CN1138979C - 一种用于辉光放电表面处理中的等离子体探针诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用辉光放电表面处理中等离子体的探针诊断的装置。该装置由不锈钢管套在陶瓷管外，弹簧支撑在不锈钢管和陶瓷管之间，陶瓷管内穿进探针导线，探针头一端与导线焊接，另一端穿出陶瓷管、不锈钢管的前端的小孔的探针，探针伸入在源极和阴极之间的放电等离子体区域中，支撑体的一端固定在真空室壁上，另一端用旋盖固定连接空心推杆，从陶瓷管内穿出的探针导线穿进推杆并穿出，再通过探针电源和伏安特性曲线记录仪连接。
Description
本发明涉及表面冶金及化学热处理中等离子体诊断的装置，特别是涉及用于抗污染的采用辉光放电表面处理中等离子体的探针诊断的装置。
材料表面渗金属的方法有固体渗金属、液体渗金属、气体渗金属、离子渗金属和其它方法联用的渗金属方法等已广泛用于生产实践中。离子渗金属技术迅速发展于八十年代后期，已进入工业生产。离子渗金属的方法包括双层辉光离子渗金属、多弧离子渗金属、加弧辉光离子渗金属、交变电场真空离子渗金属、脉冲辉光放电离子渗金属和气相辉光离子渗金属。它们的优点是渗速快、变形小、不需要去钝处理、能耗低等。其共同的特点是：辉光放电产生的等离子体(电子、离子或粒子)对工件有强烈的轰击作用。因此，利用等离子体诊断系统对电子温度、等离子体电位、电子密度等这些等离子体参数进行监控可有效提高渗层质量。
现有探针技术对离子渗金属技术可实施等离子体诊断。典型的离子渗金属方法，如文献1(徐重，双层辉光离子渗金属技术，金属热处理学报，1982，1：71～80)介绍的双层辉光离子渗金属技术的基本原理，是在真空容器内设置阳极，用工件做阴极，以及由欲渗合金元素组成的源极。阳极和阴极之间以及阳极和源极之间各设一个可调压直流电源。当真空室内氩气压达到一定值后，调节上述电源，则在阳极和阴极以及阳极和源极之间出现辉光放电，此即为双层辉光放电现象。辉光放电源极的欲渗元素在离子轰击下被溅射出来，高速飞向阴极(工件)表面，同时辉光放电使电能转变为热能使工件加热至高温。由源极溅射出来的离子被处于高温的工件表面吸附，借助于扩散过程进入工件表面，从而形成欲渗元素的合金层。利用探针技术进行的辉光放电离子渗金属等离子体诊断表明，放电区域空间的粒子在探针表面很快沉积，造成探针的严重污染，使获得的等离子体参数波动性显著增大，严重影响了渗层质量的有效控制。
本发明的目的为了克服上述已有技术缺点，在离子渗金属等离子体诊断装置中设计一种带有屏蔽作用的探针，离子渗金属等离子体诊断时在探针上加偏置电压，使探针表面的污染(来源于源极的金属沉积层)在真空中溅射去除掉，而有效地保证金属膜层的质量的目的，从而提供一种用探针技术进行的辉光放电表面处理中等离子体探针诊断的装置
本发明的目的是这样实现的：本发明提供的辉光放电表面处理中等离子体探针诊断的装置，包括在真空室中安置一探针结构，探针结构包括一屏蔽作用的不锈钢套管、具有支撑作用的弹簧、一绝缘陶瓷管，不锈钢套管套在陶瓷管外，弹簧支撑在不锈钢套管和陶瓷管内，陶瓷管内穿进探针导线，探针头与导线焊接，探针头的另一端穿出绝缘陶瓷管和不锈钢套管的前端，并且在不锈钢管前端留有一小孔密封焊合，探针头与小孔壁之间距离为05mm-15mm，间隙的深度在5mm-10mm，一支撑体位于室壁上，探针部分伸入在源极和阴极之间的放电等离子体区域中，具有动密封的可移动的支撑体可以是一根波纹管；支撑体的一端固定在真空室壁上，其另一端用一旋盖固定连接一空心结构的推杆，从陶瓷管内穿出的探针导线穿进空心结构的推杆，从推杆穿出的导线通过探针电源和伏安特性曲线记录仪连接；
工件阴极与直流电源连接，阳极与真空室壁连接接地。合金源极电源与工件阴极连接，探针电源分别与探针、真空室壁和记录仪相连接，即可进行等离子体参数的诊断。
探针头由W、Mo高熔点的金属丝制成。
功率为15千瓦的直流可调电源(0-1000V)为工件提供偏置电压，阳极与真空室壁连接并接地。功率为20千瓦的直流可调电源(0-2000V)为合金源极提供偏置电压，阳极与真空室壁连接并接地。使用双探针时可使交流电源分别连接与双探针两端，施加一定的电压可进行溅射清洗。探针电源分别与探针、真空室壁和记录仪连接，其偏置电压范围为-100-100V，利用记录仪记录伏安特性曲线可计算出等离子体参数。
在辉光放电离子渗金属过程中，探针与等离子体诊断电源断开，探针与源极电源相联接时在较短时间内可使探针净化，使用交流电源时，则净化时间略长。净化探针使等离子体诊断可连续进行，等离子体参数的稳定性增加，工作效率显著提高。
使用单探针时，探针与源极的高压直流电源(0-2000V)相联接，钟罩作为阳极，在探针与钟罩之间产生辉光放电。在使用双探针时，也可在两探针间加交流可调电源(0-220V)，在两探针间电子的振荡轰击，使沉积层去除。
