CN102379163B - 用于产生成束的等离子体束的方法和射束发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在流动的工作气体中通过在两个彼此相距地布置在工作气体流内的电极之间的电弧放电而产生等离子体束的方法和装置，其中，产生带有脉冲频率和用于电弧放电的点火电压的电压脉冲序列，该电压脉冲序列分别在两个依次的电压脉冲之间使电弧熄灭。

Description

用于产生成束的等离子体束的方法和射束发生器

技术领域

本发明涉及一种用于在输送流动的工作气体的情况下通过电弧放电产生成束的等离子体束的射束发生器，所述射束发生器具有两个在工作气体流内彼此相距布置的电极以及用于在电极之间产生电压的电压源，其中，电压源产生带有用于电弧放电的点火电压和脉冲频率的电压脉冲序列（Spannungspuls），该电压脉冲序列分别在两个依次的电压脉冲（Spannungsimpuls）之间使电弧熄灭。此外，本发明涉及一种用于利用依据本发明的射束发生器对衬底表面进行激活和覆层的方法。

背景技术

如果应对工件表面覆层、喷漆或粘接，那么通常需要预处理，通过预处理去除表面的污物和/或通过预处理以如下方式改变分子结构，即，使表面能以液体如粘接剂、油漆和类似物更好地润湿。

为进行表面处理和净化，使用用于产生成束的等离子体束的射束发生器，在所述射束发生器中，在施加电压的情况下在两个电极之间的喷嘴管内借助非热放电从工作气体中产生等离子体束。在此，工作气体优选处于大气压力下。以优选的方式使用空气作为工作气体。

借助等离子体的预处理和净化具有很多优点，其中尤其可强调的是清除效率高、利于环保、适合几乎任何材料、运行成本低以及突出地整合到不同的加工流程中等。

由EP0761415B9以及DE19532412C2公知一种此类用于产生成束的等离子体束的射束发生器，所述射束发生器具有带有用于工作气体的在侧向上的输送器的、由合成材料构成的、呈罐状的壳体。在壳体内同轴地保持由陶瓷构成的喷嘴管。在呈罐状壳体的内部居中地布置有伸入到喷嘴管内的由铜构成的棒形电极。喷嘴管的外周在呈罐状的壳体外由以导电材料构成的罩包围，该罩在喷嘴管的自由端上构成环形电极。环形电极同时界定喷嘴口，喷嘴口的直径小于喷嘴管的内直径，从而在喷嘴管的出口处实现一定的收缩。

所公知的射束发生器的缺点在于待处理的表面的高热负荷。电压源需要在10kV至30kV的数量级中的点火电压。同样不利的是低效率。对此的原因尤其是在等离子体内的低电离度。此外，从射束发生器发出的工作气体具有高温度，而电子则具有相当低的温度。但为了运行用于表面处理的射束发生器，力求产生如下非热的等离子体，在该等离子体中电子具有相比重粒子（分子、原子、离子）高得多的温度。然而技术上制造的非热等离子体通常具有低的电离度。

由US6225743B1已经公知一种用于利用等离子体发生器产生等离子体来处理物体的方法，其中，电弧在阳极与阴极之间点火并利用该电弧使气体电离，其中，电弧由电压脉冲序列来运行。在电压脉冲序列间的间歇中，施加在阳极-阴极的间隙上的电压下降到电弧的燃烧电压之下，从而使得电弧在该间歇中熄灭。虽然等离子体脉冲具有非常高的温度，但相当敏感的材料也应不受损伤地承受该等离子体脉冲。

发明内容

从这种现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种开头所述类型的射束发生器，该射束发生器尤其产生从射束发生器中发出的等离子体束的带有低温的非热等离子体，并且可以用于在使用等离子体束的情况下对衬底表面进行激活和覆层，该等离子体束尤其也适用于对温度敏感的衬底表面的粉末覆层法。此外追求的是射束发生器的紧凑的构造方式。最后还应说明一种用于在使用射束发生器的情况下对衬底表面进行激活和覆层的方法。

