CN102869183A - 一种获得电离金属蒸气的方法 - Google Patents
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Abstract
一种获得电离金属蒸气的方法，采用感应加热的方法先使金属变成蒸气，然后以该金属蒸气为介质点燃金属蒸气电弧，使电中性的金属蒸气电离成为金属蒸气等离子体。
Description
技术领域
本发明涉及一种获得电离金属蒸气的方法，它在真空条件下用感应加热的方法使固态金属熔化成液态，再由液态变成金属蒸气，其更大的优点在于以此蒸气为介质点燃金属蒸气成电弧，利用电弧输入的能量使金属蒸气离化成电离的金属蒸气等离子体，又由于本发明属于真空低气压等离子体产生的方法，只要采用工业规范的大功率感应加热和大功率电弧电源，属于工业用真空低气压等离子体产生方法的技术领域。
背景技术
本发明属于真空高密度金属等离子体的产生方法，目前公知的这方面技术比较少，与本发明比较接近的技术往往已存在很大差别，通过检索国内、外专利文献，及网上搜索审核，本发明比诸多背景技术具有更大创新性和优点，主要引证如下：
●200810137009
“基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装置及方法。”
申请人 哈尔滨工业大学
发明人 王浪平、王峰、黄磊
本发明的目的是针对磁过滤阴极真空弧的引出口径较小难于实现对大尺寸零件处理的问题安于真空室侧壁，4-6个一体式脉冲阴极弧源。
属于冷阴极弧源，产生的金属等离子体较稀薄，用于常规真空离子镀膜，与本发明产生的大功率高密度真空等离子体有本质差别。
●02157979
“一种热蒸积制备大面积薄膜的方法和装置。”
申请人：中科院物理所
发明人：刘振、周岳亮、朱亚彬、王淑芳、陈正豪等7人。
本发明在真空室上下相对设置的阳极及阴极上施加电压，利用直流弧光放电的低气压自持导电过程、上、下极放电、将放在阴极铜锅内的所要蒸积的靶材熔融，蒸积出靶材金属等离子体淀积在基片上成膜。它主要是电弧熔融靶材，由于功率低，只能蒸发中性金属分子、而非等离子体，所以与本发明有原则性差别。
●96201703
“一种金属蒸汽真空弧离子源”
本实用新型，阴极弧等离子体一产生就被限制在弧罩和阴极、阳极构成的狭小腔体内。它是一种离子源，一是极窄的发射口径，二是主要是离子可利用，而不是等离子体可利用。
申请人：核工业西南物理研究院
发明人：高玉
●201110026572
“等离子体产业装置”
申请人：周星工程股份有限公司
发明人：权基中、李尚元、伍赛宪等6人。
采用射频RF电源供给能量气态物质形成等离子体对基体上成膜。产生低气压的等离子体成膜，规格极小，用于实验领域，与本发明应用于工业领域大功率高密度的等离子体显著不同。
●201020553218
一种新型等离子体产生装置
申请人：河北科技大学
发明人：李燕
本实用新型包括激光器、随机相位板、凸透镜，三者在一光轴上快速产生稳定的丝状等离子体，属于激光产生等离子体，与本发明大相径庭。
●US 6380684 B1
2002.Apr.30
“等离子体发生装置和半导体制造方法。”
一种等离子体发生装置和加工方法，它可产生高密度等离子体且可集中于中心对称部分，但属于精细的等离子体产生方法，应用于半导体制造，与本发明应用于工业规格连续镀带钢根本是两个不同方面。
●US 5859500
Jan.12.1999
“等离子体产生装置。”
在金属阴极和平面阳极之间产生真空电弧放电，蒸发阴极基材供给沉积于阳极平板上。是为了在平面上沉积基材用的膜层沉积装置。与本发明供连续大功率工业化规格蒸发金属等离子体明显不同。
发明内容
为了克服现有真空条件下大功率感应加热方法产生的金属蒸气，仅是中性的金属蒸气，用于卷对卷工业规模的镀覆，运动中的带钢不易镀牢，结合力欠佳。
