子脈沖所產(chǎn)生的溫度升高是500°K，如上所述。如果一個脈沖對所希望的處理是足夠的，那么這個水平的溫度升高對于大多數(shù)聚合物就是安全的。但是，如果需多脈沖處理，那么在脈沖之間聚合物表面必須有時間來冷卻，否則溫度升高將會更大，多半會引起顯著的問題。此外，如果該溫度升高被保持的時間過長，那么聚合物可能會受到破壞。此處的實質(zhì)問題就是某些聚合物具有極低的導熱率。
在一種材料中熱量擴散一個長度入的特征時標是Δt≈cρλ2/K此處C是每克聚合物的比熱，ρ是聚合物的密度，而k是聚合物的導熱率。使用這個關系式，人們能輕易地得出這個在聚合物主體上的溫度增加，在約3μsec之后降到大約250°K而在約250μsec后降到僅僅約30°K。很明顯，只要離子重復頻率小于大約每秒103，那么多脈沖就不會造成任何問題，而且我們預期最大值為約1000pps。由一個脈沖所產(chǎn)生的對聚合物的破壞不是一個明顯的問題，但是一種材料對遭受來自這樣普通的溫度升高所造成的顯著破壞肯定會很敏感，其中的溫度升高在大約10微秒的時間內(nèi)被有效遏止。
另一個由熱時標分析得出的問題涉及可被激勵的聚合物近表面區(qū)的厚度。如果有理由的話，可以輻射厚約100μm的區(qū)域。對于這么厚的層，熱時間常數(shù)大約是2毫秒。很明顯這不僅即無法提供快速冷卻也無法大大縮短暴露于熱量中的時間，而且也不代表對在聚合物表面上使用脈沖離子束處理的主要限制。
在一個短脈沖上向表面發(fā)送高流量密度離子的能力使這種處理能用于熱分解(清除掉氧和/或氫)聚合物表面以及蝕刻和修改該表面的幾何形狀。圖6示出了該技術修改表面幾何形狀能力的一個實例，其中聚乙烯表面用近似0.5J/cm2的離子束處理，結(jié)果產(chǎn)生比較均勻排列的具有微米尺寸，大的孔或坑。以這種方式改變聚合物能有益于提供可調(diào)的導電性、增加表面面積、改善涂層的粘著力，而且具有屏蔽，能沿該表面立體地變化這些特性。
這種處理所需的單位面積的折算能量與以重復脈沖為基礎用這種新技術可得到的高密度結(jié)合在一起，首先在低成本水平上用完全無化學的處理改變了聚合物表面的快速處理。據(jù)估算，使用這種技術在成本為1 cent/sq.ft下處理速度有可能大于100se.ft/S。
本發(fā)明提供了獲得高密度自由原子團的能力，甚至達相鄰離子軌跡反應產(chǎn)物效應疊加的狀態(tài)。這提供了一個完全新的要研究的輻射處理領域，其中反應產(chǎn)物更強烈地相互反應，而不是簡單地與聚合物反應。
現(xiàn)有的連續(xù)技術發(fā)送大約500Mrad/小時的劑量(0.14Mrad/S)。以前工藝的脈沖技術基于長脈沖電子束或非常低功率的研究加速器，它們能產(chǎn)生105Mrad/S數(shù)量級的劑量率。這還是太低以至無法產(chǎn)生重疊軌跡。用于處理得出的典型劑量率在1×10-7秒內(nèi)將是100Mrad(＞108Mrad/s)，這比上面的幅值近似快3個數(shù)量級。其效果之一將是，所得出的較高自由原子團密度將會使自由原子團能快速地相應結(jié)合，從而大大增加交聯(lián)和其它反應的效率。使用現(xiàn)有的技術，自由原子團可以數(shù)小時到數(shù)天地保持不結(jié)合，最終在許多情況下與氧結(jié)合，永久地斷開其鏈系并且導致裂開而不是交聯(lián)。
這種把處理局限在表面上的能力將會產(chǎn)生許多能用大大降低的成本進行的應用?，F(xiàn)有技術使用的粒子注入材料的深度要大得多(＞1mm)，而離子束所能達到的僅有幾微米或更小。這個降低的穿透率能導致達到同樣局部處理劑量所需的能量小幾個數(shù)量級，相應地在僅需近表面處理的應用中降低處理成本。
這個處理由于它的密的、脈沖的特性，而容許快速的材料處理。短脈沖使人們能輕易地控制并限制表面的局部劑量和加熱，使它能在脈沖之間冷卻，同時還保持高密度的優(yōu)點。
除反應產(chǎn)物之外，本技術由于它的高密度，因此還能通過改變表面的拓撲結(jié)構來改進聚合物的表面。以各種方式加工在表面上的孔可能是有利的，包括所淀積的薄膜能更容易地機械粘著到粗糙面上。通過表面燒蝕進行的熱分解和蝕刻也是高密度脈沖有可能執(zhí)行的技術。這種處理的短脈沖特征使這些效應能夠在表面附近應用而不會影響下面的材料。
