CN1163628A - 使用脉冲粒束的聚合物表面处理 - Google Patents

Abstract

使用高能粒子束进行聚合物表面和近表面处理。这种处理最好用脉冲离子束执行。这种处理以对大范围商用有用的方式改变聚合物表面的化学和机械特性。

Description

使用脉冲粒束的聚合物表面处理

本发明是在美国能源部合同DE-AC04-94AL8500下由美国政府支持进行的。政府在本发明中拥有一定的权利。

本发明涉及一个使用具有足够束流量密度的高密度脉冲离子束处理聚合物表面和近表面的方法，以便在受过处理的区域实现交联、热解、蚀刻或腐蚀聚合物的各种效应。更特别是，离子束脉冲的特征在于脉冲宽度小于每个空间连续脉冲10微秒、束密度0.01-10J/cm²，而离子能量一般大于25keV。本申请是同待批的专利申请号08/153、248(1993.11.16发布)的延续部分，它已给予本发明的受让人。

使用高能粒子或量子束改进聚合物已经被人们所了解，而且已经使用象放射性元素(如⁶⁰Co)的辐射衰减产物和电子束这样的粒子源进行了多年实践，其中电子束从连续和脉冲束源中产生。典型离子束聚合物处理使用由昂贵的研究加速器产生的高能离子源，例如用线性加速器(linacs)或Van de Graff加速器产生离子源，它们是昂贵的而且产生很低的剂量率，尽管它们作为研究用诊断工具是有用的，但不适合用于商业处理。电子束(一般＞1MeV电子)被用于发送最大几百Mrad/小时的剂量率结聚合物。量子(10-30＜V)也已被用于通过引起化学反应束处理聚合物表面。还有，高能量子(8)源(例如，带有1-3.5MeV量子的⁶⁰Co)最常用于聚合物的商业辐射。这些技术已经证明，在数量级10-100Mrad剂量水平上的高能粒子能对聚合物产生有益的改变，包括改进韧度、抗溶解力并且增加粘着力，以及改变光密度和导电性。

尽管目前的技术已被证明在许多聚合物处理应用中是有价值的，但这些处理方法有一些缺陷。

这种处理一般延伸入材料之中(例如，1MeV电子的范围大约为0.5cm，MeV量子的范围>>cm)。这种比较深的处理需要大的总处理剂量，以产生显著效果。这是因为使用现有的处理方法难于获得高流量密度的低能粒子，而且还存在由高水准的连续辐射所导致的表面加热的问题。

以上所述的用于聚合物辐射的任一种技术都会沿受能量吸收影响的区域产生反应产品，例如产生自由原子团、受电离分子并且破坏了连接，其中能量吸收是由粒子移过聚合物产生的。这种反应产品之前的相互作用都会在聚合物之内增加预期化学反应的速率(例如交联)，并且能产生不正常反应，该反应一般是由碳一碳链合的相对稳定性消除。但是，使用目前技术得到的低剂量率消除了这种相互作用，因为反应产物的密度过低。即使总剂量大得足以产生间距低的轨迹(花费数分钟到数小时)，相邻轨迹形成之间的时间小于许多反应产品的典型再组合寿命(对于离子和激活状态是＜1微秒，对于自由原子团是＞1μs或更大)。这意味着由反应产物密度高导致的反应产物之间相互作用增加的优点，在使用当前技术时无法认识到。

目前技术也不能产生足够的剂量率来对聚合物表面进行有效热分解(清除氮和氧)或蚀刻(通过快速加热表面材料超过它开始气化的那点温度，来清除材料)，而不会显著影响下面的材料。另外，发送给聚合物表面区的高脉冲粒子剂量还能以目前技术不能支持的方式改进近表面区的布局(例如，通过产生一个较不平的表面构造)。

以前工艺技术的局限性被本发明所克服。向聚合物表面和近表面区域施加高密度粒子脉冲的优点同时在聚合物的被处理区内产生高密度的离子轨迹激励区，同时限制了这种激励所需的总能量吸收。另外，本发明有可能有效地处理掉辐射所产生的热量，并且有可能得出一个能量较有效的辐射措施。

以上能力及其伴随的优点由下面这个处理方法可认识到，这个处理方法应用高密度脉冲粒子束处理聚合物的表面和近表面区。脉冲离子束特别有用，其原因下面将作清楚的说明。每个在空间上延续的离子束脉冲在小于10微秒的时间内把一个一般0.01-10J/cm²流量密度的可选择的离子种类发送到聚合物表面中。这个水平的离子流量密度在聚合物内产生足够的离子轨迹密度，这样通过与高能离子相互作用而激励的聚合物分子的真正比率(即，断开的联接、自由原子团、受激联接状态等)能直接与其它的受激聚合物分子反应，由此创造了一个不象任何常规环境的用于交联和其它化学反应的环境。