而本发明在传统方法的基础上，以上述产生的金属蒸气为介质，点燃金属蒸气电弧，利用电弧的能量仅此金属蒸气离化成电离的金属蒸气等离子体。而采用含有大量带电粒子集合的金属离子和电子，对镀覆于卷对卷工业规格的镀覆运动中的带钢，则易于镀牢，结合力显著提高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案，主要是在传统的大功率感应加热产生金属蒸气的基础上，设置合适的电弧阴极、阳极将其置于金属蒸气两端，点燃电弧，只要输入电功率足够大，则可将低气压的中性金属蒸气电离成由金属正离子和电子组成的金属蒸气等离子体。为达此目的，设置一套大功率感应加热用坩埚，内置待蒸发金属，配备大功率感应加热电源，在坩埚所置放的金属上方，设置电弧阴极，为避免烧坏，需采用带有屏蔽、绝缘装置的水冷铜管，屏蔽、绝缘装置以保护电弧乱窜至阴极其它部位，只露出足够水冷的阴极端部，以接地的导电坩埚为电弧阳极，连同电弧阴极水冷管连接到大功率弧电源，保证输入电弧的能量。
还需要在感应加热蒸发的金属蒸气内边缘，设置可瞬时引入电脉冲火花的高频脉冲引弧装置，以备引燃主电弧用。
上述整个装置和运行关键器材，均安置在真空室内，由真空抽气装置，使其真空度达10Pa～1×10-3Pa范围。
为了进一步使电离后的金属等离子体掺加反应性气体，如氮、乙炔等。可适当加入这类气体，或为了保护或改变电离度，可适当掺入惰性气体作辅助气体。
附图说明
对附图1做进一步说明如下：
图1是获得电离金属蒸气的方法示意图。
其中1是以金属蒸气为介质的电弧
2是水冷铜管端部作电弧阴极
3是电离金属蒸气呈金属等离子体(M+1正离子，e-1负电子)
4是带有偏置电压的基板
5是绝缘和屏蔽装置
6是水冷铜管
7是液态金属
8是导电坩埚
9是感应线圈
10是真空室
11是接真空排气系统
12是穿越大气和真空界面的密封绝缘装置
13是高频脉冲电源
14是电弧电源
15是接地端
16是感应电源
17是水冷铜导线
具体实施方式
本发明中优选了实践中成功使用的方案，将待蒸发的金属7盛放在感应坩埚8中，坩埚外绕有感应线圈9，由水冷导线17连接到感应电源16上，对金属加热，适当大的功率将使金属蒸发成金属中性蒸汽，在液态金属7的上方，设置有水冷电弧阴极2，它是水冷铜管6的端部，为了保护阴极的后部不至于烧坏，采用绝缘和屏蔽装置5，在阴极和液态金属液面——阳极之间产生电弧1，使金属蒸气电离成金属等离子体3向上沉积于带有偏置电压的基板4上，电弧的阴极和阳极分别接入电弧电源14，启动引弧由高频脉冲电源13供给电能。整个工作过程在接排气系统11的真空室10中进行，在穿越大气和真空界面处均有密封绝缘装置12，所有电源均有接地端15.
本发明的技术方案已为公司的连续卷对卷镀钢带的生产线采纳。
Claims (7)
1.一种获得电离金属蒸气的方法，用感应加热的方法使金属变成蒸气，其特征是以该蒸气为介质点燃金属蒸气电弧，使之转变成电离的金属蒸气等离子体。
2.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是将感应蒸发的液态金属的表面作为金属蒸气电弧的阳极，在阳极的上方金属蒸气中接入金属蒸气的阴极。
3.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是在阴极和阳极接通电弧电源后，要采用相应的引燃电弧的方法，将电弧点燃。
4.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是点燃电弧的方法，可以采用接触引弧法，也可以采用高电压脉冲引弧法。
5.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是液面以上安置的阴极除用于产生电弧的阴极表面以外，其它的引线部分要屏蔽和绝缘。
6.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是所述的产生电离金属蒸气的方法是在一定的真空状态下实现的，其真空度的范围是10Pa～1×10-3Pa.
7.根据权利要求1所述的一种获得电离金属蒸气的方法，其特征是可以在惰性辅助气体或反应性气氛中进行。
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