這種短脈沖技術另一個重要的優(yōu)點是聚合物表面能升高到的溫度高于那些能用在長時標處理中的溫度，不會由于加熱而破壞。即只用很短時間加熱到高溫對聚合物不會有衰變影響，而對長時間，類似的溫度將具有這種影響。例如，脈沖激光加熱已經(jīng)證明Kapton能在微秒的周期內(nèi)升高到1000℃。這個優(yōu)點在希望于升高的溫度下進行處理的情況中也具有有益的作。
現(xiàn)在換到附圖1，圖中示出了用本發(fā)明的處理所輻射的聚合物的橫剖面。這個處理依照離子束來描述，但在這種處理中也可使用電子束和γ射線束。脈沖離子束的離子進入聚合物116的表面115，所達深度117由所用特殊離子的種類和動能所決定。就是在這個115與117之間的上部區(qū)域內(nèi)，輻射效應是最明顯的。由離子脈沖在這個區(qū)域所產(chǎn)生的熱量非?？斓財U散到界面117下的聚合物區(qū)域，由此防止了熱量長時期聚集在上區(qū)產(chǎn)生的不利影響。這個圖還示出了另一層材料112，它安置在聚合物116上表面115的上面。這層能是兩個不同類型材料中的一種。如果它用作屏蔽層，它將防止聚合物下面的區(qū)域受輻射的影響。如果它將是聚合物的一個表面涂層，或者是另一種旨在以近乎牢固的方式結(jié)合到或結(jié)合在聚合物上表面上的材料，那么它將是這樣一種材料，離子束穿過這種材料從而把界面115上的這種材料粘在聚合物上，或者換句話說把這種材料熔化或擴散到其中。例如，一個0.4MeV的H+束在聚丙烯中將具有5微米的范圍，而且對于一個10 Mrad的脈沖10.1J/cm2能引起110°K的溫度升高。由此產(chǎn)生的電離和離子束脈沖所引起的聚合物粘接的破壞將形成自由原子團，然后這些自由原子團重新組合，在聚合物表面內(nèi)交聯(lián)聚合物鏈。另外，如果材料112是適當類型的材料，例如環(huán)氧樹脂或另一種聚合物材料，那么它也將受到離子束的處理并粘到下面的聚合物上。
一個30keV的電子束在聚丙烯中具有10微米的范圍，對于10Mrad的脈沖(0.2J/cm2)產(chǎn)生112℃的溫度升高，并且產(chǎn)生類似于以產(chǎn)所述的離子束輻射所產(chǎn)生的那些聚合物變化作用。
圖2是一幅使用X射線光電放射光譜學診斷獲得的曲線圖，示出了在設有輻射的控制條件下，在用低劑量離子束脈沖(一種0.2-0.6MV的碳、電子混合束)輻射之后，以及在用一個低劑量束通過一個50-100nm厚含氧涂層輻射之后，Kapton(聚酰亞胺)聚合物化學性質(zhì)的變化。這個曲線圖表明，Kapton的羧酸度已隨脈沖離子束處理一起有所增加，驗證了處理所引起的化學變化。
圖3是一幅用傅里葉變換器紅外光譜學獲得的曲線圖，示出了在使用脈沖離子束處理之前和之后的聚碳酸酯內(nèi)化學特性的變化。該處理的參數(shù)近似為0.5J/cm2，是以近似200ns的脈沖發(fā)送的混合H+和C+。
圖4是一幅是微照相圖，示出了涂有一微米銅的聚丙烯表面的幾何形狀在已受處理與未被處理區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變過程中的變化。此處的處理參數(shù)如上。對這種材料的其它測試表明，在同樣的受過處理的區(qū)域中改進了銅對聚碳酸酯的粘著力。
圖5是一幅柱狀圖表，示出了對于涂有一微米銅的聚酰酸酯，隨處理密度變化的不同粘著力密度。一個接線柱被連到了銅涂層上，并且直到銅層從聚碳酸酯上分離開后才被撥掉。處理等級是0.1J/cm2(低)、0.5J/cm2(中)、和1.2J/cm2(高)。
圖6A是一幅顯微照相圖，示出了未受處理的聚丙烯表面。圖6B是一幅在0.5-1.0J/cm2內(nèi)處理之后表面的顯微照相圖，它形成了均勻凹痕的表面。這個受過處理的表面體現(xiàn)了增大了的粘著力特性。
本發(fā)明需要一個能發(fā)送必要功率離子束的并且能在大規(guī)模實際工作期間內(nèi)計時的系統(tǒng)。在共同待批的專利申請?zhí)?8/153,248(1993年11月16日公布)、08/317,948(1994年10月4日公布)和08/340,519(1994年11月16日公布)中描述了一種這樣的系統(tǒng)，這些專利全部結(jié)合為本文的參考文獻。下面的論述引用于這些應用，描述了為實踐本發(fā)明，目前所了解的最佳方式。
