CN108004587A - 用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其包括放电电极、储气罐和抽气泵，所述放电电极位于待清洗的超高真空腔体内，所述待清洗的超高真空腔体的底壁上嵌设电极座，所述放电电极的一端插设于所述电极座内，所述电极座与直流电源电连接，所述储气罐与所述待清洗的超高真空腔体的一端相连，所述抽气泵与所述待清洗的超高真空腔体的另一端相连。本发明能在超高真空腔体内壁无损的情况下实现清洗和抛光，节能环保。

Description

用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置

技术领域

本发明涉及真空技术领域，具体是一种超高真空腔体内表面处理装置，更具体的是一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置。

背景技术

目前，超高真空系统是进行现代工件表面分析及研究的主要场所，在工件表面分析技术中使用超高真空系统也是非常必要的：首先，要分析的低能电子信号很容易被残余气体分子所散射，使得谱的总信号减弱，只有在超高真空条件下，低能电子才能获得足够长的平均自由程，而不被散射损失掉；其次，超高真空环境是表面分析技术中的表面灵敏性所必须的，在10^-6mbar的高真空下，大约1秒钟就会有一个单层的气体吸附在固体表面，这与典型的谱图采集时间相比就太短了，因此在分析过程中就需要超高真空环境来保持样品表面的清洁；最后，表面灵敏分析技术对样品表面清洁度的要求比其它分析技术要高得多，清洁的表面的制备和维持是十分必要的，而对表面的分析需要在超高真空中进行，才能保证表面不会在分析过程中被污染。

而为了使超高真空系统达到要求的真空度，必须保证其真空管道或腔室的内表面的清洁，目前，清洗真空管道或腔室常用的方法是机械拉丝抛光和化学清洗相结合，但是，该方法存在如下不足之处：(1)机械拉丝抛光很容易使被清洗的物体表面出现磨损，清洗不彻底，无法满足高洁净度清洗的要求，且劳动强度较大，需要设备停止工作才可进行，(2)化学清洗方法虽然能够使物体表面不出现磨损，但需要反复清洗，且如果对化学清洗液选择不当，会对清洗物造成腐蚀破坏，产生损失，还可能会引入新的杂质，且化学清洗排放的废液会造成环境污染，化学药剂的操作处理不当也会对人的健康和安全造成危害。

对于现有技术中的等离子体清洗装置，其主要用来清除表面积很小的腔体内部的水汽，采用的功率较小，放电电流为1mA以下，且现有的射频放电或微波放电等离子体清洗装置结构复杂，易泄漏，容易对环境和操作人员造成辐射。

有鉴于上述现有技术存在的问题，本发明人结合相关制造领域多年的设计及使用经验，提供一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其能在超高真空腔体内壁无损的情况下实现清洗和抛光，节能环保。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其包括放电电极、储气罐和抽气泵，所述放电电极位于待清洗的超高真空腔体内，所述待清洗的超高真空腔体的底壁上嵌设电极座，所述放电电极的一端插设于所述电极座内，所述放电电极通过所述电极座与直流电源电连接，所述储气罐与所述待清洗的超高真空腔体的一端相连，所述抽气泵与所述待清洗的超高真空腔体的另一端相连。

在优选的实施方式中，所述待清洗的超高真空腔体的底壁上设有开孔，所述电极座包括插设于所述开孔内的插入部和位于所述待清洗的超高真空腔体外的基体部，所述插入部上套设密封铜垫圈，所述密封铜垫圈位于所述基体部与所述待清洗的超高真空腔体的底壁之间。

在优选的实施方式中，所述储气罐通过进气阀与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述进气阀与所述待清洗的超高真空腔体之间设置密封铜垫圈。

在优选的实施方式中，所述抽气泵通过泄气阀与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述泄气阀与所述待清洗的超高真空腔体之间设置密封铜垫圈。

在优选的实施方式中，所述用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置还包括离子规、气体分析器、泵车和四通阀，所述四通阀包括的一个进口和三个出口，所述四通阀的进口通过连接管道与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述四通阀的三个出口分别与所述离子规、所述气体分析器和所述泵车相连。

