CN103237406A - 一种带有保护气体大气等离子体发生装置 - Google Patents

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金会良
姚英学
李娜
车琳
辛强
金江
李铎
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Abstract

一种带有保护气体大气等离子体发生装置，它属于等离子体加工光学零件的技术领域。它为了解决目前大气等离子体加工过程中存在的表面沉积问题。它的第一圆环形聚四氟乙烯定位套套接在中空管电极上部的外圆面上，地电极上部套接在第一圆环形聚四氟乙烯定位套的外圆面上，第二圆环形聚四氟乙烯定位套套接在射频线接头外表面上，第二圆环形聚四氟乙烯定位套穿过地电极侧面的孔后露出一段，射频线接头的另一端为射频电源的阳极接线端，带孔圆环形聚四氟乙烯定位套套接在中空管电极下部的外圆面上，中空管电极的下端设置在锥形喷嘴内部。本发明能在激发的大气等离子体周围形成保护层，防止大气等离子体中原子团与空气中杂质结合发生复合。

Description

一种带有保护气体大气等离子体发生装置
技术领域
本发明属于等离子体加工光学零件的技术领域。
背景技术
大气等离子体加工技术是近年来兴起的一种新颖的加工方法，尤其适合传统机械方法难以加工的二氧化硅、碳化硅等硬脆材料，它采用非接触式的大气等离子体射流作为加工工具，利用等离子体所激发出来的活性粒子与工件表面发生化学反应来实现工件材料原子量级化学去除的加工方法。与传统抛光方法相比，大气等离子体加工的优势是：能够对传统难加工的材料实现高效快速加工，加工过程中又可避免机械作用力，使加工不存在对表面及亚表面造成机械损伤，非常适合高性能表面的加工要求；加工是在常压环境下进行，不需要真空反应容器，大大降低了加工成本，扩展了大气等离子体的应用范围。目前，大气等离子体加工技术可以实现高效快速去除，但是在加工过程中会出现电离的原子基团在工件表面的沉积现象，严重影响了大气等离子体加工的表面质量。
目前，大气等离子体发生装置作为大气等离子体加工的核心工具，大多采用包含等离子体电离的活性反应原子射流直接与工件表面反应的形式，由于射流直接与空气接触，空气中的杂质成分会与等离子体射流结合并附着在工件表面；另一方面，由于加工区域气体流速较低，不利于反应产物尽快从表面排出，所以会沉积在工件表面。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前大气等离子体加工过程中存在的表面沉积问题。而提出了一种带有保护气体大气等离子体发生装置。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种带有保护气体大气等离子体发生装置，它由中空管电极、第一圆环形聚四氟乙烯定位套、射频线接头、第二圆环形聚四氟乙烯定位套、带孔圆环形聚四氟乙烯定位套、地电极、锥形喷嘴组成；
所述喷嘴的下端中心部开有喷口；第一圆环形聚四氟乙烯定位套套接在中空管电极上部的外圆面上，地电极上部套接在第一圆环形聚四氟乙烯定位套的外圆面上，第二圆环形聚四氟乙烯定位套套接在射频线接头外表面上，射频线接头的一端与中空管电极的中部导电连接，射频线接头的另一端为射频电源的阳极接线端，第二圆环形聚四氟乙烯定位套的中部定位套与地电极侧面的孔相连，外部定位套穿过地电极侧面的孔后露出一段，使中空管电极、射频线接头与地电极之间电气绝缘；地电极侧面还设置有保护气体进气孔，带孔圆环形聚四氟乙烯定位套套接在中空管电极下部的外圆面上，锥形喷嘴套接在带孔圆环形聚四氟乙烯定位套的外圆面上，并使锥形喷嘴的上端与地电极的下端导电和密封连接，中空管电极的下端设置在锥形喷嘴内部，使中空管电极的下端外圆面与锥形喷嘴内圆面之间有一圈均匀的间隙，使中空管电极的下端面与锥形喷嘴的喷口之间有一定间隙，使地电极的保护气体进气孔通过带孔圆环形聚四氟乙烯定位套与中空管电极的下端外圆面与锥形喷嘴内圆面之间的间隙导气连通，中空管电极上端口为工作气体和反应气体的入口。
本发明采用中空管电极作为大气等离子体放电阳极，方形中空外壳及端部锥形喷嘴作为阴极，在管电极中心通道通入等离子体激发工作气体和反应气体，在管电极周围和地电极形成的空腔通入保护气体，在激发的大气等离子体周围形成保护层，防止大气等离子体中原子团与空气中杂质结合发生复合，同时保护气体也加速了反应区域内气体的流动，促进生成的可挥发性产物及时脱离工件表面，提高了大气等离子体加工的表面质量。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，它是由中空管电极1、第一圆环形聚四氟乙烯定位套2、射频线接头3、第二圆环形聚四氟乙烯定位套4、带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5、地电极6、锥形喷嘴7组成；
所述喷嘴7的下端中心部开有喷口7-1；第一圆环形聚四氟乙烯定位套2套接在中空管电极1上部的外圆面上，地电极6上部套接在第一圆环形聚四氟乙烯定位套2的外圆面上，第二圆环形聚四氟乙烯定位套4套接在射频线接头3外表面上，射频线接头3的一端与中空管电极1的中部导电连接，射频线接头3的另一端为射频电源的阳极接线端，第二圆环形聚四氟乙烯定位套4的中部定位套4-1与地电极6侧面的孔6-1相连，外部定位套4-2穿过地电极6侧面的孔6-1后露出一段，使中空管电极1、射频线接头3与地电极6之间电气绝缘；地电极6侧面还设置有保护气体进气孔6-2，带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5套接在中空管电极1下部的外圆面上，锥形喷嘴7套接在带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5的外圆面上，并使锥形喷嘴7的上端与地电极6的下端导电和密封连接，中空管电极1的下端设置在锥形喷嘴7内部，使中空管电极1的下端外圆面与锥形喷嘴7内圆面之间有一圈均匀的间隙7-2，使中空管电极1的下端面与锥形喷嘴7的喷口7-1之间有一定间隙7-3，使地电极6的保护气体进气孔6-2通过带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5与中空管电极1的下端外圆面与锥形喷嘴7内圆面之间的间隙7-2导气连通，中空管电极1上端口为工作气体和反应气体的入口。
所述中空管电极1的内径为1mm-5mm，外径为3mm-10mm。所述中空管电极1的材料为不锈钢或铝。所述锥形喷嘴7的材料为不锈钢、铝或铜。
所述工作气体包括：大气等离子体激发气体为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；保护气体为氮气。
工作原理：
本发明的使用方法做简单说明，步骤为：
步骤一、如采用石英玻璃作为待加工物件，首先对待加工的石英玻璃进行预处理，所述预处理主要采用标准的RCA工艺对该石英玻璃清洗，然后将该石英玻璃放置在工作台上；
步骤二、预热射频电源，预热时间为5-10分钟；并打开中量程质量流量计及其控制器和大量程质量流量计及其控制器。 
步骤三、完成射频电源预热后，打开大气等离子体激发气体瓶、反应气体瓶和保护气体瓶，通过中量程质量流量计及其控制器和大量程质量流量计及其控制器调节大气等离子体激发气体、反应气体及保护气体的流量，大气等离子体激发气体的流量为1升/分钟~20升/分钟，反应气体与大气等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000；保护气体的流量为10升/分钟~60升/分钟；
步骤四、启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到120W~600W，同时控制反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体和保护气体，使放电区域之间产生稳定的等离子体放电；
步骤五、运用上述产生的大气等离子体对石英玻璃表面加工10-30分钟，关闭电源，关闭各气体，取出样品工件，对石英玻璃表面粗糙度和加工去除深度进行测试，以判断是否达到加工要求。
工作原理：中空管电极1通过射频线接头3的与射频电源的阳极接线端相连接，锥形喷嘴7的上端与地电极6的通过螺纹相连接并同时与地电极导电相连，第一圆环形聚四氟乙烯定位套2、第二圆环形聚四氟乙烯定位套4、带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5除定位作用外同时使中空管电极1与地电极6之间电气绝缘，工作气体和反应气体通过中空管电极1上端口的入口进入，在射频电场的作用下在中空管电极1的下端口产生等离子体，经过锥形喷嘴7的喷口7-1约束形成等离子体射流；保护气体通过地电极6的进气孔6-2进入地电极6的内部空腔，通过带孔圆环形聚四氟乙烯定位套5进入中空管电极1的下端外圆面与锥形喷嘴7内圆面之间的间隙7-2，在激发的大气等离子体射流周围形成保护气体。