以下論述描述了一個能用于為各種材料的表面處理產(chǎn)生離子束的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)有兩個主要的子系統(tǒng)，一個脈沖動力源和一個磁約束正極等離子體(MAP)離子二極管。
MAP離子二極管當與重復高能脈沖動力(RHEPP)源結(jié)合在一起時，提供了一個能產(chǎn)生高平均功率的離子束發(fā)生器系統(tǒng)，它能在一個連續(xù)工作周期上重復操作，用于以具有商業(yè)吸引力的成本處理大表面積的材料。特別是，本發(fā)明的離子束發(fā)生器能在0.025-2.5MeV的能量上產(chǎn)生高平均功率(1KW-4MW)脈沖離子束，并且能產(chǎn)生大約10ns-2μs或根據(jù)特殊應用的需要產(chǎn)生更短的脈沖時間間隔或脈沖長度。離子束發(fā)生器能直接在材料的上表面區(qū)域上放置能量。通過變化離子能量和種類以及脈沖長度，能控制處理的深度。MAP離子二極管能與其它動力源結(jié)合在一起，有這些動力源上不存在什么對動力需求的要求。
脈沖離子束發(fā)生系統(tǒng)中基本組成部件是一個小型的、電力有效的、重復脈沖的、磁交換的脈沖動力系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能產(chǎn)生109的脈沖工作循環(huán)，有關它的論述參見H.C.Harjes等人在第八屆國際脈沖動力預備會議(1991)上的論述，以及參見D.C.Johson等人“四階段RHEPP加速器初始測試結(jié)果”第437-440頁和C.Harjes等人所著的“RHEPP 1μs磁脈沖壓縮模塊特性”第787-790頁，后兩篇論文均再版于第九屆IEEE國際脈沖動力會議(1993.7)技術論文摘要中，所有這些文章均結(jié)合為本文的參考文獻。這些參考文獻與下文所作的論述結(jié)合在一起，使這種脈沖動力源的安裝處于目前技術能力的范圍之內(nèi)。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明得出的一個動力系統(tǒng)的框圖。從初級動力輸入開始，有幾個磁脈沖壓縮和電壓疊加階段被用于向這個特定系統(tǒng)的離子束源，以120Hz的頻率發(fā)送最大2.5MV、60ns FWHM、2gKJ脈沖的脈沖動力信號。這個動力系統(tǒng)把當?shù)仉娋W(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成離子束源25能使用的一種形式。
參見圖7，在本發(fā)明的一個實施例中，動力系統(tǒng)包括一個驅(qū)動發(fā)電機10的馬達5。發(fā)電機10把一個信號發(fā)送給有兩個子系統(tǒng)的脈沖壓縮系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)是一個1μs脈沖壓縮機12和另一個是一個脈沖成形線14。脈沖壓縮系統(tǒng)15把脈沖供給一個線性感應電壓加法器LIVA20，LIVA20把這些脈沖發(fā)送給離子束源25。
根據(jù)一個實施例的發(fā)電機10，是一個600kW 120Hz的發(fā)電機。在單極方式中，它提供了電壓為3200Vrms，功率因數(shù)為0.88的210Arms給磁交換脈沖壓縮器系統(tǒng)15。發(fā)電機由一個與當?shù)?80V電網(wǎng)相連的馬達驅(qū)動。此處所用的這個特殊的發(fā)電機是由威斯汀豪斯公司設計并且在Sandia國家實驗室(位于新墨西哥的阿爾伯克)裝配的。有關它的詳細論述參見R.M.Calfo等人所著的論文“連續(xù)工作脈沖交流發(fā)電機”，該文登在第八屆脈沖動力會議錄的第715-718頁(該會于1991年6月在加州圣選哥舉行)。這篇參考文獻完全結(jié)合到本文中，選擇并建選這種特殊的動力系統(tǒng)是因為它比較容易適應各種載荷。其它的動力系統(tǒng)可以使用，而且可能的確更優(yōu)于這種特定的應用。例如，可使用Magna-Amp公司所用的電源，它包括一系列與當?shù)仉娋W(wǎng)相連的通過一個適當大小的整流器供電的組合變壓器。但是本系統(tǒng)已建好而且工作良好。