用这种方法处理的比较薄的聚合物表面区域瞬间升高到相当高的温度，然后通过快速地把热量传导到聚合物的下部来快速冷却，而不会产生不利影响，这种不利影响是由以前的工艺技术所必须的较长的时间间隙的加热周期所引起的。因此，脉冲离子束处理对于蚀刻或腐蚀掉聚合物表面未受保护部分是有用的，对于热电解聚合物表面及改变聚合物表面的几何构形和布局也是有用的，而且包括热激活聚合物内的化学变化。

图1是用脉冲离子束进行辐射的聚合物表面的部分横剖面视图；

图2是一幅使用X射线光电发射光谱学获得的给出了以Kapton的结合能为函数的各状态标准化密度的曲线图，其中有带有和不带有含氧化学涂层这两种情况，论证了Kapton中氧含量的变化；

图3是一幅以受到处理和未受处理的聚碳酸酯的波数为函数给出的吸收率示意图(使用傅利叶变换红外光谱学测量)，又一次论证了处理前后聚合物化学万分中的变化；

图4是一幅显微照相图片，示出了聚丙烯表面在辐射后表面结构中的变化；

图5是一幅柱状图表，示出了随离子束辐射等级的变化，聚碳酸酯表面的改进粘着力特性，低≈0.1J/cm²，中≈0.5J/cm²，高≈1.2J/cm²；

图6A是一幅扫描电子显微照相图片，示出了一个未受处理的聚乙烯表面；

图6B是一幅扫描电子显微照相图，示出了同样的聚乙烯表面(取自图6A中的同一批)在用0.5-1.0J/cm²离子束处理后的情况；

图7是一幅RHEPP脉冲动力系统的示意图；

图7A是一幅用在图7脉冲动力系统中的脉冲压缩系统的电路图；

图7B是一幅脉冲成形线部件的横剖面图；

图7C是一幅线性感应电压加法器(LIVA)的横剖面图；

图8是一幅磁约束正极等离子体(MAP)源的局部横剖面图；

图8A是图8的改进视图，示出了MAP源中快和慢线圈产生的磁场线；

图8B是图8一部分的放大图，示出了气体入口阀和气体入口通道；

图8C是快线圈电路的示意图；和

图9是一幅MAP离子二极管整个横剖面的示意图。

本文中的发明用以下两种技术中的任一种最容易执行，即离子束表面处理(IBEST)和电子束表面处理(EBEST)，如图1所示。IBEST和EBEST通过提供一种产生大量可选择粒子种类有活力的流量密度(10.01-10J/cm²)的方法，避免以上所列出的问题，其中粒子具有的能量在脉冲长度内一般＞25keV，而脉冲长度的范围从几毫微秒到几微秒。这种新功能的价值依赖于几个因素。

IBEST使用脉冲动力和密离子束技术处理聚合物表面，它具有密的但却相对短的离子脉冲。在比较低的重复频率(＜1Hz)下在单个或几个脉冲激发中产生这种离子脉冲的能力已经存在几个了，但是这种脉冲的潜在优点以前未被大家所认识。缺乏这种认识可能是因为这些技术不能被开发为有吸引力的商业处理，部分因为关键部件的非常有限的寿命(＜1000次脉冲)以及部分因为极其有限的平均功率。

一种能体现并增加了这种处理的新功能就是把RHEPP I和RHEPP II(在Sandia国家实验室开发的)所验证的重复脉冲动力与磁约束正极等离子体离子束系统的验证的重复密离子束技术结合在一起。我们能使用这种方法向聚合物表面产生并发送密离子脉冲。RHEPP/MAP技术是这种新功能的一个代表实例。这些技术联合提供了一种新的可行的商业方法，以便在短时间间隔的密脉冲(约30μsec～10μsec)内以几十keV到MeV的离子动能发送最大几百kW或更大的平均离子动力。这种离子束效应能产生以上所述的效果。这些参数允许对具有寿命(>>1000脉冲)系统的大体积聚合物进行低成本(在lcent/sq.ft的数量级)处理。这种功能是其性质中最重要的。

通过选择不同种离子和不同动能，能选择处理的深度。在许多情况中，最好是仅处理聚合物的近表面区域，目的是提供一个具有改进粘着特性的较结实、抗刮伤和抗溶解的表面。对于这种表面处理应用，可能仅需要处理近表面区域，深度大概几个微米。相形之下，一个高能脉冲电子束当电子停止在聚合物中之前，将在几毫米的数量级上产生作用。因此，由于仅处理这种深度就能使用高能离子脉冲并且能调节离子能量种类，使我们能大大降低(一般最大减少到原来的千分之一)单位面积所需的能量，同时还能使近表面的特性得到所希望的改进。

