CN105887035A - 圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置 - Google Patents

Abstract

一种用于材料表面沉积镀膜的圆形靶阴极真空电弧等离子体磁过滤矩形引出装置，该装置由一个矩形口梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈构成一个梯形通电螺线管。为了克服圆形阴极靶材的阴极真空电弧源所产生的圆形束斑等离子体对长条状、大面积和卷材类工件镀膜处理能力的不足，本发明提供了一种等离子体磁过滤矩形引出装置，能够将圆形束斑的离子束转化为矩形束斑的离子束。该装置不仅能够与圆截面磁过滤弯管相连构成磁过滤等离子体矩形引出装置，而且能够直接与圆形靶阴极真空电弧源连接引出矩形等离子体束。该装置适于对长条状、大面积和卷材类工件进行沉积镀膜，提高等离子体的利用效率和膜层的质量。

Description

圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置

所属技术领域

本发明涉及一种圆形靶阴极真空电弧等离子体沉积镀膜的磁过滤矩形引出装置。其特征是该装置由一个矩形口的梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈构成一个梯形通电螺线管。等离子体由梯形的小口端进入，在磁场的约束和引导下呈扇形均匀发散，从梯形的大口端引出，得到一个大面积矩形等离子体束。该装置可以将圆形束斑的等离子体束转化为矩形束斑的等离子体束，不仅能够与圆截面的磁过滤弯管相连构成磁过滤等离子体矩形引出装置，而且能够直接与圆形靶阴极真空电弧源连接引出矩形等离子体束。提高阴极真空电弧等离子体沉积镀膜的等离子体的利用效率和镀层的均匀性。

背景技术

离子束材料表面改性技术是目前先进的材料表面处理技术之一。阴极真空电弧源因其引出束流大，离化率高，能够引出离子种类多等优点广泛应用于材料表面改性领域，其中离子束沉积、离子注入是最主要的两个应用。文献《强流金属离子束材料表面改性研究》，张通和，梁宏，马芙蓉，1997，14(3)描述了离子注入对材料表面改性研究与应用已经并正在发挥重要而深远的影响。阴极真空电弧源是在高真空条件下，利用阴阳极间的弧放电产生等离子体，因而可以用于等离子体沉积镀膜，这就是常规的电弧离子镀。由于放电剧烈，在等离子体产生的同时将会产生许多金属颗粒，极大的影响了膜层的质量。文献《Review of the filtered vacuum arc process and materials deposition》P.J.Martin_，A.Bendavid.Thin Solid Films 394(2001)1-15报道了阴极真空电弧大颗粒的过滤方法，包括直管过滤法、机械屏蔽法、弯管磁过滤法、静电偏转法等。弯管磁过滤法相比其他过滤方法是一种简单有效的过滤方法，能够有效的过滤掉等离子体中的大颗粒从而制备高质量、致密、光滑的涂层。针对圆形阴极靶材的阴极真空电弧源，通常采用圆截面弯管磁过滤装置，能够很好的过滤掉大颗粒制备高性能的涂层。圆形阴极靶材的阴极真空电弧磁过滤装置采用圆形截面的过滤管道，使得等离子体的引出束斑为圆形。对于长条状，大面积和卷材类工件的表面处理，通常采用多个弧源和多套圆截面弯管磁过滤装置同时工作来解决单个圆形束斑镀膜处理能力的不足。但采用这种方案不仅设备复杂、成本昂贵，而且工件表面镀膜层的质量和厚度不均匀。文献《Approaches to rid cathodic arc plasmas of macro-andnanoparticles：a review》，Andre’Anders，Surface and Coatings Technology，120-121(1999)319-330报道了多种磁过滤器形式，其中包括引出矩形等离子体束的装置，但需要采用矩形阴极靶材或圆柱形阴极靶材，采用这些方法电弧控制复杂，靶材消耗不均匀，同时需要采用复杂的矩形磁过滤装置。圆形阴极靶材的阴极真空电弧源结构简单，电弧容易控制，得到广泛应用。针对圆形阴极靶材的阴极真空电弧源采用圆形截面的磁过滤管道，使得等离子体的引出束斑为圆形，不适于对长条状、大面积和卷材类工件作镀膜处理的缺点，发明了圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置。

发明内容

为了克服圆形阴极靶材的阴极真空电弧源所产生的圆形束斑等离子体不适于对长条状、大面积和卷材类工件镀膜处理的不足，本发明提供了一种圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置。该装置由一个矩形口梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈组成，构成一个梯形通电螺线管。等离子体由梯形的小口端进入，在磁场的约束和引导下呈扇形均匀发散，从梯形的大口端引出后得到一个大面积矩形等离子体束斑。该装置可以将圆形束斑的等离子体束转化为矩形束斑的等离子体束，不仅能够与圆截面磁过滤弯管相连构成磁过滤等离子体矩形引出装置，而且能够直接与圆形靶阴极真空电弧源连接引出矩形束斑的等离子体束。该装置适合对长条状、大面积和卷材类工件进行镀膜，实现对长条状或卷材类工件的批量镀膜处理。同时提高等离子体的利用效率和膜层质量以及膜层均匀性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置由由一个矩形口的梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈组成，构成一个梯形通电螺线管。管道截面成矩形。梯形管道的小口端经合理装配方式(例如连接法兰、焊接等)与磁过滤弯管或者弧源连接，梯形管道的大口端经合理装配方式(例如连接法兰、焊接等)与真空室连接，组成阴极真空弧等离子体磁过滤镀膜装置。连接处应保证良好的气密性。梯形管道采用无磁性金属材料(例如铜、无磁不锈钢、铝等)制造，管道本身具有良好的气密性。梯形通电螺线管通电后产生磁场用于磁化等离子体。等离子体从梯形管道小口端进入沿着磁力线呈扇形发散后由梯形管道的大口端引出，再进入真空室。由于磁力线方向与电流方向垂直，为了使等离子体沿磁力线均匀发散，梯形管道外的磁场线圈以合适的曲率半径凸向大口端呈弧形绕制(称为圆弧绕制)，使磁力线呈扇形均匀发散。根据实际工作的需要，梯形管道长度、出口端高度和宽度的尺寸可适当调整。此外，梯形管道需要合适的冷却措施以确保正常工作。管道可以采用夹层直接通以冷却液(水、油等)，或者采用细铜管绕制线包通冷却液，或者采用导热性好的材料制造管道，在合适的位置(例如管道两端的法兰)冷却。