在优选的实施方式中，所述放电电极的直径为0.5mm～5mm，所述放电电极的长度为0.1m～1m。

在优选的实施方式中，所述待清洗的超高真空腔体内的放电气压为10mbar～10^{- 2}mbar。

在优选的实施方式中，所述直流电源的输入功率与所述待清洗的超高真空腔体的内表面积成正比。

在优选的实施方式中，所述放电电极由铜、钼、钛、铬镍铁合金、不锈钢或钽制成。

在优选的实施方式中，所述储气罐内的气体为氧气、氮气或氩气。

本发明用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置的特点及优点是：

本发明将针状的放电电极设置在待清洗的超高真空腔体内，并将其一端插设于嵌设在待清洗的超高真空腔体的底壁上的电极座内，放电电极通过电极座与直流电源电连接，同时将储气罐和抽气泵分别连接于待清洗的超高真空腔体的两端，以在待清洗的超高真空腔体内进行直流辉光放电，实现对各种(例如大型)超高真空腔体(例如超高真空管道)内壁的清洗和抛光，使通过等离子体清洗和抛光后的超高真空腔体能够有效缩短达到超高真空状况的时间，保证超高真空腔体内壁无损，避免对环境和操作人员造成辐射，清洗均匀彻底，操作安全，节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置的结构示意图。

附图标号说明：

1储气罐，2进气阀，3超高真空腔体，4放电电极，5电极座，6泄气阀，7抽气泵，8直流电源，9连接管道，10离子规，11四通阀，12泵车，13气体分析器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其包括放电电极4、储气罐1和抽气泵7，所述放电电极4位于待清洗的超高真空腔体3内，所述待清洗的超高真空腔体3的底壁上嵌设电极座5，所述放电电极4的一端插设于所述电极座5内，所述放电电极4通过所述电极座5与直流电源8电连接，所述储气罐1与所述待清洗的超高真空腔体3的一端相连，所述抽气泵7与所述待清洗的超高真空腔体3的另一端相连。

具体的，超高真空腔体3可为柱状的超高真空管道，或者其也可为立方体形的超高真空腔室，超高真空腔体3由不锈钢材料制成，且与其相连接的各管道也由不锈钢材料制成，各管道与超高真空腔体3相接处可使用具有刀口的法兰和铜垫圈进行密封；放电电极4大体呈针状，其通过电极座5能与直流电源8相导通，以在超高真空腔体3内进行直流辉光放电，电极座5大体呈T形，用于将放电电极4密封固定于超高真空腔体3内，且还能实现放电电极4与直流电源8的导通，其中，直流电源8为直流高压电源，即直流电源8的电压为0～1000V，电流为0～300mA；储气罐1位于超高真空腔体3外，其为耐高压的罐体，其用于盛装待注入超高真空腔体3内的放电气体，抽气泵7位于超高真空腔体3外，其用于从超高真空腔体3内抽出气体，以满足等离子体放电时需要的真空度，储气罐1和抽气泵7分别设于超高真空腔体3的两端，便于各设备的空间分布设置。

进一步的，所述待清洗的超高真空腔体3的底壁上设有开孔，所述电极座5包括插设于所述开孔内的插入部和位于所述待清洗的超高真空腔体3外的基体部，所述插入部上套设密封铜垫圈，所述密封铜垫圈位于所述基体部与所述待清洗的超高真空腔体3的底壁之间，以实现电极座5与超高真空腔体3的底壁之间的密封，避免超高真空腔体3出现泄漏而影响真空度，其中，基体部大体呈扁圆柱形，插入部大体呈圆柱形，插入部的直径小于基体部的直径，针状的放电电极4插设于电极座5的插入部的中心，以保证放电电极4的稳定，优选的，所述放电电极4的直径为0.5mm～5mm，所述放电电极4的长度为0.1m～1m，当然，还可根据待清洗的超高真空腔体3的尺寸和形状对放电电极4的尺寸和形状进行选择。

进一步的，如图1所示，所述储气罐1通过进气阀2与所述待清洗的超高真空腔体3相连，所述进气阀2与所述待清洗的超高真空腔体3之间设置密封铜垫圈，以保证二者之间的密封，所述抽气泵7通过泄气阀6与所述待清洗的超高真空腔体3相连，所述泄气阀6与所述待清洗的超高真空腔体3之间设置密封铜垫圈，以保证二者之间的密封。