使用高能离子束脉冲有其它一些优点。在几毫微秒到几微秒之间发送一个短的高密度离子脉冲(0.01-10J/cm²)的能力，对近表面区域产生了较均匀的高密度处理，在该区域中与高能离子反应产生的反应产物(例如，聚合物离子，受激状态和自由原子团)能直接与其它的这种反应产物以及与未受激聚合物分子相互作用。这种方式的化学反应与低离子密度的情况形成了对比，该情况中离子引发的反应产品仅仅与未受激聚合物的分子相互作用。没有任何现今的技术能在产生希望的高密度处理所需的几个数量级的范围，这到这些条件。这种新功能已经被证明在聚合物的化学性质和粘合结构中产生变化(图2和3)，而且已被证明改进了涂层对不同聚合物表面的粘着力(图4和5)。这种新技术还能产生新的表面布局、成分、化学性质和粘接结构，这部分由于这种新型的高密度处理能力。

根据一个大家所熟知的计算机模拟软件包TRIM-90，由移过聚碳酸酯(密度为1.2g/cm³)的一个400keV H⁺离子产生的局部剂量大约是每个放射H⁺离子是1.3×10^-10J/g(1.3×10^-5rad)。在400keV时一个0.25J的H⁺脉冲含有4×10¹²个离子。为于5×10⁸Mrad/S的剂量速率，这最终得出以100ns发送的大约50Mrad的局部剂量。在此期间，聚合物的温度近似升高500K。绕离子轨迹引起的效应半径rp(由于电离、激励引起的，以及由二级电子的形成和它们所引起的电离与激励所造成的效应，还有由周围区域所造成的效应)对于400keV H⁺近似为15nm。跨越这些轨迹效应所需的密度出现在当入射离子密度超过N＝(1/2rp)2＝1×10¹¹/cm²的时候。我们4×10¹²的入射离子密度大大超过了这个界限，而且将会使反应产物的密度大大增加，这是因为它们是以比沿轨迹形成的反应产物重新组合的时间要短的时标来发送的。由于跨越轨迹，我们的处理还会产生显微镜下的表面均匀处理。

使用高密度脉冲离子束处理聚合物有其它一些方面，这些需要一些分析。在聚碳酸酯上由0.25J/cm²的质子脉冲所产生的温度升高是500°K，如上所述。如果一个脉冲对所希望的处理是足够的，那么这个水平的温度升高对于大多数聚合物就是安全的。但是，如果需多脉冲处理，那么在脉冲之间聚合物表面必须有时间来冷却，否则温度升高将会更大，多半会引起显著的问题。此外，如果该温度升高被保持的时间过长，那么聚合物可能会受到破坏。此处的实质问题就是某些聚合物具有极低的导热率。

在一种材料中热量扩散一个长度入的特征时标是

Δt≈cρλ²/K此处C是每克聚合物的比热，ρ是聚合物的密度，而k是聚合物的导热率。使用这个关系式，人们能轻易地得出这个在聚合物主体上的温度增加，在约3μsec之后降到大约250°K而在约250μsec后降到仅仅约30°K。很明显，只要离子重复频率小于大约每秒10³，那么多脉冲就不会造成任何问题，而且我们预期最大值为约1000pps。由一个脉冲所产生的对聚合物的破坏不是一个明显的问题，但是一种材料对遭受来自这样普通的温度升高所造成的显著破坏肯定会很敏感，其中的温度升高在大约10微秒的时间内被有效遏止。

另一个由热时标分析得出的问题涉及可被激励的聚合物近表面区的厚度。如果有理由的话，可以辐射厚约100μm的区域。对于这么厚的层，热时间常数大约是2毫秒。很明显这不仅即无法提供快速冷却也无法大大缩短暴露于热量中的时间，而且也不代表对在聚合物表面上使用脉冲离子束处理的主要限制。

在一个短脉冲上向表面发送高流量密度离子的能力使这种处理能用于热分解(清除掉氧和/或氢)聚合物表面以及蚀刻和修改该表面的几何形状。图6示出了该技术修改表面几何形状能力的一个实例，其中聚乙烯表面用近似0.5J/cm²的离子束处理，结果产生比较均匀排列的具有微米尺寸，大的孔或坑。以这种方式改变聚合物能有益于提供可调的导电性、增加表面面积、改善涂层的粘着力，而且具有屏蔽，能沿该表面立体地变化这些特性。

这种处理所需的单位面积的折算能量与以重复脉冲为基础用这种新技术可得到的高密度结合在一起，首先在低成本水平上用完全无化学的处理改变了聚合物表面的快速处理。据估算，使用这种技术在成本为1 cent/sq.ft下处理速度有可能大于100se.ft/S。

本发明提供了获得高密度自由原子团的能力，甚至达相邻离子轨迹反应产物效应叠加的状态。这提供了一个完全新的要研究的辐射处理领域，其中反应产物更强烈地相互反应，而不是简单地与聚合物反应。