在一個實施例中，脈沖壓縮系統(tǒng)被分離成兩個子系統(tǒng)，一個是普通的磁脈沖壓縮器12，由許多階段的磁開關(即，可飽和反應器)組成，它的操作是那些對當前技術了解的人所熟知的。在圖7A中更詳細地示出了這個子系統(tǒng)。其每個階段的基本工作就是壓縮從上一階段接到的電壓脈沖的時間寬度(傳遞時間，并增加其幅度。由于有非常低損耗的開關，相對設有什么動力被浪費為熱量，而且當能量逐個階段移動時相對沒有什么減小。有關每個脈沖中的此處這個特殊子系統(tǒng)的詳細描述見H.C.Harjes等人的“RHEPP 1μs磁脈沖壓縮模塊的特性”，該文出現(xiàn)在第9屆IEEE國際脈沖動力會議文集的第787-790(該會于1993年6月在新墨西哥的阿爾伯克“舉行”)。這篇論文完全結(jié)合為本文的參考文獻。根據(jù)這個系統(tǒng)所開發(fā)的這些階段是相當大的。為了節(jié)省空間，有可能用適當設計的硅控整流器(SCR′S)來取代前幾個階段，會完成同樣的脈沖壓縮效果。
這些階段12把發(fā)電機10的輸出轉(zhuǎn)換成一個1μs寬的LC負載波形，然后負載波形被發(fā)送給第二個子系統(tǒng)14，該子系統(tǒng)14由一個脈沖成形線(PFL)部件電組成，其中PFL建立在一個電壓雙Blumein構形中。PFL是一個三軸水絕緣線，它把輸入LC負載波形轉(zhuǎn)換成一個具有15ns設計升高/降低時間以及60ns F HM的平頂梯形脈沖。有關這個部件建造和使用的詳細描述見D.L.J.hnson等人的“四階段RHEPP加速器初始測試結(jié)果”，它登在第9屆1EEE國際脈沖動力會議文集的第437-440頁(該會于1993年6月于新墨西哥的阿爾伯克舉行”)。這篇論文也完全結(jié)合為本文的參考文獻。圖7B示出了FPL的橫剖面圖。
脈沖壓縮系統(tǒng)15能以120Hz的頻率向線性感應電壓疊加器(LIVA)(20)提供單極、250KV、15ms升高時間、60ns完寬半最大值(FWHM)、4KJ的脈沖。在一個較佳實施例中，脈沖壓縮系統(tǒng)15最好應具有＞80％的效率，并且由具有很長壽命(約109-1010個脈沖)的高可靠性部件組成。磁開關MS1-MS5最好用在所有的脈沖壓縮階段，因為它們能處理非常高的峰值動力(即，高電壓和電流)，而且因為它們基本上是具有長使用壽命的固態(tài)裝置。圖7A示出了在這個實施例以及PFL14中所用的5個壓縮階段。動力從發(fā)電機10供應給脈沖壓縮系統(tǒng)15，并且傳過磁開半MS1-MS5到達PFL14。PFL與下述的線性感應電壓加法器(LIVA)20相連。第二個和第三個磁開關MS2和MS3被一個如圖所示的升壓變壓器所分開。開關MS6是一個用于PFL的反向開關。
圖7A導脈沖成形線(PFL)部件14的示意圖而圖7B是橫剖面圖。圖7A中的MS6對應于圖7B中的反向開關302，它位于PFL三軸剖面314的輸入一側(cè)。輸出開關304和負載芯306也被示出。區(qū)域310填有去離子水作為絕緣材料。內(nèi)部區(qū)308填有空氣和油壓線(未示出)，用于輸出開關。PFL的輸出并行于每個單獨的LIVA階段20被供電，帶有流過導體316的正部件以及用于接地PFL殼體318。正導體316與每個LIVA階段相連。
LIVA(20)最好用液體絕緣材料絕緣。它與PFL的輸出相連并且形成不同數(shù)目的階段，提供所希望的電壓給離子束源。LIVA20能在120Hz的頻率下發(fā)送額定2.5MV、2.9KJ的脈沖給離子束源25，此時它由10個階段構成，每個階段250KV。對于大多數(shù)離子束處理來說，LIVA由4個250kV的階段構成，這樣LIVA發(fā)送器共1.0MV給離子束源。但是，這個電壓能通過改變LIVA中的階段數(shù)來升高或降低，以滿足特殊材料處理的需要。LIVA20的額定輸出脈沖與PFL所提供給它的相同，即，具有15ns升高和降低時間以及60ns FWHM(全寬半最大)的梯形。圖7C示出了四階段LIVA的橫剖面。這四個階段320、322、324和326如圖所示被疊了起來，并且從PFL通過電纜321、323、325和327供應正脈沖。各階段被間隙330分開，并且為了冷卻用變壓器油包圍起來。每個LIVA階段的輸出相加，向圖中所示的離子束源25發(fā)送一個單個的總脈沖，該離子束源位于圖中部分示出的真空室332內(nèi)。正如PFL的情況一樣，LIVA的外殼與地相連。
