CN103118478A - 一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置 - Google Patents

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李向南
彭艳芳
张艳龙
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Abstract

本发明公开了一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，属于材料表面改性技术领域。该装置由高压脉冲功率电源、时序控制电路、潘宁阳极、阴极、磁场线圈及真空室组成。在真空室达到工作压强后，通过高压脉冲功率电源的放电时序控制，开启脉冲磁场，当磁场强度达到设定值后，潘宁阳极内部及其与阴极和工作台相对区间形成空间放电，获得大口径等离子体。本发明提供的装置可产生磁场强度~5000Gs，潘宁放电电压~7500V，放电持续时间~500μs，重复工作频率0.5Hz，直径Φ60-120mm的等离子体，具有设计合理、结构简单和自动化程度高等优点，适用于材料表面改性处理技术的研究与应用。

Description

一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置
技术领域
本发明属于材料表面改性技术领域，涉及到一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置。
背景技术
材料科学是人类社会发展的重要支柱之一。随着现代科学技术的进步，对材料的性能提出更高要求，材料科学面临新的挑战。疲劳、磨损和腐蚀是工程材料的三种主要失效方式，它们都与材料表面状态密切相关，如化工容器和管道的腐蚀、刀具与模具的耐磨性、机械零部件的疲劳裂纹在表面萌生等，提高这些材料使用性能的关键在于改善其表面性能。
材料表面改性技术是材料科学研究的一个重要分支，它是在不削弱基体材料力学性能的基础上，采用物理或化学手段在基体表面制备具有特定功能的改性层，以提高材料的耐热、耐蚀、抗氧化和耐磨损等性能。选择合理的表面改性处理方法，可以在较少的技术和资金投入的情况下，显著提升产品的服役性能和使用寿命。
当前，材料表面改性技术发展迅速，并在实际生产应用中获得显著收益。在现有的各种材料表面处理技术中，借助等离子体方法实现的表面改性工艺具有高效、节能和环境相容等优点，得到人们的广泛重视和研究。这些表面改性工艺的共同特点是利用等离子体放电产生活性载能粒子，当与加工工件表面相互作用时，引发材料表层能量作用区内的元素分布、组织状态和物理化学变化，实现材料表面结构和使用性能的有益转变，并具有以下技术优势：
（1）利用等离子体放电方法容易获得所需的各种反应元素粒子，并可通过电磁场手段灵活控制粒子能量、密度分布和运动轨迹；
（2）利用活性载能粒子与材料表面相互作用，可实现薄膜沉积、材料溅射、元素注入和化合反应等多种工艺及其组合，处理表面的力学、物理和化学性能变化显著；
（3）这些加工方法通常利用高背底真空和高纯气体实现精确的工作压强控制，可有效利用环境气氛促进或避免相关的物化反应，保持处理材料表面清洁，且无污染排放问题；
（4）放电过程可借助现代的功率电子器件直接实现电能的转换，中间环节少，设计和制作过程相对简单易行。
如何充分发挥等离子体放电方法的优势，开发出合理适用的材料表面改性工艺和装备，关键取决于所设计装置的能量特性和工作方式。与其他放电方法相比较，潘宁放电具有以下优点：没有灯丝结构，在活性气体中工作寿命长；结构简单、易于更换维护；电源系统简单，便于制造；可以在较大真空范围内实现稳定放电等。
就现有的各类潘宁放电装置而言，多数用于离子源产生手段进行膜层制备和离子注入，其次是利用稀薄气体中潘宁放电电流与气压间的确定比例关系制作真空测量仪器，再有少部分专用于物理特殊效应研究。少数用于表面改性技术探索的放电装置，仍然存在等离子体放电口径小，束流较弱（几百毫安），能量输入范围有限等问题。
针对材料表面改性的实际应用，首先需要考虑增大等离子体放电的截面尺寸，即大口径放电，以实现较大加工面的处理；其次是保证等离子体密度，使处理材料表面获得足够的入射能量；最后是要引入脉冲工作方式，减少放电区的能量累积，避免电极材料表面过热和不必要的蒸发污染，同时可提高能量输入强度和控制的灵活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，克服现有技术中存在的上述不足。该装置产生的等离子体，设计合理，结构简单，自动化程度高，适用于材料表面改性处理技术的研究与应用。
为了达到上述目的，本发明采取的具体技术方案是：
该脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，包括高压脉冲功率电源、时序控制电路、潘宁阳极、阴极、磁场线圈及真空室。当真空室达到工作压强后，通过时序控制电路操作高压脉冲功率电源的开启动作，分别为磁场线圈和潘宁阳极提供各自独立的高压输出。阴极可采用常用电极材料，包括不锈钢、紫铜或石墨纤维材料等，潘宁阳极为薄壁不锈钢圆筒，阴极与工作台相对放置，潘宁阳极位于阴极与工作台中间并保持同轴。磁场线圈由两个平行放置的密绕线圈组成，提供沿潘宁阳极轴线的约束磁场，两线圈提供的工作磁场极性一致。
通过下述设定值获得直径Φ60-120mm的放电等离子体：磁场线圈电压5000V，磁场强度~5000Gs，潘宁放电电压~7500V，放电持续时间~500μs，重复工作频率0.5Hz。