进一步的，如图1所示，所述用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置还包括离子规10、气体分析器13、泵车12和四通阀11，所述四通阀11包括的一个进口和三个出口，所述四通阀11的进口通过连接管道9与所述待清洗的超高真空腔体3相连，所述四通阀11的三个出口分别与所述离子规10、所述气体分析器13和所述泵车12相连，具体的，连接管道9是直径为3.175mm的不锈钢管道，其上至少设有一个阀门，优选的，可在连接管道9靠近超高真空腔体3和四通阀11的两端分别设置一个阀门，离子规10用于在放电进行时监测超高真空腔体3内的放电电压，气体分析器13(Residual Gas Analyzer)用于分析超高真空腔体3通过等离子体清洗抛光前后的内部残余气体的成分变化，其中，离子规10、气体分析器13和泵车12均为现有技术中已知的设备，三者的具体结构在此不再赘述。

所述待清洗的超高真空腔体3内的放电气压即为待清洗的超高真空腔体3在清洗过程中放入放电气体后的气压，其与直流电源8的输入功率相平衡，较佳的，所述待清洗的超高真空腔体3内的放电气压为10mbar～10^-2mbar，以利于放电电极4进行直流辉光放电，其中，超高真空腔体3的放电气压是通过抽气泵7抽吸实现的。

直流电源8的输入功率即为放电功率，增加输入功率即可增加等离子体功率，以增加等离子体内的离子密度和离子能量，进而增加倾斜速度和清洁强度，但是，增加输入功率太多，可能会对待清洗的超高真空腔体3(或超高真空管道)有害，且还会影响清洗结果，故输入功率需适当，以通过合适的放电功率对超高真空腔体3高效地实现等离子体清洗和抛光，其中，输入功率(也即放电功率)是根据超高真空腔体3的大小和材料选定的，较佳的，所述直流电源8的输入功率与所述待清洗的超高真空腔体3的内表面积成正比，既能保证超高真空腔体3的内壁被彻底清洗和抛光，还能避免对超高真空腔体3造成损伤。

放电电极4用于放电，而电极座5用于密封不参与放电，放电电极4的材料是根据污染物的种类、污染程度及待清洗的超高真空腔体3的材料进行选择的，较佳的，所述放电电极4由铜、钼、钛、铬镍铁合金、不锈钢或钽制成，其可安装在镀铝的铜管上，既能有效除去污染物，又能清洗腔体，还能避免电极腐蚀，当然，放电电极4也可采用其他合适的材料，在此不做限制。

储气罐1内的放电气体的选择是根据待清洗的超高真空腔体3的材料、污染物的种类和污染程度而定，针对不锈钢的超高真空腔体3，所述储气罐1内的气体为氧气、氮气或氩气，或者储气罐1内的气体也可为空气，既能有效除去污染物，又能清洗腔体，还能避免电极腐蚀，当然，储气罐1内的气体也可为其他合适的气体，在此不做限制。

放电电极4的放电时间与放电气体、放电气压和直流电源8的输入功率有关，增加输入功率可有效缩短等离子体的放电时间，但是功率过大，离子密度和离子能量会增高，离子轰击超高真空腔体3的内壁的几率和轰击产生的热量将增加，会造成真空管道的温度的升高，而对待清洗的超高真空腔体3造成损害，还会造成抛光不均匀或清洗过度，故综合考虑放电时间和放电功率以优化处理工艺是必须的，其中，放电电极4的放电时间为8小时～12小时，较佳的，放电电极4的放电时间为12小时。

等离子体(plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，被视为是物质的第四态，被称为等离子态，其不同于固体、液体和气体，其是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，具有很高的电导率。等离子体清洗技术主要是依靠等离子体放电过程中产生的活性自由基的“活化作用”来去除物体表面的杂质，通过气相化学反应，有机污染物和油污被转化成气相的水和二氧化碳，这些气体被带走后即可实现清洗，且因放电中产生的等离子体是各项异性的，这使得它可以深入到物体的微细孔眼和凹陷的内部完成清洗任务，故不需要过多考虑被清洗器壁的形状。等离子体清洗技术可对各种基材进行处理，例如对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料(例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚眈亚胶、聚醋、环氧树脂等高聚物)都能很好地处理。