動力系統(tǒng)P(圖7)根據(jù)所述，能以120Hz的脈沖重復頻率連續(xù)工作，在60ns脈沖內(nèi)發(fā)送每個脈沖最大2.5KJ的能量。此處所述的這個特定的動力系統(tǒng)能發(fā)送具有0.25-2.5MeV離子束能量的大約20-1000ns時間間隔的脈沖動力信號。這個動力系統(tǒng)能從墻壁插頭到能量發(fā)送給所匹配的載荷，以50％的電效率工作。例如，動力系統(tǒng)P使用了包含有底損耗磁材料及固態(tài)部件的低損耗脈沖壓縮階段，把交流電轉(zhuǎn)換成短的高壓脈沖。
當需要高電壓時，盡管也有可能用一個單階段脈沖產(chǎn)生從250KV或更小到幾個MV的電壓省略為加法器的需要，但是使用包含有低損耗表磁材料的許多感壓加法器通過疊加電壓產(chǎn)生此范圍的電壓的能力仍是一個基本特點。
動力系統(tǒng)能以比較低的電阻(＜100Ω)工作，這也使它不同于許多其它的重復電源技術，例如以變壓器為基礎的系統(tǒng)。這個特點允許用一個單脈沖提供高處理速率及大面積(5-1000cm2以上)處理，以便在已處理與未處理區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換處產(chǎn)生邊緣效應。
脈沖離子束系統(tǒng)的第二個部件是MAP離子束源25(如圖8所示)。MAP離子束源能重復有效地工作，有效地利用動力系統(tǒng)的脈沖動力信號把氣相分子轉(zhuǎn)變成高能脈沖離子束。根據(jù)特殊應用的需要，它還能以單擊方式工作。離子束源的前身是一個離子二極管，見J.B.Greely等人的“在Cornell的等離子體正極離子二極管的研究重復脈沖和0.1TW信號脈沖試驗”，該文登于第八屆大功率粒子束國際會議會議錄(1990)，它全部結(jié)合為本文的參考文獻。盡管該參考文獻的離子二極管顯著不同于上述本發(fā)明所用的離子二極管，但該參考文獻所述的背景材料數(shù)是非常有意義的。
圖8中示出了根據(jù)本發(fā)明的原理得出的離子束源25。離子束源25是一個磁約束正極等離子體(MAP)源。圖8是一幅離子束或MAP源25對稱一側(cè)的局部橫剖面圖。離子束或MAP源25產(chǎn)生一個環(huán)形的離子束K，它能繞圖示軸X-X400被帶到一個對稱的寬焦點。在負極電子組件30中，慢(1ms升高時間)磁場線圈414產(chǎn)生磁力線S(如圖8A所示)，它提供了正極410與負極412之間加速時隙的磁絕緣。正極電極410也用作磁力線整形器。慢線圈414被相鄰的水管路所冷卻(未示出)，該水冷卻管路結(jié)合到了支撐負極和慢線圈414的結(jié)構30中。該圖中所示的MAP結(jié)構的主要部分大約是18cm高和寬。整個MAP離子二極管能看作是圖中的詳細橫剖面繞該設備的各中心軸400旋轉(zhuǎn)形成的一個圖柱設備，在圖9中示出了整個橫剖面圖。
離子束或MAP源25以下述方式工作一個位于正極組件35上的快速氣體的部件404產(chǎn)生快速(200μs)氣體噴射，該氣體是通過一個超音速噴嘴406噴出的，直接在位于絕緣結(jié)構420上的快驅(qū)動線圈408表面的前部產(chǎn)生高度局部容積的氣體。噴嘴被設計成能防止未電離氣體橫向流入到正極410與負極412之間的間隙中。在使用1ms感應電場預電離之后，快驅(qū)動線圈408從快電容150完全激勵，在該氣體體積中產(chǎn)生一個20kV的環(huán)電壓，驅(qū)動對全電離的分解，并且以大約1.5μs或更小的時間向正極電極410處移動所產(chǎn)生的等離子體，形成一個薄的磁約束等離子體層。等離子體一瞬間停滯在B20的區(qū)域，即停滯在靠近慢線圈414所產(chǎn)生的絕緣場S的分界體處，等候主加速正電脈沖的輸送，其中所述脈沖是在正極410處由上述LIVA發(fā)送的。