现有的连续技术发送大约500Mrad/小时的剂量(0.14Mrad/S)。以前工艺的脉冲技术基于长脉冲电子束或非常低功率的研究加速器，它们能产生10⁵Mrad/S数量级的剂量率。这还是太低以至无法产生重叠轨迹。用于处理得出的典型剂量率在1×10^-7秒内将是100Mrad(＞10⁸Mrad/s)，这比上面的幅值近似快3个数量级。其效果之一将是，所得出的较高自由原子团密度将会使自由原子团能快速地相应结合，从而大大增加交联和其它反应的效率。使用现有的技术，自由原子团可以数小时到数天地保持不结合，最终在许多情况下与氧结合，永久地断开其链系并且导致裂开而不是交联。

这种把处理局限在表面上的能力将会产生许多能用大大降低的成本进行的应用。现有技术使用的粒子注入材料的深度要大得多(＞1mm)，而离子束所能达到的仅有几微米或更小。这个降低的穿透率能导致达到同样局部处理剂量所需的能量小几个数量级，相应地在仅需近表面处理的应用中降低处理成本。

这个处理由于它的密的、脉冲的特性，而容许快速的材料处理。短脉冲使人们能轻易地控制并限制表面的局部剂量和加热，使它能在脉冲之间冷却，同时还保持高密度的优点。

除反应产物之外，本技术由于它的高密度，因此还能通过改变表面的拓扑结构来改进聚合物的表面。以各种方式加工在表面上的孔可能是有利的，包括所淀积的薄膜能更容易地机械粘着到粗糙面上。通过表面烧蚀进行的热分解和蚀刻也是高密度脉冲有可能执行的技术。这种处理的短脉冲特征使这些效应能够在表面附近应用而不会影响下面的材料。

这种短脉冲技术另一个重要的优点是聚合物表面能升高到的温度高于那些能用在长时标处理中的温度，不会由于加热而破坏。即只用很短时间加热到高温对聚合物不会有衰变影响，而对长时间，类似的温度将具有这种影响。例如，脉冲激光加热已经证明Kapton能在微秒的周期内升高到1000℃。这个优点在希望于升高的温度下进行处理的情况中也具有有益的作。

现在换到附图1，图中示出了用本发明的处理所辐射的聚合物的横剖面。这个处理依照离子束来描述，但在这种处理中也可使用电子束和γ射线束。脉冲离子束的离子进入聚合物116的表面115，所达深度117由所用特殊离子的种类和动能所决定。就是在这个115与117之间的上部区域内，辐射效应是最明显的。由离子脉冲在这个区域所产生的热量非常快地扩散到界面117下的聚合物区域，由此防止了热量长时期聚集在上区产生的不利影响。这个图还示出了另一层材料112，它安置在聚合物116上表面115的上面。这层能是两个不同类型材料中的一种。如果它用作屏蔽层，它将防止聚合物下面的区域受辐射的影响。如果它将是聚合物的一个表面涂层，或者是另一种旨在以近乎牢固的方式结合到或结合在聚合物上表面上的材料，那么它将是这样一种材料，离子束穿过这种材料从而把界面115上的这种材料粘在聚合物上，或者换句话说把这种材料熔化或扩散到其中。例如，一个0.4MeV的H⁺束在聚丙烯中将具有5微米的范围，而且对于一个10 Mrad的脉冲10.1J/cm²能引起110°K的温度升高。由此产生的电离和离子束脉冲所引起的聚合物粘接的破坏将形成自由原子团，然后这些自由原子团重新组合，在聚合物表面内交联聚合物链。另外，如果材料112是适当类型的材料，例如环氧树脂或另一种聚合物材料，那么它也将受到离子束的处理并粘到下面的聚合物上。

一个30keV的电子束在聚丙烯中具有10微米的范围，对于10Mrad的脉冲(0.2J/cm²)产生112℃的温度升高，并且产生类似于以产所述的离子束辐射所产生的那些聚合物变化作用。

图2是一幅使用X射线光电放射光谱学诊断获得的曲线图，示出了在设有辐射的控制条件下，在用低剂量离子束脉冲(一种0.2-0.6MV的碳、电子混合束)辐射之后，以及在用一个低剂量束通过一个50-100nm厚含氧涂层辐射之后，Kapton(聚酰亚胺)聚合物化学性质的变化。这个曲线图表明，Kapton的羧酸度已随脉冲离子束处理一起有所增加，验证了处理所引起的化学变化。

图3是一幅用傅里叶变换器红外光谱学获得的曲线图，示出了在使用脉冲离子束处理之前和之后的聚碳酸酯内化学特性的变化。该处理的参数近似为0.5J/cm²，是以近似200ns的脉冲发送的混合H⁺和C⁺。

图4是一幅是微照相图，示出了涂有一微米铜的聚丙烯表面的几何形状在已受处理与未被处理区域之间的转变过程中的变化。此处的处理参数如上。对这种材料的其它测试表明，在同样的受过处理的区域中改进了铜对聚碳酸酯的粘着力。

图5是一幅柱状图表，示出了对于涂有一微米铜的聚酰酸酯，随处理密度变化的不同粘着力密度。一个接线柱被连到了铜涂层上，并且直到铜层从聚碳酸酯上分离开后才被拨掉。处理等级是0.1J/cm²(低)、0.5J/cm²(中)、和1.2J/cm²(高)。

