CN105903724B - 微小空间内表面放电清洗方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微小空间内表面放电清洗方法和装置，包括强场空间容器和真空系统，真空系统包括用于抽真空的抽气装置和用于充入清洗气体的充气装置；抽气装置和充气装置均连接若干个待清洗工件内部的微小空间；待清洗工件置于强场空间容器内；强场空间容器连接用于在其内部空腔内产生电磁场的辐射源。本发明先将待清洗的微小空间内部抽真空，然后向该微小空间内充入清洗气体，将该微小空间处于特高频电磁波的辐射场中，通过辐射源产生的电磁场与清洗气体进行配合，能够使清洗气体直接在待清洗工件内的微小空间内放电并产生等离子体，从而完成对微小空间内部的清洗，除去工件微小空间内的杂质。

Description

微小空间内表面放电清洗方法和装置

【技术领域】

本发明涉及放电清洗领域，具体涉及微小空间内表面放电清洗方法和装置。

【背景技术】

小型气体放电激光器如氦氖激光器由于极佳的相干性而被广泛使用，如在导航领域中的激光陀螺。其放电管通常为毛细管。由于空间微小不易被常规方法(如机械、化学等)充分清洗。虽然采用直流放电方法也可对毛细管腔体进行清洗，但后者因放电激发起的污染物在直流电场作用下产生定向运动，并污染反射镜。因此，更好的方式是采用无极放电(射频、微波放电)方法清洗。但现有的射频和微波放电等离子体清洗设备只能用于工件外表面放电清洗，虽然工件也是放在真空空间内，但放电相包围工件，等离子体不易有效进入工件内部(特别是内部空间细小时)，导致内部直径小的空间不能放电，因此不能达到良好清洗地目的，而对于气体激光器这类工件，放电毛细管内壁必须清洗，否则容易导致整个激光管失效。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种微小空间内表面放电清洗方法和装置，能够对直径小的微小空间内部进行清洗。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括强场空间容器和真空系统，真空系统包括用于抽真空的抽气装置和用于充入清洗气体的充气装置；抽气装置和充气装置均连接待若干个清洗工件内部的微小空间；待清洗工件置于强场空间容器内；强场空间容器连接用于在其内部空腔内产生电磁场的辐射源。

进一步地，辐射源包括电源以及与电源相连的若干个振荡源；每个振荡源均分别通过隔离器同强场空间容器相连。

进一步地，振荡源采用输出功率在100W以上且输出频率在0.9～5.9GHz的振荡器；振荡器均匀分布在强场空间容器外侧且为微波电子管或半导体器件。

进一步地，真空系统中设置有真空计。

进一步地，清洗气体为待清洗工件的工作气体。

进一步地，强场空间容器包括屏蔽外壳，屏蔽外壳上设置带屏蔽网的观察窗。

进一步地，待清洗工件的材料为玻璃或陶瓷；微小空间为内径在1～20毫米的毛细管或圆泡。

本发明方法的技术方案是：包括以下步骤：

a)首先将待清洗工件内部的微小空间与真空系统相连，并将待清洗工件放入强场空间容器内；将强场空间容器与用于在其内部空腔内产生电磁场的辐射源相连；

b)通过真空系统将微小空间内抽真空，然后通过真空系统向微小空间内充入清洗气体；

c)启动辐射源产生电磁场，使清洗气体放电清洗微小空间内表面，最后通过真空系统放气，完成清洗。

进一步地，步骤b)中抽真空后气压不高于1Pa；充入清洗气体直至气压为20～20000Pa。

进一步地，步骤c)中清洗气体放电后如果变色，则重复步骤b)直至清洗气体放电不再变色，通过真空系统放气，完成清洗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置通过设置强场空间容器，能够将辐射源产生的电磁场全部限制在其腔体内，将待清洗工件放置在强场空间容器中，通过设置真空系统，能够对待清洗工件中微小空间内部抽气和充入清洗气体，而待清洗工件外表面仍处于大气环境中且没有放电过程，本发明通过辐射源产生的电磁场与清洗气体进行配合，能够使清洗气体直接在待清洗工件内的微小空间内放电并产生等离子体；同时工件介质吸收电磁波而升温，介质内溶解的杂质气体在温度作用下向低气压的内部微小空间扩散，最终进入微小空间内部，通过等离子体作用，从而完成对微小空间内部的清洗，并在清洗完成后能够通过真空系统的抽气装置将清洗后含有杂质的气体全部抽出，避免污染。本发明适用于微小空间清洗领域，特别适合激光陀螺放电毛细管清洗。

进一步地，本发明通过设置隔离器，在辐射源与强场空间容器之间起到隔离作用，阻止从强场空间容器中反射的电磁波进入振荡源，防止其干涉正常运转。

进一步地，本发明通过采用功率在100W以上且输出频率在0.9～5.9GHz的振荡器，能够兼顾辐射场频率与引燃电压及放电直径之间的关系，才能使放电起辉，从而保证对微小空间的清洗。