通過與快線圈并行地布置一個小環(huán)形電容，能有效地預電離氣體。由這個環(huán)形電路所產(chǎn)生的場振蕩在正極快線圈前面預電離該氣體。圖8C中示出了這個電路的示意圖。
人們還發(fā)現(xiàn)，在把主脈沖提供給快線圈之前，一最好能調(diào)節(jié)快線圈與正極之間間隙內(nèi)磁場的構形，以便在預電離過程中調(diào)節(jié)所噴出氣體脈沖內(nèi)等離子體成形的初始位置。這一點可通過提供一個慢偏移電容180和一個保護電路來實現(xiàn)，這兩者都與快線圈平行安裝并且用可控開關S2與其分離。這樣在氣體的預電離之前，快線圈產(chǎn)生了一個慢偏移場。在圖8C中也示出了這條線路。
在如圖2C所示對快線圈電路的近一步解釋中，在主電容脈沖開始之前偏移場電容180在快線圈內(nèi)驅(qū)動一個大于1微秒升高時間的電流。這容許調(diào)節(jié)由快電容電流所產(chǎn)生的場構形。快電容150在快線圈內(nèi)驅(qū)動一個1微秒升高時間的脈沖。預電離電容160用遠遠小于1微的周期就導致電壓橫跨快線圈成環(huán)形，在要被電離的氣體中感生大振蕩電場導致該氣體的部分電離。由快線圈408產(chǎn)生的升高磁場把已電離的氣體從快線圈推開，使它頂著由慢線圈414產(chǎn)生的預先存在的磁場，停滯不動。預電離之后，快線圈如上所述被充分激勵，把該氣體完全分解為等離子體。這次脈沖之后這個場消失回到與一個電阻載荷相連的快線圈之中，其中電阻載荷也連到一個散熱裝置上(未示出)。在本實施例中，在支撐結(jié)構中使用了冷卻通道，但是有可能用其它的解決方式而且比較直接。以此方式避免了熱量聚積在快線圈中。
快線圈408已經(jīng)用幾種方式根據(jù)參考文獻的快線圈以及以上所提到的散熱裝置，被重新設計。快線圈與正電極410之間的間隙已被縮小，由此已把所必須的磁能量的數(shù)值降低了50％以上。較低的能量要求允許在較高頻率下重復使用并且降低了快線圈供電系統(tǒng)電壓的復雜性。這種新磁力線成形正電極組件的設計也有助于這些有益的結(jié)果。
然后來自動力系統(tǒng)的脈沖動力信號被施加到正極組件35上，加速等離子體中的離子，形成一個離子束K。圖2A中示出了在離子束排出時，慢(S)和快(F)磁力線結(jié)構。圖中示出了快線圈磁力線與慢線圈磁力線之間明確的分離。根據(jù)早期MPA參考文獻中的論文的教導，這一點是通過正極410的磁力線成形效應而且還在設有位于絕緣結(jié)構上的慢線圈的情況下實現(xiàn)的。在本MAP離子二極管中的慢線圈僅被布置在MAP的負極區(qū)域內(nèi)。這個與負極組件中慢線圈的位置結(jié)合在一起的正極磁力線成形不同于MAP參考文章中所示的那樣，而且容許本文中所揭示的MAP二極管以高重復頻率持續(xù)工作。這種設計使B＝0(分界面)能布置靠近正極表面，從而得出一個具有最小或者設有旋轉(zhuǎn)的排出離子束。這個最小旋轉(zhuǎn)對于束有效發(fā)送到所處理材料來說是必須的。
圖8B是一幅氣體閥組件404與通道425的詳細視圖，它們把氣體從閥傳導到快線圈408前面的區(qū)域。通道425被認真設計成能把氣體存放在快線圈的局部區(qū)域內(nèi)，通過這個區(qū)域具有最小的漏氣。通道428的詳細橫剖面被設計用于氣體噴出的超音速傳輸。這項設計用目前容易得到的氣體流動計算機程序來進行，而且屬于目前技術的范圍內(nèi)。氣體閥舌門426由一個小型磁線圈428來操縱，一但MAP控制系統(tǒng)起動時它打開并關閉舌門426。舌門閥426在舌門的底端427處轉(zhuǎn)動。線圈428被安裝在高導熱率陶瓷支撐結(jié)構429上，該支撐結(jié)構也把熱散到其它結(jié)構上(未示出)。另外，圍繞線圈的極冷線也能用于把熱量從線圈散出去。這個散熱對于MAP的持續(xù)工作能力是必要的。氣體從舌門基座后的進氣系統(tǒng)431發(fā)送到該閥門。進氣系統(tǒng)431應被視作與一個更大的進氣系統(tǒng)相連，這個更大的進氣系統(tǒng)位于如圖9所示的整個MAP離子二極管中芯部分。