图6A是一幅显微照相图，示出了未受处理的聚丙烯表面。图6B是一幅在0.5-1.0J/cm²内处理之后表面的显微照相图，它形成了均匀凹痕的表面。这个受过处理的表面体现了增大了的粘着力特性。

本发明需要一个能发送必要功率离子束的并且能在大规模实际工作期间内计时的系统。在共同待批的专利申请号08/153,248(1993年11月16日公布)、08/317,948(1994年10月4日公布)和08/340,519(1994年11月16日公布)中描述了一种这样的系统，这些专利全部结合为本文的参考文献。下面的论述引用于这些应用，描述了为实践本发明，目前所了解的最佳方式。

以下论述描述了一个能用于为各种材料的表面处理产生离子束的系统。这个系统有两个主要的子系统，一个脉冲动力源和一个磁约束正极等离子体(MAP)离子二极管。

MAP离子二极管当与重复高能脉冲动力(RHEPP)源结合在一起时，提供了一个能产生高平均功率的离子束发生器系统，它能在一个连续工作周期上重复操作，用于以具有商业吸引力的成本处理大表面积的材料。特别是，本发明的离子束发生器能在0.025-2.5MeV的能量上产生高平均功率(1KW-4MW)脉冲离子束，并且能产生大约10ns-2μs或根据特殊应用的需要产生更短的脉冲时间间隔或脉冲长度。离子束发生器能直接在材料的上表面区域上放置能量。通过变化离子能量和种类以及脉冲长度，能控制处理的深度。MAP离子二极管能与其它动力源结合在一起，有这些动力源上不存在什么对动力需求的要求。

脉冲离子束发生系统中基本组成部件是一个小型的、电力有效的、重复脉冲的、磁交换的脉冲动力系统，这种系统能产生10⁹的脉冲工作循环，有关它的论述参见H.C.Harjes等人在第八届国际脉冲动力预备会议(1991)上的论述，以及参见D.C.Johson等人“四阶段RHEPP加速器初始测试结果”第437-440页和C.Harjes等人所著的“RHEPP 1μs磁脉冲压缩模块特性”第787-790页，后两篇论文均再版于第九届IEEE国际脉冲动力会议(1993.7)技术论文摘要中，所有这些文章均结合为本文的参考文献。这些参考文献与下文所作的论述结合在一起，使这种脉冲动力源的安装处于目前技术能力的范围之内。

图7示出了根据本发明得出的一个动力系统的框图。从初级动力输入开始，有几个磁脉冲压缩和电压叠加阶段被用于向这个特定系统的离子束源，以120Hz的频率发送最大2.5MV、60ns FWHM、2gKJ脉冲的脉冲动力信号。这个动力系统把当地电网的交流电转换成离子束源25能使用的一种形式。

参见图7，在本发明的一个实施例中，动力系统包括一个驱动发电机10的马达5。发电机10把一个信号发送给有两个子系统的脉冲压缩系统，一个子系统是一个1μs脉冲压缩机12和另一个是一个脉冲成形线14。脉冲压缩系统15把脉冲供给一个线性感应电压加法器LIVA20，LIVA20把这些脉冲发送给离子束源25。

根据一个实施例的发电机10，是一个600kW 120Hz的发电机。在单极方式中，它提供了电压为3200Vrms，功率因数为0.88的210Arms给磁交换脉冲压缩器系统15。发电机由一个与当地480V电网相连的马达驱动。此处所用的这个特殊的发电机是由威斯汀豪斯公司设计并且在Sandia国家实验室(位于新墨西哥的阿尔伯克)装配的。有关它的详细论述参见R.M.Calfo等人所著的论文“连续工作脉冲交流发电机”，该文登在第八届脉冲动力会议录的第715-718页(该会于1991年6月在加州圣选哥举行)。这篇参考文献完全结合到本文中，选择并建选这种特殊的动力系统是因为它比较容易适应各种载荷。其它的动力系统可以使用，而且可能的确更优于这种特定的应用。例如，可使用Magna^-Amp公司所用的电源，它包括一系列与当地电网相连的通过一个适当大小的整流器供电的组合变压器。但是本系统已建好而且工作良好。

在一个实施例中，脉冲压缩系统被分离成两个子系统，一个是普通的磁脉冲压缩器12，由许多阶段的磁开关(即，可饱和反应器)组成，它的操作是那些对当前技术了解的人所熟知的。在图7A中更详细地示出了这个子系统。其每个阶段的基本工作就是压缩从上一阶段接到的电压脉冲的时间宽度(传递时间，并增加其幅度。由于有非常低损耗的开关，相对设有什么动力被浪费为热量，而且当能量逐个阶段移动时相对没有什么减小。有关每个脉冲中的此处这个特殊子系统的详细描述见H.C.Harjes等人的“RHEPP 1μs磁脉冲压缩模块的特性”，该文出现在第9届IEEE国际脉冲动力会议文集的第787-790(该会于1993年6月在新墨西哥的阿尔伯克“举行”)。这篇论文完全结合为本文的参考文献。根据这个系统所开发的这些阶段是相当大的。为了节省空间，有可能用适当设计的硅控整流器(SCR′S)来取代前几个阶段，会完成同样的脉冲压缩效果。