本发明的有益效果是：该装置能够将圆形束斑的等离子体束转化为矩形束斑的等离子体束，从而获得大面积矩形束斑。而且该装置引出的矩形等离子体束均匀性好，适合对长条状、大面积、卷材类工件进行镀膜处理，获得高质量的膜层。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1：是本发明的矩引出装置的正视示意图

图2：是图1中矩形引出装置的左视图

图3：是图1中矩形引出装置的右视图

图4：是本发明的矩形引出装置的一个实施例

图中

1：梯形管道小口端2：圆形连接法兰3：梯形管道大口端4：磁场线圈5：矩形连接法兰。

具体实施方式

图1所示是本发明圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置的正视示意图。本发明由一个矩形口梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈组成。梯形管道的两端设计有适当的连接措施(法兰或焊接等其他密封连接)。梯形管道的矩形口大小和梯形管道长度尺寸可根据实际需要进行调整。由于磁力线的方向与电流方向垂直，为了使等离子体沿磁力线呈扇形均匀发散，梯形管道外的磁场线圈呈圆弧状弧形绕制，使得磁力线呈扇形均匀发散。磁场线圈励磁电流的大小可以根据实际需要进行调整。梯形管道设计有合适的冷却措施。

在图1中，该矩形引出装置由梯形管道小口端(1)、两个连接法兰(2，5)、梯形管道大口端(3)、磁场线圈(4)组成梯形通电螺线管；如图2所示是图1中矩形引出装置的左视图，由梯形管道小口端(1)、连接法兰(2，5)、磁场线圈(4)组成；如图3所示是图1中矩形引出装置的右视图，由梯形管道大口端(3)、连接法兰(2，5)、磁场线圈(4)组成。该矩形引出装置的梯形管道小口端(1)通过圆形连接法兰(2)与磁过滤弯管或弧源密封连接，梯形管道大口端(3)通过矩形连接法兰(5)与真空室密封连接。等离子体从梯形管道小口端(1)进入，受磁场线圈(4)产生的磁场约束和引导，沿磁力线呈扇形均匀发散，再从梯形管道大口端(3)引出进入真空室。磁场线圈(4)的励磁电流大小能够按实际需要进行调节。

在图4所示的实时例中，该矩形引出装置由两个连接法兰(2，5)、磁场线圈(4)和一个梯形管道组成通电螺线管。梯形管道小口端的圆形连接法兰(2)为Φ260mm厚18mm，小口端开口为175mm*128mm的矩形开口；梯形管道大口端的矩形连接法兰为350mm*170mm*18mm，大口端开口为305mm*128mm的矩形开口。梯形管道的有效长度(即梯形的高)为380mm。梯形管道与连接法兰采用不锈钢制作，通过焊接连接起来。管道外壁点焊有薄铜皮将热量快速传导到两端的法兰处，在连接法兰上设计有冷却水通过的回路进行冷却。梯形管道外绕制的线圈安匝数为75安匝/厘米，磁场线圈(4)的励磁电流1A到5A可调。等离子体经梯形管道的小口端进入被磁场磁化，沿着磁力线运动呈扇形均匀发散，再经梯形管道大口端引出，获得矩形等离子体束，从而能够获得大面积矩形束斑。图中示意了等离子体的运动方向和发散情况。

Claims (5)

1.一种圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置，其特征是：该装置由一个矩形口梯形管道和圆弧绕制的磁场线圈构成的梯形通电螺线管，能够将圆形束斑的等离子体束转化为矩形束斑的等离子体束。

2.根据权利要求1所述的圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置，其特征是：梯形管道外的磁场线圈圆弧形绕制，圆弧的曲率可以根据实际需要进行调整。励磁电流大小可调。

3.根据权利要求1所述的圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置，其特征是：矩形口梯形管道为无磁性金属材料制造，管道本身具有良好的气密性。梯形管道长度、小口端和大口端的高度宽度尺寸根据实际需要进行调整。

4.根据权利要求1所述的圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置，其特征是：该装置通过合适的连接方式(法兰，焊接等)与过滤管道或弧源、真空室连接，组成阴极真空弧等离子体磁过滤镀膜装置，连接处应该有良好的气密性。

5.根据权利要求1所述的圆形靶阴极真空电弧源等离子体磁过滤矩形引出装置，其特征是：该装置必须要有合适的冷却措施以确保正常工作。