由于本发明提供的探针结构在放电区域的陶瓷管外，具有弹簧支撑的不锈钢套管，以防止溅射产物直接沉积在绝缘陶瓷管上，探针和不锈钢套管之间有一屏蔽，它焊接在不锈钢管上，并确保与探针稳定保持一定距离。将探针移动至所需位置，探针与源极的高压直流电源连接，通过探针电源和伏安特性曲线记录仪即可进行等离子体参数的诊断。在进行合金表面处理时，探针上施加直流偏压，可使探针受到离子或电子轰击，而达到清洗探针的目的。
本发明的优点在于：1.探针的表面积可以相对稳定，而不会由于金属在陶瓷管和探针连接处的沉积而极大地增加探针面积，产生较大的误差。2.在探针表面有一定的污染物时可通过直流电压溅射去除。3.不锈钢外套屏蔽的存在消除了陶瓷管表面电弧放电对等离子体的干扰。4.探针前端的屏蔽和间隙保护，防止了探针表面的电弧放电对诊断结果的干扰。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
图1为本发明的探针结构示意图。
图2为探针溅射清除污染线路图。
图3为本发明的一种实施例结构示意图。
实施例1
按图1-3制作本发明的用辉光放电表面处理中等离子体探针诊断的装置
如图1所示的本发明采用的探针结构图，探针头1与绝缘陶瓷管4之间有间隙保护，不锈钢弹簧2套在绝缘陶瓷管4外的中部，不锈钢管3套在套有不锈钢弹簧2的绝缘陶瓷管4外，不锈钢管3前端封闭焊合，中间留有小孔探针头1用直径为1mm钨丝，探针头1从小孔5中伸出，小孔5的直径与探针头1直径相关，小孔壁与探针头1之间距离保持在0.5-1.5mm，间隙的深度在5-10mm以上，以避免由于在真空中导体与绝缘体间产生电弧放电对探针或绝缘陶瓷管4的烧蚀。不锈钢管既不带正电也不带负电。
从图2的本实施例结构示意图中所示：1.探针头，12.工件阴极，13.等离子体区，14.合金阴极，3.探针支撑用不锈钢管 6.探针电源，7.移动探针旋扭，8.真空室壁，9.记录仪，10.空心推杆，11.导线，15.支撑体，16.固定件。在真空室中一支撑体16固定在室壁上，上述的探针部分伸入合金阴极14和工件阴极12的放电等离子体区域中，在具有动密封的可移动的支撑体15是一根波纹管做支撑体；支撑体15的一端固定在真空室壁上，支撑体15的另一端用一旋盖7固定连接一空心结构的推杆10，从陶瓷管内穿出的探针导线11穿进空心结构的推杆10，从推杆10穿出的导线11通过探针电源6和伏安特性曲线记录仪9连接，即可进行等离子体参数的诊断。
图3为溅射清除污染线路图，图中示出1为探针，伸入等离子空间一定距离，12为工件阴极，17为直流可调电源(0-1000V)为工件提供电压，14为合金阴极提供欲渗合金元素，6为源极高压直流电源(0-2000V)，并作为探针溅射清洗电源，20为包括等离子体诊断电源和记录仪，21为交流可调电源，作为双探针时的溅射清洗电源，18为真空系统，19为供气系统。
功率为15千瓦的直流可调电源3(0-1000V)为工件提供偏置电压，阳极与真空室壁连接并接地。功率为20千瓦的直流可调电源5(0-2000V)为合金源极提供偏置电压，阳极与真空室壁连接并接地。使用双探针时可使交流电源21分别连接与双探针两端，施加一定的电压可进行溅射清洗。探针电源6分别与探针、真空室壁和记录仪连接，其偏置电压范围为-100-100V。利用记录仪记录伏安特性曲线可计算出等离子体参数。
在辉光放电离子渗金属过程中，探针与等离子体诊断电源断开，探针与源极电源相联接时在较短时间内可使探针净化，使用交流电源时，则净化时间略长。净化探针使等离子体诊断可连续进行，等离子体参数的稳定性增加，工作效率显著提高。
Claims (3)
1一种用于辉光放电表面处理中的等离子体探针诊断装置，包括在真空室中安置一探针结构，工件阴极与直流电源连接，阳极与真空室壁连接接地，合金阴极电源与工件阴极连接，探针电源分别与探针、真空室壁和记录仪相连接，其特征在于：探针结构由一屏蔽作用的不锈钢套管套在陶瓷管外，弹簧支撑在不锈钢套管和陶瓷管之间，在不锈钢管前端密封焊合，并留有一小孔，陶瓷管内穿进探针导线，探针头与导线焊接，探针头的另一端穿出绝缘陶瓷管和不锈钢套管的前端的小孔，一支撑体位于室壁上，探针部分伸入在合金阴极和工件阴极之间的放电等离子体区域中，具有动密封的可移动的支撑体是一根波纹管；支撑体的一端固定在真空室壁上，其另一端用一旋盖固定连接一空心结构的推杆，从陶瓷管内穿出的探针导线穿进空心结构的推杆，从推杆穿出的导线通过探针电源和伏安特性曲线记录仪连接；探针电源分别与探针、真空室壁和记录仪相连接，即可进行等离子体参数的诊断。
2.按权利要求1所述的用于辉光放电表面处理中的等离子体探针诊断装置，其特征在于：所述的探针头由W、Mo高熔点的金属丝制成。
3.按权利要求1所述的用于辉光放电表面处理中的等离子体探针诊断装置，其特征在于：所述的探针头与小孔壁之间距离为0.5mm-1.5mm，间隙的深度在5mm-10mm。
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