这些阶段12把发电机10的输出转换成一个1μs宽的LC负载波形，然后负载波形被发送给第二个子系统14，该子系统14由一个脉冲成形线(PFL)部件电组成，其中PFL建立在一个电压双Blumein构形中。PFL是一个三轴水绝缘线，它把输入LC负载波形转换成一个具有15ns设计升高/降低时间以及60ns F HM的平顶梯形脉冲。有关这个部件建造和使用的详细描述见D.L.J.hnson等人的“四阶段RHEPP加速器初始测试结果”，它登在第9届1EEE国际脉冲动力会议文集的第437-440页(该会于1993年6月于新墨西哥的阿尔伯克举行”)。这篇论文也完全结合为本文的参考文献。图7B示出了FPL的横剖面图。

脉冲压缩系统15能以120Hz的频率向线性感应电压叠加器(LIVA)(20)提供单极、250KV、15ms升高时间、60ns完宽半最大值(FWHM)、4KJ的脉冲。在一个较佳实施例中，脉冲压缩系统15最好应具有＞80％的效率，并且由具有很长寿命(约10⁹-10¹⁰个脉冲)的高可靠性部件组成。磁开关MS1-MS5最好用在所有的脉冲压缩阶段，因为它们能处理非常高的峰值动力(即，高电压和电流)，而且因为它们基本上是具有长使用寿命的固态装置。图7A示出了在这个实施例以及PFL14中所用的5个压缩阶段。动力从发电机10供应给脉冲压缩系统15，并且传过磁开半MS1-MS5到达PFL14。PFL与下述的线性感应电压加法器(LIVA)20相连。第二个和第三个磁开关MS2和MS3被一个如图所示的升压变压器所分开。开关MS6是一个用于PFL的反向开关。

图7A导脉冲成形线(PFL)部件14的示意图而图7B是横剖面图。图7A中的MS6对应于图7B中的反向开关302，它位于PFL三轴剖面314的输入一侧。输出开关304和负载芯306也被示出。区域310填有去离子水作为绝缘材料。内部区308填有空气和油压线(未示出)，用于输出开关。PFL的输出并行于每个单独的LIVA阶段20被供电，带有流过导体316的正部件以及用于接地PFL壳体318。正导体316与每个LIVA阶段相连。

LIVA(20)最好用液体绝缘材料绝缘。它与PFL的输出相连并且形成不同数目的阶段，提供所希望的电压给离子束源。LIVA20能在120Hz的频率下发送额定2.5MV、2.9KJ的脉冲给离子束源25，此时它由10个阶段构成，每个阶段250KV。对于大多数离子束处理来说，LIVA由4个250kV的阶段构成，这样LIVA发送器共1.0MV给离子束源。但是，这个电压能通过改变LIVA中的阶段数来升高或降低，以满足特殊材料处理的需要。LIVA20的额定输出脉冲与PFL所提供给它的相同，即，具有15ns升高和降低时间以及60ns FWHM(全宽半最大)的梯形。图7C示出了四阶段LIVA的横剖面。这四个阶段320、322、324和326如图所示被叠了起来，并且从PFL通过电缆321、323、325和327供应正脉冲。各阶段被间隙330分开，并且为了冷却用变压器油包围起来。每个LIVA阶段的输出相加，向图中所示的离子束源25发送一个单个的总脉冲，该离子束源位于图中部分示出的真空室332内。正如PFL的情况一样，LIVA的外壳与地相连。

动力系统P(图7)根据所述，能以120Hz的脉冲重复频率连续工作，在60ns脉冲内发送每个脉冲最大2.5KJ的能量。此处所述的这个特定的动力系统能发送具有0.25-2.5MeV离子束能量的大约20-1000ns时间间隔的脉冲动力信号。这个动力系统能从墙壁插头到能量发送给所匹配的载荷，以50％的电效率工作。例如，动力系统P使用了包含有底损耗磁材料及固态部件的低损耗脉冲压缩阶段，把交流电转换成短的高压脉冲。

当需要高电压时，尽管也有可能用一个单阶段脉冲产生从250KV或更小到几个MV的电压省略为加法器的需要，但是使用包含有低损耗表磁材料的许多感压加法器通过叠加电压产生此范围的电压的能力仍是一个基本特点。

动力系统能以比较低的电阻(＜100Ω)工作，这也使它不同于许多其它的重复电源技术，例如以变压器为基础的系统。这个特点允许用一个单脉冲提供高处理速率及大面积(5-1000cm²以上)处理，以便在已处理与未处理区域之间的转换处产生边缘效应。