Claims (5)

1.一种带有保护气体大气等离子体发生装置，其特征在于它由中空管电极（1）、第一圆环形聚四氟乙烯定位套（2）、射频线接头（3）、第二圆环形聚四氟乙烯定位套（4）、带孔圆环形聚四氟乙烯定位套（5）、地电极（6）、锥形喷嘴（7）组成；
所述喷嘴（7）的下端中心部开有喷口（7-1）；第一圆环形聚四氟乙烯定位套（2）套接在中空管电极（1）上部的外圆面上，地电极（6）上部套接在第一圆环形聚四氟乙烯定位套（2）的外圆面上，第二圆环形聚四氟乙烯定位套（4）套接在射频线接头（3）外表面上，射频线接头（3）的一端与中空管电极（1）的中部导电连接，射频线接头（3）的另一端为射频电源的阳极接线端，第二圆环形聚四氟乙烯定位套（4）的中部定位套（4-1）与地电极（6）侧面的孔（6-1）相连，外部定位套（4-2）穿过地电极（6）侧面的孔（6-1）后露出一段，使中空管电极（1）、射频线接头（3）与地电极（6）之间电气绝缘；地电极（6）侧面还设置有保护气体进气孔（6-2），带孔圆环形聚四氟乙烯定位套（5）套接在中空管电极（1）下部的外圆面上，锥形喷嘴（7）套接在带孔圆环形聚四氟乙烯定位套（5）的外圆面上，并使锥形喷嘴（7）的上端与地电极（6）的下端导电和密封连接，中空管电极（1）的下端设置在锥形喷嘴（7）内部，使中空管电极（1）的下端外圆面与锥形喷嘴（7）内圆面之间有一圈均匀的间隙（7-2），使中空管电极（1）的下端面与锥形喷嘴（7）的喷口（7-1）之间有一定间隙（7-3），使地电极（6）的保护气体进气孔（6-2）通过带孔圆环形聚四氟乙烯定位套（5）与中空管电极（1）的下端外圆面与锥形喷嘴（7）内圆面之间的间隙（7-2）导气连通，中空管电极（1）上端口为工作气体和反应气体的入口。
2.根据权利要求1所述的一种带有保护气体大气等离子体发生装置，其特征在于所述中空管电极（1）的内径为1mm-5mm，外径为3mm-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种带有保护气体大气等离子体发生装置，其特征在于所述中空管电极（1）的材料为不锈钢或铝。
4.根据权利要求1所述的一种带有保护气体大气等离子体发生装置，其特征在于所述锥形喷嘴（7）的材料为不锈钢、铝或铜。
5. 根据权利要求1所述的一种带有保护气体大气等离子体发生装置，其特征在于所述保护气体为氮气。
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