本发明用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置在工作时，将直流电源8与电极座5电连接，放电电极4插设安装于电极座5上，通过密封铜垫圈将插设有放电电极4的电极座5密封装设于待清洗的超高真空腔体3的底壁上，为保护待清洗的超高真空腔体3，在清洗开始前，首先打开抽气泵7，再打开泄气阀6，以对超高真空腔体3进行抽真空，然后，打开进气阀2，通过储气罐1向带清洗的超高真空腔体3中注入放电气体，并通过调节进气阀2，实现对超高真空腔体3内的放电气压的调整，以使放电稳定进行，接通直流电源8，在超高真空腔体3内进行直流辉光等离子放电，以实现对超高真空腔体3的内壁的同时清洗和抛光，期间，可通过离子规10监测放电过程超高真空腔体3内的放电气压，并通过泵车12从超高真空腔体3内抽取微量的气体，以对超高真空腔体3内的初始气体和残余气体进行成分分析，结束后，断开直流电源8，关闭泄气阀6，再关闭抽气泵7、进气阀2、离子规10、气体分析器13和泵车12即可。

本发明用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置是一种彻底的剥离式的直流辉光等离子清洗抛光装置，其功率大，放电电流高，通过直流辉光放电实现在超高真空腔体内壁无损的情况下完成清洗抛光，能有效对具有油污杂质的超高真空腔体3的内壁等进行清洗抛光，适用于50升以上的大型真空腔体(例如真空管道)的清洗抛光，其相较于现有技术中的射频放电和微波放电而言，能有效避免能量的泄漏，避免对环境和操作人员造成辐射。

本发明将针状的放电电极4设置在待清洗的超高真空腔体3内，并将其一端插设于嵌设在待清洗的超高真空腔体3的底壁上的电极座5内，电极座5与直流电源8电连接，同时将储气罐1和抽气泵7分别连接于待清洗的超高真空腔体3的两端，以在待清洗的超高真空腔体3内进行直流辉光放电，实现对各种大型的超高真空腔体3(例如超高真空管道)内壁的清洗和抛光，使通过等离子体清洗和抛光后的超高真空腔体3能够有效缩短达到超高真空状况的时间，保证超高真空腔体3内壁无损，避免对环境和操作人员造成辐射，清洗均匀彻底，操作安全，节能环保。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置包括放电电极、储气罐和抽气泵，所述放电电极位于待清洗的超高真空腔体内，所述待清洗的超高真空腔体的底壁上嵌设电极座，所述放电电极的一端插设于所述电极座内，所述放电电极通过所述电极座与直流电源电连接，所述储气罐与所述待清洗的超高真空腔体的一端相连，所述抽气泵与所述待清洗的超高真空腔体的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述待清洗的超高真空腔体的底壁上设有开孔，所述电极座包括插设于所述开孔内的插入部和位于所述待清洗的超高真空腔体外的基体部，所述插入部上套设密封铜垫圈，所述密封铜垫圈位于所述基体部与所述待清洗的超高真空腔体的底壁之间。

3.根据权利要求1或2所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述储气罐通过进气阀与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述进气阀与所述待清洗的超高真空腔体之间设置密封铜垫圈。

4.根据权利要求1或2所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述抽气泵通过泄气阀与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述泄气阀与所述待清洗的超高真空腔体之间设置密封铜垫圈。

5.根据权利要求1或2所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置还包括离子规、气体分析器、泵车和四通阀，所述四通阀包括的一个进口和三个出口，所述四通阀的进口通过连接管道与所述待清洗的超高真空腔体相连，所述四通阀的三个出口分别与所述离子规、所述气体分析器和所述泵车相连。

6.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述放电电极的直径为0.5mm～5mm，所述放电电极的长度为0.1m～1m。

7.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述待清洗的超高真空腔体内的放电气压为10mbar～10^-2mbar。

8.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述直流电源的输入功率与所述待清洗的超高真空腔体的内表面积成正比。

9.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述放电电极由铜、钼、钛、铬镍铁合金、不锈钢或钽制成。

10.根据权利要求1所述的用于超高真空腔体的等离子体清洗抛光装置，其特征在于，所述储气罐内的气体为氧气、氮气或氩气。