一但舌門426被打開，噴嘴406中的真空快速地把氣體吸入到MAP中。噴嘴有作用就是產(chǎn)生一個定向流動的氣體，它只沿流動方向移動而不會與流動方向垂直。這種與流動方向垂直的橫向流動將會把氣體引入到正極與負極之間的間隙，這將產(chǎn)生不利的飛弧和其它不利的效應。以上所述的降低快線圈正極間隙使噴嘴的設計對成功操作MAP很重要。幸運的是，氣體流動設計工具是可得到的而且被用于開發(fā)一個具有改進氣流(較高的馬赫數(shù))和最小邊界效應的噴嘴。這個改進的噴嘴有一個放大的開口，通入快線圈與正極的近邊緣之間的間隙，它從9mm到15mm逐漸變大而不是參考MAP中的6mm直壁管道。在噴氣閥中氣體的工作壓力已經(jīng)5-25psig的范圍增加到25-40pig的范圍。試驗已經(jīng)證明，由于這種新型設計而使MAP的操作大大改進。
本發(fā)明的離子二極管在幾方面不同于以前技術的離子二極管。由于它每次脈沖的低氣體載荷，MAP內(nèi)的真空恢復能力允許其持續(xù)工作達100Hz并且高于100Hz。如上所述，其磁力幾何形狀基本上不同于以前的離子二極管。以前二極管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的束，它們在二極管中產(chǎn)生之后用在離子束在強軸向磁場中傳播的應用之中。本系統(tǒng)要求，從二極管中引出的離子束在自由場空間內(nèi)傳播到材料表面的最小距離為20-30cm。以前離子二極管的磁構形不能進行這種工作，因為那些離子束受到那些二極管內(nèi)何形狀的強制，橫跨網(wǎng)狀的磁力線并由此旋轉(zhuǎn)。這樣的束將快速消散而且對于本用途是無用的。通過把慢線圈(二極管絕緣磁場線圈)移向二極管間隙負極一側(cè)，忽略了對于束的磁場交叉，但是由于正極等離子體源需要完全重新設計磁系統(tǒng)。
對以上所述的快線圈的改進導致能量需求比以前構形小5-10倍。改進包括省略在二極管正極一側(cè)上的慢線圈及其相應的供電裝置)通過使用可局部場穿透電極，更好地控制磁場成形以及正極等離子體與正電極結(jié)構的接觸；省略以前離子二極管上獨立的預電離線圈；與快線圈相連的電路提供了“偏移”電流，用于調(diào)整磁場，把正極等離子體表面置于正確的磁力線表面上，從而消除束旋轉(zhuǎn)并提供最佳的束傳播和聚焦；和重新設計氣體噴嘴以便更好定位氣體噴射，這使快線圈能布置的靠近二極管間隙，其中的間隙也降低了能量需求及快線圈驅(qū)動器的復雜性。
等離子體能用各種氣相分子形成。本系統(tǒng)能使用任何氣體(包括氫、氮、氦、氧、氮、氟、氖、氯和氬)或者能氣化的液體或金屬(包括鋰、鈹、硼、碳、鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫和鉀)，產(chǎn)生一個純離子源，除了對供應給源的氣體之外不會對任何部件產(chǎn)生消耗或破壞。離子束在真空(-10-3)中傳播20-30cm到達目標板195處的一個寬焦點區(qū)/最大1000(m2)，如圖3所示，此處用于處理的材料樣本被放置好而且能在熱量上改變變的面積從5cm2到1000cm2。
離子束或MAP源25能在100Hz的重復脈沖頻率上連續(xù)工作，具有的大部件壽命＞106。根據(jù)本發(fā)明的原理，離子束或MAP源25從等離子體正極而不是從目前單脈沖離子束源中使用的固體介質(zhì)表面飛弧正極處吸收離子。使用飛弧正極一般會引起材料表面產(chǎn)生各種污染，產(chǎn)生不利后果。使用本文所揭示的改進MAP源的顯著優(yōu)點之一就是，人們通過控制氣體源的成分能精確控制離子束中的部件。
權利要求
1.一種使用脈沖離子束處理聚合物的處理方法，包括用至少一次高密度離子脈沖輻射聚合物的表面，每個立體相鄰的脈沖具有小于10微秒的時間間隔及0.1到10J/cm2的流量密度，離子動能大于約25keV。
2.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于脈沖在大于1Hz的重復頻率下在聚合物的整個表面上重復。
3.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于離子流量密度是以在聚合物內(nèi)產(chǎn)生一個軌跡密度，以便沿不同離子軌跡產(chǎn)生的反應產(chǎn)物在反應產(chǎn)物的重組時間內(nèi)相互反應具有高的概率。