该任务通过一种射束发生器和一种利用该射束发生器来对衬底表面进行激活和覆层的方法来解决。这种射束发生器用于在输送流动的工作气体的情况下通过电弧放电产生成束的等离子体束，其具有两个在工作气体流内彼此相距地布置的电极以及用于在电极之间产生电压的电压源，其中，电压源产生带有用于电弧放电的点火电压和脉冲频率的电压脉冲序列，电压脉冲序列分别在两个依次的电压脉冲之间使电弧熄灭，其中，一个电极构造为棒形电极，且一个电极构造为呈环形的电极；与棒形电极同心地布置有与棒形电极绝缘的由导电材料构成的空心圆柱形罩；在空心圆柱形罩的一个端侧上布置有呈环形的电极，呈环形的电极界定喷嘴口，喷嘴口的直径小于空心圆柱形罩的直径；以及在空心圆柱形罩的相反置的端侧上布置有用于工作气体的输送器，并且在喷嘴口的区域内布置有用于供给粉末的至少一个入口。所述方法通过至少一个入口供给带有10nm至100μm的粒度的粉末。

射束发生器的紧凑的构造方式在工作气体均匀流动的同时由以下方式实现，即，一个电极构造为棒形电极，且一个电极构造为呈环形的电极，与棒形电极同心地布置有与棒形电极绝缘的、由导电材料构成的空心圆柱形的罩，在该罩的一个端侧上布置有呈环形的电极，该呈环形的电极界定喷嘴口，喷嘴口的直径小于空心圆柱形罩的直径，并且在该罩相反置的端侧上布置有用于工作气体的输送器。

依据本发明的射束发生器可以用于在使用等离子体束的情况下对衬底表面进行激活和覆层，因为在喷嘴口的区域内布置有至少一个用于供给尤其是带有10nm至100μm的粒度的粉末的入口。等离子体束的电子散碎溅射（zersputtern）所供给的粉末颗粒，并由于在该处还相对较高的等离子体温度尤其是高电子温度而将所供给的粉末颗粒熔化。通过用于熔化的和在等离子体向喷嘴口的进一步路径上的能量消耗来产生冷却，从而使得形成衬底表面覆层的细颗粒的粉末相对较冷地到达衬底表面上。因此，依据本发明的射束发生器尤其也适用于对温度敏感的衬底表面的粉末覆层法。

在流动的工作气体内，成束的等离子体束通过电弧放电产生。电弧是在两个彼此相距地布置的电极之间的气体放电，在这两个电极上施加足够高的电压，以便通过碰撞电离产生气体放电所需的高电流密度。气体放电形成在其中重粒子部分电离的等离子体。

点火电压是为在两个电极之间导入气体放电所需的电压。点火电压由电压源产生或由电压源从一次电源中导出。对于本发明来说，原则上考虑直流电压源和交流电压源，但优选考虑直流电压源。但关键是，电压源产生可以分别在两个依次的电压脉冲之间使电弧熄灭的电压脉冲序列。在此，电压脉冲是指由电压输出的电压首先从低值（优选是零）出发，上升到大于或等于点火电压的最高值，且短时间后重新降低到低值（优选是零）。电压脉冲的周期序列称为电压脉冲序列。

在每个电压脉冲期间，电压下落得远低于所需的点火电压，从而随每个电压脉冲熄灭电弧，直至在下个电压脉冲中重新达到点火电压并在电极之间进行新的电弧放电。通过随每个电压脉冲强行熄灭电弧，在高的电极温度中产生从射束发生器中流出的工作气体的低温。通过电子在达到高点火电压时冲击式的流出，在等离子体内生成大量高度加速的、具有高电子温度的电子。在达到或超过点火电压时，在两个电极之间在1纳秒至1000纳秒的非常短的时间段内流动带有高达10安培至1000安培的最大电流强度的电流。由此产生的高电流密度对所谓的箍缩效应产生积极影响。箍缩效应是指由高电流流过的等离子体由于等离子体流与由它产生的磁场交互作用而收缩成为经压缩的细等离子体管或等离子体丝。

电压源构造为用于产生电压脉冲序列的脉冲频率，该脉冲频率优选在10kHz至100kHz之间的范围内，尤其在20kHz至70kHz之间的范围内。在所述脉冲频率下确保了等离子体产生和等离子体束不中断。通过这种措施可以利用依据本发明的射束发生器进行衬底表面的尤其以粉末的不中断的激活和覆层。尽管电弧熄灭，对等离子体束的维持在衬底表面同时非常低的热负荷下优选以在20kHz至70kHz之间范围内的脉冲频率实现。

在射束发生器的电极之间的间距与工作气体的压力以如下方式确定，即，使等离子体内的上述电流强度在2kV至10kV之间的点火电压下达到。测定电极间距的原理是巴申定律，据此，点火电压是工作气体的气体压力与放电距离、也就是电极之间的间距乘积的函数。取决于彼此相对置的电极的形状以及所使用的工作气体（优选是空气）地，在计算时必须考虑校正参数。

