CN108278633B - 用于高压脉冲引弧的非接触点火方法及点火器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于高压脉冲引弧的非接触点火方法和点火器，该非接触点火方法为：在阴极靶中心开设中心通孔，将点火组件置于所述中心通孔内；在阴极靶表面产生与阴极靶表面垂直的磁场，以点火组件为点火辅助阳极，以高压脉冲电源为电源进行点火。该非接触点火器，设于阴极靶中心开设的中心通孔内，包括点火针和点火片，所述点火片套于所述点火针顶部，所述点火片用来进行尖端放电。本发明的点火过程中，点火组件无需与阴阳极接触，从而可避免由点火组件接触阴阳极所导致的引弧失败、点火组件损坏、阴极靶污染等不利影响。
Description
技术领域
本发明属于高压脉冲引弧技术领域，尤其涉及用于高压脉冲引弧的非接触点火方法及点火器。
背景技术
阴极电弧沉积是指在真空室中，通过电弧放电产生来自蒸发源(即阴极)薄膜材料的蒸汽发射，并在负偏压作用下沉积在衬底上形成薄膜。电弧放电过程中，阴极蒸发源表面形成一个或多个弧斑，电子、离子、中性原子以及源材料的大颗粒由于电弧斑点的高温高电流密度而发射。源物质离子是薄膜沉积中最重要的物种。阴极电弧沉积特点之一是入射蒸发离子的能量足够高，因此，容易产生高硬度、高耐磨性的高密度薄膜。不仅如此，阴极电弧沉积的成膜速度快速且生产效率高，已在工业上得到广泛的应用。
点燃阴极和阳极之间的电弧等离子体是电弧放电的一个重要环节。一旦电弧点燃就可以自动维持，引弧辅件不再需要除非电弧熄需要再引燃。传统引弧方法是通过一个移动的辅助电极经过一个小电阻(例如，约10欧姆)连接阳极和阴极，产生短电流。一旦建立电流，将移动电极从阴极中弹开，在阴极和阳极之间产生火花放电的电弧。这种机械点燃电弧放电的方法存在着一些可靠性问题，因为电弧的高温经常导致移动电极焊接在阴极表面不能弹开，因此电弧启动失败。另外，它还需要使用移动部件(至少电极必须是移动的)，使得弧源的结构复杂。
已知一种无须移动部件的应用于焊接领域的高压脉冲引弧方法，采用极间高压火花放电点火。利用高压火花成功引燃电弧需要很强的电场，意味着必须有很短的极间距离(1-2mm)。由于极间距离短，作为点火辅助电极的点火针，会干扰阴极表面弧斑的运动，同时点火针靠近炽热的阴极弧斑会引起点火针元素挥发污染等离子体；更为严重地，会烧毁点火针。
发明内容
本发明的目的是提供用于高压脉冲引弧的非接触点火方法及点火器，可避免由点火辅助电极接触阴阳极所导致的引弧失败。
本发明用于高压脉冲引弧的非接触点火方法，包括：
在阴极靶中心开设中心通孔，将点火组件置于所述中心通孔内；在阴极靶表面产生与阴极靶表面垂直的磁场，以点火组件为点火辅助阳极，以高压脉冲电源为电源进行点火。
进一步的，所述点火组件包括点火针和点火片，所述点火片套于所述点火针顶部，所述点火片用来进行尖端放电。
进一步的，所述点火组件还包括点火针压板，所述点火针压板用来固定所述点火针。
作为优选，所述点火针包括绝缘部和导电针，所述绝缘部为顶端有槽的陶瓷柱，所述导电针为金属针，金属针通过陶瓷柱顶端的槽与陶瓷柱真空封接。
作为优选，所述点火片为带中心孔的三角形片，该中心孔尺寸与所述点火针匹配；所述点火片的三个尖角和中心孔边缘均设有锯齿。
作为优选，所述中心通孔为下窄上宽的锥形通孔。
本发明用于高压脉冲引弧的非接触点火器，设于阴极靶中心开设的中心通孔内，该点火器包括点火针和点火片，所述点火片套于所述点火针顶部，所述点火片用来进行尖端放电。
本发明非接触点火方法和点火器可用于高压脉冲引弧，利用具高压脉冲引弧功能的电源供电，利用线圈组件在阴极靶表面产生垂直阴极靶表面的纵向磁场，设于阴极靶中心通孔内的点火片尖端放电击穿产生花火放电，并形成弧斑。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)基于高压脉冲引弧和磁场对阴极弧斑运动的影响原理，提出了一种非接触点火方法和点火器，点火过程中，点火组件无需与阴阳极接触，从而可避免由点火辅助电极接触阴阳极所导致的引弧失败、点火组件损坏、阴极靶污染等不利影响。
(2)本发明非接触点火器结构简单，制作成本低廉，便于安装和维护。
附图说明
图1为非接触点火器应用于电弧等离子源的具体结构示意图；
图2为实施例中点火片的结构示意图。
图中，1-阴极基板，2-水冷铜板，3-铜板压环，4-阴极靶，5-压靶环，6-绝缘垫，7-限弧环，8-限弧罩，9-线圈，10-线圈骨架，11-点火针，12-点火片，13-点火针压板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，并获得其他的实施方式。
将本发明非接触点火器用于电弧等离子源，可实现高压脉冲引弧。下面将以采用了本发明非接触点火器的电弧等离子源为例，对本发明的技术原理及技术效果进行详细说明。