4.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于進一步還包括在聚合物上放置第二層材料，這樣一但第二層和聚合物表面受到輻射，第二層將會粘著到聚合物的表面上。
5.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于聚合物在一個覆蓋有一種材料的層的形態(tài)下存在，輻射后該材料粘著到聚合物上。
6.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，進一步包括，把一個屏蔽層置于聚合物表面之下，防止聚合物下面的區(qū)域受脈沖離子束的影響。
7.如權利要求6所述的處理方法，其特征在于離子流量密度足是以蝕刻掉那些未被屏蔽層遮蓋住的聚合物區(qū)域。
8.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致聚合物表面熱分解。
9.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致受輻射聚合物的交聯(lián)。
10.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致被處理層導電率改變。
11.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致被處理層光密度改變。
12.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致韌度和抗刮傷能力增加。
13.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于，導致對溶劑及環(huán)境破壞的抵抗力增加。
14.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于足夠密度的輻射引起聚合物化學連接的破壞，使受破壞連接重新組合導致新的化合物形成。
15.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于受輻射的區(qū)域是以交錯的方式移過聚合物的，從而形成一個連續(xù)的受過處理的聚合物表面。
16.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于其離子是一種從氣相分子建立的離子。
17.如權利要求16所述的處理方法，其特征在于氣相分子選自以下這組分子，包括H、He、N和Ar。
18.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于聚合物選自以下這組東西，包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚脂薄膜以及它們的合成物。
19.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于輻射改進了表面的粘著特性。
20.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于輻射改進了表面的布局。
21.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于輻射導致表面蝕刻。
22.如權利要求1所述的處理方法，其特征在于發(fā)射到聚合物中的每次脈沖的熱量以及脈沖之間的時間間隔使熱量引起的聚合物破壞達到最小。
23.如權利要求2所述的處理方法，在大于2分鐘的周期內(nèi)連續(xù)地進行。
24.如權利要求3所述的處理方法的產(chǎn)物。
全文摘要
使用高能粒子束進行聚合物表面和近表面處理。這種處理最好用脈沖離子束執(zhí)行。這種處理以對大范圍商用有用的方式改變聚合物表面的化學和機械特性。
文檔編號C08F2/46GK1163628SQ96190237
公開日1997年10月29日 申請日期1996年1月23日 優(yōu)先權日1996年1月23日
發(fā)明者里甘·W·斯廷耐特, J·佩斯·范迪溫德 申請人:桑代公司