进一步地，本发明通过采用待清洗工件的工作气体作为清洗气体，避免引入新污染。

进一步地，本发明待清洗工件的材料为玻璃或陶瓷，为高频介质损耗不大的材料，其对电磁波的吸收不足以影响微小空间内放电，产生的工件温升幅度不足以破坏待清洗工件本身，且高频介质损耗产生适当的温升有利于清除待清洗工件介质材料内部溶解的杂质气体。

本发明提供了一种毫米级微小空间内表面放电清洗方法，先将待清洗的微小空间内部抽真空，然后向该微小空间内充入清洗气体，将该微小空间处于特高频电磁波的辐射场中。当辐射源功率输出足够高时，其产生的电磁场足以引起待清洗空间内的清洗气体放电，除去工件微小空间内壁以及工件介质内部所含的杂质，达到清洗微小空间的目的，清洗方法简单，效果好。

进一步地，本发明中工作气体除了能够在电磁场作用下放电进行清洗外，还能够通过颜色变化对清洗是否完成给出提示。

【附图说明】

图1是本发明实施例一振荡器和待清洗工件均为一个的结构示意图；

图2是本发明实施例二采用多个振荡器对一个待清洗工件进行清洗的结构示意图；

图3是本发明实施例三采用多个振荡器对多个待清洗工件同时清洗的结构示意图；

图4是本发明中振荡器和隔离器的特高频电磁波出口垂直正对于待清洗工件正面的示意图。

其中：1-振荡器；2-待清洗工件；3-真空系统；4-隔离器；5-电源；6-电磁场；7-微小空间；8-抽气管路；9-屏蔽外壳；10-带屏蔽网的观察窗。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，图2，图3，本发明装置包括强场空间容器和真空系统3，强场空间容器包括屏蔽外壳9，屏蔽外壳9上设置带屏蔽网的观察窗10。屏蔽外壳9连接用于在其内部空腔内产生电磁场6的特高频辐射源，该辐射源能与清洗工件2内微小空间7耦合并与待清洗工件2介质材质匹配，即待清洗工件2介质材质对特高频的吸收不影响正常放电；待清洗工件2为若干个，均置于屏蔽外壳9内且应处在电磁场6中的较强处；整个辐射源的电磁场6应被限制屏蔽在良好导体构成的腔体屏蔽外壳9内，良好导体均可充作屏蔽材料，如铜、铝等。

辐射源包括电源5以及与电源5相连的若干个振荡源，振荡源至少为1个，且在振荡源的个数大于1时，振荡源均匀分布在屏蔽外壳9的周围，且能够同时工作或者分时交替工作，以在屏蔽外壳9内产生360°旋转的电磁场6或360°的均匀电磁场6；振荡源可根据放电毛细管的内径来选取频率，振荡源采用输出功率在100W以上且输出频率在0.9～5.9GHz的振荡器1；振荡器1为微波电子管或半导体器件，其中微波电子管器件可以采用磁控管、速调管或行波管等；半导体器件可以采用LDMOS等。通常900～2500MHz的振荡器1能够满足内径10～1mm的微小空间7清洗。更细的微小空间7清洗需更高的频率；本发明根据超高频场频率与引燃电压及放电直径的关系，提出了与这一毫米级尺寸相应的辐射频率。振荡源配合相应电源5构成全套辐射源。

辐射源与由屏蔽外壳9形成的强场封闭空间之间应设置隔离器4，阻止从强场中反射的电磁波进入振荡源，防止其干涉正常运转。本发明中每个振荡源均分别通过隔离器4连接屏蔽外壳9。根据选用的频率，本发明每个振荡源与屏蔽外壳9的连接方式可以选用波导连接或同轴电缆连接。若用波导连接则隔离器4应是波导隔离器，简单易行的方案为弯曲波导。空间较大、频率较低时可用同轴线连接振荡器1和强场空间容器，隔离器4也可用电路实现。

真空系统3包括抽气装置和充气装置；抽气装置和充气装置均通过抽气管路8连接待清洗工件2内部的微小空间7，其中，本发明中采用共用的一个抽气管路8；也可以根据生产工艺需要设计互相独立的充气通道和排气通道，形成气体流动式放电清洗，让毛细管内气压保持在20～20000Pa，进行放电；观察气体放电颜色是否变色，直至清洗气体放电不再变色；抽气装置用于对微小空间7进行抽真空，充气装置用于向微小空间7内充入所需的能够放电的清洗气体，因此待清洗工件2外表面仍处于大气环境中且没有放电过程；真空系统3中设置有真空计，用于真空测量。