由电压源产生的电压脉冲可以是直流的或交流的。

电压源的优选实施方式的特征在于，电压源具有电源件，所述电源件带有用于输入电压的接口和两个用于在电源件内经转换的输入电压的输出端，其中，与输出端并联至少一个电容器，该电容器与电源件通过至少一个电阻连接。在此可以选择的是，输出端中的一个与地电位连接，且将共同的地线作为基准电位和用于电容器的接口使用。在此，电源件是将由电网提供的输入电压转换成射束发生器所需的输出电压的组件。

由电容器和电阻组成的电路迫使电弧熄灭，其中将由电源件输出的功率暂时储存（zwischenspeichern）在电容器内。由电源件输出的功率首先由电容器储存，直至达到用于电弧放电的点火电压。在达到点火电压时产生气体放电，并且储存在电容器内的能量在1纳秒至1000纳秒内以高达10安培至1000安培的高电流强度流出。通过将至少一个电容器与电源件连接的至少一个充电电阻，电流不足以续流来维持由电容器馈给的电弧。因此，电弧自动熄灭，且电容器为下个电压脉冲而重新开始充电。

为了依据本发明的射束发生器的紧凑的构造方式和效率的进一步提高，电压源的电源件优选构造为开关电源件。开关电源件的特征在于，不同于带有50Hz变压器或60Hz变压器的传统电源件，电网电压被转换成明显更高频率的交流电压并在变压后最终重新整流。带有更高频率的变压器的运行造成在功率相同的情况下可以明显减小变压器的质量。因此，开关电源件在功率相同的情况下更紧凑且更轻。此外，其效率相比传统的电源件更高。

特别节省空间的是，电压源的电容器可以实施为呈屏蔽电缆的形式，其中，将第一电极与电压源连接的电线由绝缘体包围，该绝缘体至少在部分长度上包覆导电的屏蔽件，该屏蔽件是在电压源与另一电极之间的导电连接的组成部分，其中，屏蔽件由外绝缘体包覆。

电容器的电容优选处于10nF至200μF的范围内。

工作气体温度的进一步降低可以通过流动优化来实现。出于这一原因，依据本发明的射束发生器作为用于产生工作气体涡流的机构而具有在端侧上装入到空心圆柱形罩内的、包围棒形电极的、由电绝缘材料构成的套管，在该套管的表面上布置有至少一个设计为螺旋件的接片，该接片在空心圆柱形罩的内壁与套管的表面之间形成用于工作气体的通道。通过呈螺旋形的接片的螺距可以有效地影响等离子体束的温度。更大的螺距更强地冷却等离子体束，而更小的螺距则导致更热的等离子体束。在螺距更大的情况下，工作气体在相同流动速度下的停留持续时间由于通过射束发生器的更短的流动行程而更短，由此使工作气体的冷却效果增强。在设计为螺旋件的接片的螺距更小的情况下，工作气体在相同的流动速度下的停留持续时间由于通过射束发生器的更长的流动行程而更长，由此降低工作气体的冷却效果。

构成用于工作气体的通道的套管同时将棒形电极固定在导电罩内并保证在棒形电极与罩之间所需的电分离。套管不仅便于安装，而且此外还形成了呈棒形的射束发生器的所追求的紧凑尺寸。

优选地，用于粉末的入口处于射束发生器的空心圆柱形罩的朝着呈环形的电极方向成锥形地变细的区段上。衬底温度提高在以细颗粒的粉末覆层过程期间和以后明显低于100摄氏度。在使用依据本发明的射束发生器的情况下，仍然实现了所涂覆的粉末的良好附着。衬底表面不需要专门的预处理。表面净化通过射束发生器的等离子体束本身进行。粉末例如是金属、陶瓷、热塑性塑料或它们的混合物，它们作为功能层涂覆，例如作为保护层、耐磨层或绝缘层涂覆。

附图说明

下面，借助附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出射束发生器的第一实施例的示意图；

图2示出射束发生器的第二实施例；

图3示出射束发生器的第三实施例；

图4示出射束发生器的电压源的电压和电流特性曲线的示意图；以及

图5示出依据本发明的射束发生器的用于衬底表面的粉末覆层的第四实施例。

具体实施方式

用于产生成束的等离子体束（2）的射束发生器（1）包括两个布置在工作气体（3）的流内的电极（4、5）以及用于在电极（4、5）之间产生电压的电压源（6）。工作气体（3）在空心圆柱形的罩（7）内受通道化疏导（kanalisieren）。在由罩（7）环绕的空腔内，电极（4、5）彼此相距地布置。