脉冲离子束系统的第二个部件是MAP离子束源25(如图8所示)。MAP离子束源能重复有效地工作，有效地利用动力系统的脉冲动力信号把气相分子转变成高能脉冲离子束。根据特殊应用的需要，它还能以单击方式工作。离子束源的前身是一个离子二极管，见J.B.Greely等人的“在Cornell的等离子体正极离子二极管的研究：重复脉冲和0.1TW信号脉冲试验”，该文登于第八届大功率粒子束国际会议会议录(1990)，它全部结合为本文的参考文献。尽管该参考文献的离子二极管显著不同于上述本发明所用的离子二极管，但该参考文献所述的背景材料数是非常有意义的。

图8中示出了根据本发明的原理得出的离子束源25。离子束源25是一个磁约束正极等离子体(MAP)源。图8是一幅离子束或MAP源25对称一侧的局部横剖面图。离子束或MAP源25产生一个环形的离子束K，它能绕图示轴X-X400被带到一个对称的宽焦点。在负极电子组件30中，慢(1ms升高时间)磁场线圈414产生磁力线S(如图8A所示)，它提供了正极410与负极412之间加速时隙的磁绝缘。正极电极410也用作磁力线整形器。慢线圈414被相邻的水管路所冷却(未示出)，该水冷却管路结合到了支撑负极和慢线圈414的结构30中。该图中所示的MAP结构的主要部分大约是18cm高和宽。整个MAP离子二极管能看作是图中的详细横剖面绕该设备的各中心轴400旋转形成的一个图柱设备，在图9中示出了整个横剖面图。

离子束或MAP源25以下述方式工作：一个位于正极组件35上的快速气体的部件404产生快速(200μs)气体喷射，该气体是通过一个超音速喷嘴406喷出的，直接在位于绝缘结构420上的快驱动线圈408表面的前部产生高度局部容积的气体。喷嘴被设计成能防止未电离气体横向流入到正极410与负极412之间的间隙中。在使用1ms感应电场预电离之后，快驱动线圈408从快电容150完全激励，在该气体体积中产生一个20kV的环电压，驱动对全电离的分解，并且以大约1.5μs或更小的时间向正极电极410处移动所产生的等离子体，形成一个薄的磁约束等离子体层。等离子体一瞬间停滞在B20的区域，即停滞在靠近慢线圈414所产生的绝缘场S的分界体处，等候主加速正电脉冲的输送，其中所述脉冲是在正极410处由上述LIVA发送的。

通过与快线圈并行地布置一个小环形电容，能有效地预电离气体。由这个环形电路所产生的场振荡在正极快线圈前面预电离该气体。图8C中示出了这个电路的示意图。

人们还发现，在把主脉冲提供给快线圈之前，一最好能调节快线圈与正极之间间隙内磁场的构形，以便在预电离过程中调节所喷出气体脉冲内等离子体成形的初始位置。这一点可通过提供一个慢偏移电容180和一个保护电路来实现，这两者都与快线圈平行安装并且用可控开关S2与其分离。这样在气体的预电离之前，快线圈产生了一个慢偏移场。在图8C中也示出了这条线路。

在如图2C所示对快线圈电路的近一步解释中，在主电容脉冲开始之前偏移场电容180在快线圈内驱动一个大于1微秒升高时间的电流。这容许调节由快电容电流所产生的场构形。快电容150在快线圈内驱动一个1微秒升高时间的脉冲。预电离电容160用远远小于1微的周期就导致电压横跨快线圈成环形，在要被电离的气体中感生大振荡电场导致该气体的部分电离。由快线圈408产生的升高磁场把已电离的气体从快线圈推开，使它顶着由慢线圈414产生的预先存在的磁场，停滞不动。预电离之后，快线圈如上所述被充分激励，把该气体完全分解为等离子体。这次脉冲之后这个场消失回到与一个电阻载荷相连的快线圈之中，其中电阻载荷也连到一个散热装置上(未示出)。在本实施例中，在支撑结构中使用了冷却通道，但是有可能用其它的解决方式而且比较直接。以此方式避免了热量聚积在快线圈中。

快线圈408已经用几种方式根据参考文献的快线圈以及以上所提到的散热装置，被重新设计。快线圈与正电极410之间的间隙已被缩小，由此已把所必须的磁能量的数值降低了50％以上。较低的能量要求允许在较高频率下重复使用并且降低了快线圈供电系统电压的复杂性。这种新磁力线成形正电极组件的设计也有助于这些有益的结果。