本发明待清洗工件2是高频低介质损耗材料构成的激光陀螺，该材料对特高频的辐射吸收不足以影响微小空间7内放电，产生的工件温升幅度不足以破坏待清洗工件2本身，该材料如玻璃或陶瓷等；微小空间7为内径在1～20毫米的毛细管或圆泡，本发明尤其适合10mm以下毛细管的清洗。本发明特别适用于需要深度清洗的弱激光放电管，如激光陀螺放电管的内壁清洗。

本发明放电清洗方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)首先将待清洗工件2内部的微小空间7与真空系统3相连，并将待清洗工件2放入屏蔽外壳9内；将屏蔽外壳9与用于在其内部空腔内产生电磁场6的辐射源相连；

b)通过真空系统3将微小空间7内抽真空，抽气速率取决于待清洗工件2形状是否复杂，一次连接的待清洗工件2数量多少，如果抽气装置采用机械真空泵，通常抽气速率选择2～4L/min即可；抽真空后气压要求视工件清洗程度需求高低而定，一般情况下只采用机械泵即可，通常气压不高于1pa；需要深度清洗的可采用第一级机械泵+第二级涡轮分子泵/扩散泵模式，一般气压不高于10^-3Pa，否则不能保证有效清洗；然后通过真空系统3的充气装置向微小空间7内充入一定量的清洗气体，直至微小空间内气压为20～20000Pa。待清洗工件2为激光陀螺时，真空系统抽气后气压不高于10^-3Pa，充气装置充入的清洗气体通常为待清洗工件2的工作气体；如氦氖激光陀螺的工作气体为氦气和氖气，如对氦氖激光毛细管(内径约4mm)清洗时应能充入800～1500Pa的氦或氖气。待清洗工件2为其它器件时，根据具体需求，充气装置充入的清洗气体可以为惰性气体或其它气体等，如小型灯泡可用氩气清洗，当毛细管内为还原性污染物可以用氧气清洗；氧化性污染物可以用氢气清洗(氦氖激光器中禁止使用氢气清洗)。

c)启动辐射源产生电磁场6，使清洗气体放电清洗微小空间7内表面，清洗气体放电后如果变色，则重复步骤b)直至清洗气体放电不再变色，最后通过真空系统3放气，完成清洗。

实施例一

具体实施装置如图1所示。将待清洗工件2接入真空系统3，放入屏蔽外壳9中通过抽气装置和抽气管路8开始抽气。待真空抽至气压在10^-3Pa及以下时，再通过充气装置和抽气管路8充入合适气压的气体。如待清洗对象为激光陀螺，则充入高纯氦气或氖气。充入气压根据振荡源频率和待清洗毛细管内径而定。待清洗工件2为激光陀螺，当激光陀螺内径为4mm的毛细管时可充入800～1500Pa，如激光陀螺材质为Schott微晶玻璃，振荡频率可选择1.8G Hz或2.45GHz，振荡源可以选择磁控管。

清洗过程：

1.连接好激光陀螺内部毛细放电管至真空系统3，抽气至气压10^-3pa，然后充入1200Pa高纯氖气.。

2.打开电源5，逐步增大注入功率，直到产生氖气放电。然后可适当降低功率，降低到基本维持放电的功率即可，即放电不熄灭，放电时间和场强大小，可根据对清洗的要求而定。

3.保持住放电，当放电管内发光颜色从氖放电的红光逐渐变化为其它颜色，比如发白，说明放电管内壁和材料内部的杂质分子已经充分进入气相。

4.停止放电，开始抽气至气压，将杂质排除。如果激光陀螺事先污染较重则短时间内氖气放电就会变色，如十几秒至几十秒，否则可维持放电5～8分钟后，观察放电是否变色如果不变色可以认为基本满足多数清洗要求，如果清洗要求更高可以观察更长时间，如变色说明仍需处理，从1-4重新清洗，直到放电不再变色，而氖气自身放电的红色，则说明清洗已经彻底。最后真空系统缓慢放气，清洗完成。本实施例可以对单个待清洗工件2进行单独清洗，也可以对多个待清洗工件2同时进行清洗，具体如下实施例2和实施例3。

实施例二

具体实施装置如图2所示。清洗气体种类与气压、激励频率的选择、清洗方法和过程与实施例一相同。

不同点在于：本实施例采用三个频率、功率相同的振荡器1，它们在空间位置分布上各相差120度，如图2所示。三个振荡器1可以分时交替工作，比如每个振荡器1工作3-8秒或更短更长时间，依次轮流工作A-B-C-A或AB-BC-CA-AB等方式，也可以采用其它方式配合工作如ABC同时工作。以便在屏蔽外壳9内产生360度旋转的电磁场6或360度的均匀电磁场6，目的在于实现对不方便自我旋转的待清洗工件2的更全面、完整、均匀的清洗。