电压源（6）具有开关电源件（9），其带有用于输入电压尤其是电网电压的接口（10）和用于在开关电源件（9）内经转换的电压的两个输出端（11、12）。电容器（13）与输出端（11、12）并联，该电容器与开关电源件（9）通过电阻（14）（也称为负载电阻）连接。

在开关电源件（9）内，施加在接口（10）上的电网电压首先由整流器（15）整流。随后，直流电压由也称为逆变器的变流器（16）在电压输送到变压器（17）的初级绕组之前转换成基本上更高频率的交流电压。在变压器（17）的次级端上分接的、相对电网电压更高的交流电压输送到对经变压的交流电压进行整流的另一整流器（18）。

下面，参照图4详细阐释射束发生器（1）的工作原理：

图4在左半部分图中以电压/时间曲线图示出依据本发明的射束发生器（1）的电压脉冲（21）的特性，以及在其下面所示的电流/时间曲线图中示出射束发生器（1）的在等离子体内出现的电流特性曲线。

由开关电源件（9）输出的功率首先由电容器（13）储存，直至在电极（4、5）之间施加用于在电极（4、5）之间形成电弧的点火电压（19）。在达到点火电压（19）时，在电极（4、5）之间的空气隙（8）变得能导电，并且存储电容器（13）内的全部能量在约10ns内流出，正如从图4中的电流/时间曲线图中可看到的那样。在此，电压在电极（4、5）之间击穿并降到接近0伏的低值。

随着达到点火电压（19），在电极（4、5）之间的电弧内流动最大电流。通过电阻（14），从开关电源件（9）没有足够的电荷续流来维持电弧。为此电阻（14）以如下方式确定尺寸，即，使从开关电源件向电容器（13）流动的功率少于同时通过在电极（4、5）之间的电弧流出的功率。这造成在两个依次的电压脉冲之间的电弧在其随着达到下个电压脉冲（21）内的点火电压（19）而重新点火之前熄灭。脉冲频率优选处于1kHz至100kHz之间的范围内，在所示的实施例中为60kHz。

图2示出射束发生器（1）的另一实施例。该射束发生器与图1的射束发生器（1）一致之处参阅那里的实施例。区别在于电极在罩（7）内部的布置方面。第一电极构造为棒形电极（22），而与第一电极以间距（8）相距布置的第二电极构造为呈环形的电极（23）。由导电材料构成的罩（7）与棒形电极（22）同心地布置，且与棒形电极（22）绝缘。在与呈环形的电极（23）相反置的端侧上布置有用于工作气体（3）的输送器（24）。用于工作气体（3）的输送器具有在端侧装入到空心圆柱形罩（7）内的、保持棒形电极（22）的、由电绝缘材料构成的套管（25），在套管表面上布置有设计为螺旋件的接片（26），该接片在空心圆柱形罩（7）的内壁（27）与套管（25）的表面（28）之间形成用于工作气体（3）的通道。经过螺旋件的工作气体由此在涡流中进入到在棒形电极（22）与罩（7）的内壁（27）之间的环形室内。该涡流导致特别有利的等离子体束（2）成束和通道化疏导，等离子体束沿棒形电极（22）在朝着呈环形的电极（23）的方向上穿过该呈环形的电极延伸。

图3a示出与图2相应的射束发生器（1），在该射束发生器中，开关电源件（9）出于概览的原因仅通过符号简示。电容器正如从图3b可以看到的那样，在该实施例中由以下方式形成，即，将电极（22）与开关电源件（9）连接的电线（29）由绝缘体（30）包围，导电的屏蔽件（32）至少在部分长度上包覆该绝缘体，所述导电的屏蔽件是在开关电源件（9）与另一电极（23）之间的导电连接的组成部分。屏蔽件（32）又由外绝缘体（33）包覆。

在图3c中，通过屏蔽件（32）和电线（29）形成的电容（34）以等效电路图示出。可以看出的是，通过部分被屏蔽的电缆，与开关电源件的输出端并联地存在一电容器，该电容器与开关电源件（9）通过电阻（14）连接。