当磁场强度达到设定值后，潘宁阳极内部及其与阴极和工作台相对区间形成空间放电，获得大口径等离子体。放电等离子体在磁场约束下沿轴向扩展，作用于固定在工作台上的工件表面。随潘宁阳极电压下降，放电过程减弱直至熄灭。高压脉冲功率电源自行充电，等待时序控制电路的再次开启工作。
本发明的有益效果是：
（1）通过脉冲磁场线圈和潘宁阳极大口径设计，放电等离子体直径达到Φ60~120mm，可一次实现较大加工面的处理。
（2）采用重复脉冲工作方式，降低对供电电源功率的过高要求，同时避免阳极表面热量累积导致材料熔化和蒸发。
（3）磁场和阳极电压调节范围宽，且处于较低电压范围，可有效避免加工过程中产生的射线辐射污染，保证操作人员安全。
（4）采用脉冲磁场触发潘宁阳极放电方案，电气原理和线路连接简单，节省大功率高压开关器件，便于实现自动控制。
（5）在真空中充入氩气、氮气或氢气等工作气体，可以在较大真空范围内形成脉冲潘宁自持放电，工件表面无元素污染问题。
附图说明
附图是本发明的一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置示意图。
图中：1真空室；2工作台； 3工件；4磁场线圈；5潘宁阳极；
6放电等离子体；7阴极； 8高压脉冲功率电源；9时序控制电路；
10进气管路。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施例。
如图所示，按本发明制作的一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，包括高压脉冲功率电源8、时序控制电路9、潘宁阳极5、阴极7、磁场线圈4及真空室1。
高压脉冲功率电源8分别为磁场线圈4和潘宁阳极5提供各自独立的高压输出，分别为5000V和7500V，其中5000V供应磁场线圈4电压，7500V输出为潘宁阳极5上施加的电压，极性为正。这两路高压输出均可根据具体处理工艺要求进行连续调节。
时序控制电路9操作高压脉冲功率电源8的开启动作。该电路中可以提供状态显示功能，监控高压脉冲功率电源8及时序控制电路9本身的运行情况。
真空室1由不锈钢材料制成，总长0.5m，内部中心轴线上安装潘宁阳极5和阴极7，外部设置磁场线圈4。其中，阴极7与工作台2相对放置，潘宁阳极5位于阴极7与工作台2中间，阴极7与潘宁阳极5端面间距20~80mm。真空室底部设置进气管路10，可通过气体质量流量计控制输入氩气、氮气或氢气等工作气体达到所需工作压强。
阴极7可采用常用电极材料，包括不锈钢、紫铜或石墨纤维等，制成直径Φ60-120mm，厚度15~30mm片状并嵌入铜质导电杆中，导电杆通过高压密封绝缘从真空室1端部引出，连接于高压脉冲功率电源8的输出端。
潘宁阳极5为薄壁不锈钢圆筒，直径为Φ60-120mm。潘宁阳极5的工作电压通过绝缘导线和高压密封绝缘从真空室1端部引出，连接于高压脉冲功率电源8的输出端。
磁场线圈4由两个平行放置的密绕线圈组成，位于真空室1外部，两线圈提供的工作磁场极性一致，提供平行于真空室1轴线的磁场，约束放电等离子体6进行轴线扩展。
本实施例所述装置，可产生磁场强度~5000Gs，潘宁放电电压~7500V，放电持续时间~500μs，重复工作频率0.5Hz，直径Φ60-120mm的等离子体放电。
该装置的工作过程为：
1、将工件3固定于工作台2上，工件3待处理表面正对放电等离子体6的引出位置；
2、使用真空系统将真空室1抽至背底真空3.0×10-3Pa，由进气管路10充入氩气、氮气或氢气等高纯气体，通过气体流量控制工作真空压强；
3、根据工件3表面改性需要，设置高压脉冲功率电源8的电压参数，将电能储存于储能器件并达到预定值；
4、通过时序控制电路9操作高压脉冲功率电源8的开启动作；
5、磁场线圈4通过电流，形成平行于真空室1轴线的约束磁场；
6、当磁场线圈电流达到设定值后，潘宁阳极5内部及其与阴极7和工作台2相对区间形成空间放电，获得大口径放电等离子体6，等离子体沿轴线扩展作用于工件3表面。
7、潘宁阳极5放电结束，高压脉冲功率电源8自行充电，等待时序控制电路9的再次开启动作。

Claims (2)

1.一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，包括高压脉冲功率电源（8）、时序控制电路（9）、潘宁阳极（5）、阴极（7）、磁场线圈（4）、真空室（1）和进气管路（10）；其特征在于：时序控制电路（9）控制高压脉冲功率电源（8）的开启动作，分别为磁场线圈（4）和潘宁阳极（5）提供各自独立的高压输出；阴极（7）与工作台（2）相对放置于真空室（1）轴线上，潘宁阳极（5）位于阴极（7）与工作台（2）中间并保持同轴；磁场线圈（4）由两个平行放置的密绕线圈组成，提供沿潘宁阳极（5）轴线的约束磁场，两线圈提供的工作磁场极性一致；通过下述设定值获得直径Φ60-120mm的放电等离子体（6）：磁场线圈（4）电压5000V，磁场强度~5000Gs，潘宁放电电压~7500V，放电持续时间~500μs，重复工作频率0.5Hz。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，其特征在于，所述的阴极（7）与潘宁阳极（5）端面间距20~80mm。
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