三个振荡器1的工作协调可以由匹配电源5内部的控制单元来完成。控制单元可以由PLC、单片机或嵌入式系统等电路来实现。本发明不仅限于三个振荡器1，屏蔽外壳9形成的封闭空间也不限于六边形，也可采用多个振荡器1(或振荡器阵列)协同工作在封闭空间内产生旋转或均匀的特高频电磁场。

本实施例也可以对多个待清洗工件2同时进行清洗。多个待清洗工件2之间可以采用堆积或分散排列。本实施例特别适合屏蔽外壳9为圆形或多边形的情况。

实施例三

具体实施装置如图3所示。清洗气体种类与气压、激励频率的选择、清洗方法和过程与实施例一相同。本实施例为对多个待清洗工件2同时清洗的具体实施方案之一。一个振荡源可对应一个或多个待清洗工件2。

需说明的是，振荡器1和隔离器4的特高频电磁波出口并非仅限于图1、2、3所示正对于待清洗工件2一侧位置，也可以以任意角度入射待清洗工件2。如图4所示，垂直正对于待清洗工件2正面也是常用方式之一。这个方式也可用于单个待清洗工件2或多个待清洗工件2的清洁处理。

本发明提出了一种可在毫米级微小空间7(如毛细管)内实现放电清洗工件内壁的一种方法和装置。

本发明辐射源应具有足够的输出功率，通常100W以上，使用频率可在0.9～5.9GHz的范围内选择。选取的原则：1.待清洗工件2内部的微小空间7的空间尺寸(内径)越大则可选取较低频率，反之，则应选取较高频率；2.待清洗工件2材料对所选频率的辐射吸收不足以妨碍微小空间7内放电，相应的高频介质损耗产生待清洗工件2体内温升幅度不足以破坏待清洗工件2本身功能。说明：在待清洗工件2允许的范围内，当辐射源功率输出足够高时，其产生的电磁场足以引起待清洗空间内的清洗气体放电，同时高频介质损耗产生的温度加热待清洗工件2自身，有利于清除待清洗工件2介质材料内部溶解的杂质气体。较高温度作用下，杂质气体向低气压的微小空间7扩散，并被真空系统3抽气带走，从而达到深度清洗地目的；也避免污染周围的零件例如激光陀螺的反射镜。对于有深度清洗要求的工件如激光陀螺，选取频率时应考虑产生适当的高频损耗加热。

Claims (10)

1.微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：包括强场空间容器和真空系统(3)，真空系统(3)包括用于抽真空的抽气装置和用于充入清洗气体的充气装置；抽气装置和充气装置均连接待清洗工件(2)内部的微小空间(7)，待清洗工件(2)有若干个；待清洗工件(2)置于强场空间容器内；强场空间容器连接用于在其内部空腔内产生电磁场(6)的辐射源。

2.根据权利要求1所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：辐射源包括电源(5)以及与电源(5)相连的若干个振荡源；每个振荡源均分别通过隔离器同强场空间容器相连。

3.根据权利要求2所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：振荡源采用输出功率在100W以上且输出频率在0.9～5.9GHz的振荡器(1)；振荡器(1)均匀分布在强场空间容器外侧且为微波电子管或半导体器件。

4.根据权利要求1所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：真空系统(3)中设置有真空计。

5.根据权利要求1所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：清洗气体为待清洗工件(2)的工作气体。

6.根据权利要求1所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：强场空间容器包括屏蔽外壳(9)，屏蔽外壳(9)上设置带屏蔽网的观察窗(10)。

7.根据权利要求1所述的微小空间内表面放电清洗装置，其特征在于：待清洗工件(2)的材料为玻璃或陶瓷；微小空间(7)为内径在1～20毫米的毛细管或圆泡。

8.微小空间内表面放电清洗方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)首先将待清洗工件(2)内部的微小空间(7)与真空系统(3)相连，并将待清洗工件(2)放入强场空间容器内；将强场空间容器与用于在其内部空腔内产生电磁场(6)的辐射源相连；

b)通过真空系统(3)将微小空间(7)内抽真空，然后通过真空系统(3)向微小空间(7)内充入清洗气体；

c)启动辐射源产生电磁场(6)，使清洗气体放电清洗微小空间(7)内表面，最后通过真空系统(3)放气，完成清洗。

9.根据权利要求8所述的微小空间内表面放电清洗方法，其特征在于：步骤b)中抽真空后气压不高于1Pa；充入清洗气体直至气压为20～20000Pa。

10.根据权利要求8所述的微小空间内表面放电清洗方法，其特征在于：步骤c)中清洗气体放电后如果变色，则重复步骤b)直至清洗气体放电不再变色，通过真空系统(3)放气，完成清洗。