最后，图5示出与图2和图3相应的射束发生器（1），该射束发生器依据本发明用于对衬底表面（35）以细颗粒的粉末覆层。空心圆柱形的罩（7）在端侧具有朝着呈环形的电极（23）的方向成锥形地变细的区段（36），在该区段中布置有两个入口（37）。两个入口（37）中的每一个上安置有用于细颗粒粉末的管道（38），向两个入口中的每一个输送粉末流/气流（39）。粉末颗粒（40）通过入口（37）到达等离子体束（2）内，它们随同该等离子体束通过环形电极（23）离开射束发生器（1）。如果带有取向到衬底表面（35）上的喷嘴口（41）的射束发生器（1）在方向（42）上运动，粉末颗粒（40）就沉积在衬底表面（35）上。沉积在衬底表面上的层（43）在图5中简示出。

附图标记列表

Claims (13)

1.射束发生器，所述射束发生器用于在输送流动的工作气体的情况下通过电弧放电产生成束的等离子体束，所述射束发生器具有两个在工作气体流内彼此相距地布置的电极以及用于在所述电极之间产生电压的电压源，其中，所述电压源产生带有用于电弧放电的点火电压和脉冲频率的电压脉冲序列，所述电压脉冲序列分别在两个依次的电压脉冲之间使电弧熄灭，其特征在于，

-一个电极构造为棒形电极（22），且一个电极构造为呈环形的电极（23）；

-与所述棒形电极（22）同心地布置有与所述棒形电极绝缘的由导电材料构成的空心圆柱形罩（7）；

-在所述空心圆柱形罩的一个端侧上布置有所述呈环形的电极（23），所述呈环形的电极界定喷嘴口（41），所述喷嘴口的直径小于所述空心圆柱形罩的直径；以及

-在所述空心圆柱形罩的相反置的端侧上布置有用于所述工作气体（3）的输送器（24）

-并且在所述喷嘴口（41）的区域内布置有用于供给粉末的至少一个入口（37）。

2.按权利要求1所述的射束发生器，其特征在于，所述脉冲频率处于10kHz-100kHz之间的范围内。

3.按权利要求2所述的射束发生器，其特征在于，所述脉冲频率处于20kHz-70kHz之间的范围内。

4.按权利要求1至3之一所述的射束发生器，其特征在于，在达到所述点火电压（19）之后在所述两个电极之间在1ns-1000ns的时间段内流动带有高达10A-1000A的最大电流强度（20）的电流。

5.按权利要求1至3之一所述的射束发生器，其特征在于，所述点火电压（19）在1kV-10kV之间。

6.按权利要求1至3之一所述的射束发生器，其特征在于，所述电压源（6）具有电源件，所述电源件带有用于输入电压的接口（10）和两个用于在所述电源件内经转换的输入电压的输出端（11、12），其中，与所述输出端并联至少一个电容器（13），所述电容器与所述电源件通过至少一个电阻（14）连接。

7.按权利要求6所述的射束发生器，其特征在于，所述电源件是开关电源件（9）。

8.按权利要求6所述的射束发生器，其特征在于，将所述电极（22、23）之一与所述电源件（9）连接的电线（29）由绝缘体（30）围绕，导电的屏蔽件（32）至少在部分长度（31）上包覆所述绝缘体，所述导电的屏蔽件是在所述电源件（9）与另一电极（23）之间的另一导电连接的组成部分，其中，所述屏蔽件（32）由外绝缘体（33）包覆。

9.按权利要求6所述的射束发生器，其特征在于，所述电容器（13、29、30、32）的电容处于10nF-200μF的范围内。

10.按权利要求1至3之一所述的射束发生器，其特征在于，用于所述工作气体（3）的所述输送器（24）具有用于产生所述工作气体的涡流的机构。

11.按权利要求10所述的射束发生器，其特征在于，所述用于产生所述工作气体（3）的涡流的机构包括在端侧装入到所述空心圆柱形罩（7）内的、保持所述棒形电极（22）的、由电绝缘材料构成的套管（25），在所述套管的表面（28）上布置有至少一个设计为螺旋件的接片（26），所述接片在所述空心圆柱形罩（7）的内壁（27）与所述套管（25）的表面（28）之间形成用于所述工作气体（3）的通道。

12.按权利要求1至3之一所述的射束发生器，其特征在于，所述空心圆柱形罩（7）在端侧具有在朝着所述呈环形的电极（23）的方向上成锥形地变细的区段（36），并且每个入口（37）均布置在所述区段（36）内。

13.利用按权利要求1至12中的一项或多项所述的用于产生成束的等离子体束的射束发生器来对衬底表面进行激活和覆层的方法，其特征在于，通过所述至少一个入口（37）供给带有10nm至100μm的粒度的粉末。

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