见图1所示，采用了本发明非接触点火器的电弧等离子源包括阴极基板1、带冷却水道的水冷铜板2、铜板压环3、阴极靶4、压靶环5、限弧组件、线圈组件和点火组件。本实施例中，所述阴极基板1采用304不锈钢圆板加工而成，其上设有密封槽、螺孔等结构，其他部件通过紧固螺栓直接或间接地安装于所述阴极基板1上。本发明中，所述阴极靶4为耗材，根据所需沉积涂层，可以为钛、铬、铝钛、铝铬、钛硅、铝硅等金属或合金靶。
所述水冷铜板2设于所述阴极基板1上，所述阴极靶4设于所述水冷铜板2上；所述铜板压环3设于所述水冷铜板2周围，且铜板压环3的厚度大于所述水冷铜板2的厚度。当阴极靶4被消耗需要更换时，松开压靶环5，由于铜板压环3和水冷铜板2间存在高度差，冷却水不致溢出。
本实施例中，所述水冷铜板2采样无氧铜材料加工而成。区别于传统阴极弧源的冷却水道设计在阴极基板上，本发明冷却水道则设计于水冷铜板上。阴极基板上冷却水道的冷却原理为强制对流，可避象出现死水区而引起的冷却不均匀。水冷铜板上冷却水道除了该效果外，来至阴极靶的热量可经过水冷铜板由冷却水带走。由于水冷铜板靠近热源，铜的导热系数又较高，冷却水道设置于水冷铜板上可增加换热面积，从而可带来更强的冷却效果。
所述压靶环5设于所述阴极靶4周围，用来限制所述阴极靶4移动，且与所述阴极靶4周围形成一空腔，该空腔可作为均气环。所述压靶环5上还均布有与该空腔连通的若干进气孔，若干进气孔和该空腔形成气路，反应气体从进气孔进入均气环，并均匀地喷射于阴极靶4表面。区别于传统阴极弧源没有设置气路，本发明将反应气体通过该气路引入至阴极靶4表面，有利于形成“靶中毒”。例如，在使用钛阴极靶，通入N2沉积TIN硬质涂层的情况下，阴极靶的蒸发有钛金属蒸发的金属模式和以TIN模式蒸发的化合物模式。N2先与金属反应，在阴极靶上形成薄薄的一层TIN陶瓷薄膜。由于陶瓷熔点高于金属，在靶中毒模式下，钛靶产生更少的液滴发射，从而减少涂层中微粒数量，所得涂层将具有更好的光亮度。
所述绝缘垫6设于所述阴极基板1上，所述限弧组件设于所述绝缘垫6上且位于所述阴极靶4周围，限弧组件用来将阴极弧斑限制在阴极靶4的表面运动。更具体的，所述限弧组件包括限弧环7和限弧罩8，限弧环7设于绝缘垫6上，限弧罩8设于限弧环7上。本实施例中，所述绝缘垫6采用铁氟加工而成；所述限弧罩8和所述阴极靶4间存在1mm～2mm的间隙，优选地，存在1.2mm～1.5mm的间隙。
所述线圈组件设于所述阴极基板1下，用来在阴极靶4表面产生与阴极靶4表面垂直且发散度不超过20度的磁场。更具体的，所述线圈组件包括线圈9和线圈骨架10，线圈9通过线圈骨架10固定于阴极基板1下。
所述阴极基板1和所述阴极靶4中心均设有中心通孔，所述点火组件设于该中心通孔内。更具体的，所述点火组件包括点火针11、点火片12和点火针压板13，点火片12套于点火针11顶部，点火针压板13用来固定点火针11。相应的，阴极靶4的中心通孔为下窄上宽的锥形通孔，便于容纳点火片12。
本实施例中，所述点火针11包括绝缘部和导电针，绝缘部和导电针真空封接。更具体的，所述绝缘部为顶端有槽的氧化铝陶瓷柱，所述导电针为不锈钢针，不锈钢针通过氧化铝陶瓷柱顶端的槽与氧化铝陶瓷柱真空封接。
本实施例中，所述点火片12为带中心孔的三角形片，该中心孔尺寸与所述点火针11匹配，见图2，其三个尖角设有锯齿，用来增强尖端放电效果；其中心孔边缘也设有锯齿，用来增加与点火针11间的摩擦力，以便于将点火片12固定于点火针11上。
本发明中，同时利用点火片的尖端放电和线圈组件所产生的纵向磁场，点火片尖端放电产生的弧斑在磁场作用下被牵引至阴极靶表面，这个过程中点火片无需与阴阳极接触，从而可避免因接触导致的引弧失败、引火组件损坏、阴极靶污染等不利影响。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.用于高压脉冲引弧的非接触点火方法，其特征是：
在阴极靶中心开设中心通孔，将点火组件置于所述中心通孔内；在阴极靶表面产生与阴极靶表面垂直的磁场，以点火组件为点火辅助阳极，以高压脉冲电源为电源进行点火；
所述点火组件包括点火针和点火片，所述点火片套于所述点火针顶部，所述点火片用来进行尖端放电；
所述点火组件还包括点火针压板，所述点火针压板用来固定所述点火针；
所述点火针包括绝缘部和导电针，所述绝缘部为顶端有槽的陶瓷柱，所述导电针为金属针，金属针通过陶瓷柱顶端的槽与陶瓷柱真空封接；
所述点火片为带中心孔的三角形片，该中心孔尺寸与所述点火针匹配；所述点火片的三个尖角和中心孔边缘均设有锯齿；
所述中心通孔为下窄上宽的锥形通孔；
阴极基板下外沿还设有线圈组件，所述线圈组件用来在阴极靶表面产生与阴极靶表面垂直且发散度不超过20度的磁场；所述线圈组件包括线圈和线圈骨架，线圈通过线圈骨架固定于阴极基板下。
2.采用权利要求1所述的用于高压脉冲引弧的非接触点火方法的非接触点火器，其特征是：
所述非接触点火器设于阴极靶中心开设的中心通孔内，包括点火针和点火片，所述点火片套于所述点火针顶部，所述点火片用来进行尖端放电。
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