然后来自动力系统的脉冲动力信号被施加到正极组件35上，加速等离子体中的离子，形成一个离子束K。图2A中示出了在离子束排出时，慢(S)和快(F)磁力线结构。图中示出了快线圈磁力线与慢线圈磁力线之间明确的分离。根据早期MPA参考文献中的论文的教导，这一点是通过正极410的磁力线成形效应而且还在设有位于绝缘结构上的慢线圈的情况下实现的。在本MAP离子二极管中的慢线圈仅被布置在MAP的负极区域内。这个与负极组件中慢线圈的位置结合在一起的正极磁力线成形不同于MAP参考文章中所示的那样，而且容许本文中所揭示的MAP二极管以高重复频率持续工作。这种设计使B＝0(分界面)能布置靠近正极表面，从而得出一个具有最小或者设有旋转的排出离子束。这个最小旋转对于束有效发送到所处理材料来说是必须的。

图8B是一幅气体阀组件404与通道425的详细视图，它们把气体从阀传导到快线圈408前面的区域。通道425被认真设计成能把气体存放在快线圈的局部区域内，通过这个区域具有最小的漏气。通道428的详细横剖面被设计用于气体喷出的超音速传输。这项设计用目前容易得到的气体流动计算机程序来进行，而且属于目前技术的范围内。气体阀舌门426由一个小型磁线圈428来操纵，一但MAP控制系统起动时它打开并关闭舌门426。舌门阀426在舌门的底端427处转动。线圈428被安装在高导热率陶瓷支撑结构429上，该支撑结构也把热散到其它结构上(未示出)。另外，围绕线圈的极冷线也能用于把热量从线圈散出去。这个散热对于MAP的持续工作能力是必要的。气体从舌门基座后的进气系统431发送到该阀门。进气系统431应被视作与一个更大的进气系统相连，这个更大的进气系统位于如图9所示的整个MAP离子二极管中芯部分。

一但舌门426被打开，喷嘴406中的真空快速地把气体吸入到MAP中。喷嘴有作用就是产生一个定向流动的气体，它只沿流动方向移动而不会与流动方向垂直。这种与流动方向垂直的横向流动将会把气体引入到正极与负极之间的间隙，这将产生不利的飞弧和其它不利的效应。以上所述的降低快线圈正极间隙使喷嘴的设计对成功操作MAP很重要。幸运的是，气体流动设计工具是可得到的而且被用于开发一个具有改进气流(较高的马赫数)和最小边界效应的喷嘴。这个改进的喷嘴有一个放大的开口，通入快线圈与正极的近边缘之间的间隙，它从9mm到15mm逐渐变大而不是参考MAP中的6mm直壁管道。在喷气阀中气体的工作压力已经5-25psig的范围增加到25-40pig的范围。试验已经证明，由于这种新型设计而使MAP的操作大大改进。

本发明的离子二极管在几方面不同于以前技术的离子二极管。由于它每次脉冲的低气体载荷，MAP内的真空恢复能力允许其持续工作达100Hz并且高于100Hz。如上所述，其磁力几何形状基本上不同于以前的离子二极管。以前二极管产生旋转的束，它们在二极管中产生之后用在离子束在强轴向磁场中传播的应用之中。本系统要求，从二极管中引出的离子束在自由场空间内传播到材料表面的最小距离为20-30cm。以前离子二极管的磁构形不能进行这种工作，因为那些离子束受到那些二极管内何形状的强制，横跨网状的磁力线并由此旋转。这样的束将快速消散而且对于本用途是无用的。通过把慢线圈(二极管绝缘磁场线圈)移向二极管间隙负极一侧，忽略了对于束的磁场交叉，但是由于正极等离子体源需要完全重新设计磁系统。

对以上所述的快线圈的改进导致能量需求比以前构形小5-10倍。改进包括：省略在二极管正极一侧上的慢线圈及其相应的供电装置)通过使用可局部场穿透电极，更好地控制磁场成形以及正极等离子体与正电极结构的接触；省略以前离子二极管上独立的预电离线圈；与快线圈相连的电路提供了“偏移”电流，用于调整磁场，把正极等离子体表面置于正确的磁力线表面上，从而消除束旋转并提供最佳的束传播和聚焦；和重新设计气体喷嘴以便更好定位气体喷射，这使快线圈能布置的靠近二极管间隙，其中的间隙也降低了能量需求及快线圈驱动器的复杂性。

等离子体能用各种气相分子形成。本系统能使用任何气体(包括：氢、氮、氦、氧、氮、氟、氖、氯和氩)或者能气化的液体或金属(包括锂、铍、硼、碳、钠、镁、铝、硅、磷、硫和钾)，产生一个纯离子源，除了对供应给源的气体之外不会对任何部件产生消耗或破坏。离子束在真空(-10^-3)中传播20-30cm到达目标板195处的一个宽焦点区/最大1000(m²)，如图3所示，此处用于处理的材料样本被放置好而且能在热量上改变变的面积从5cm²到1000cm²。

离子束或MAP源25能在100Hz的重复脉冲频率上连续工作，具有的大部件寿命＞10⁶。根据本发明的原理，离子束或MAP源25从等离子体正极而不是从目前单脉冲离子束源中使用的固体介质表面飞弧正极处吸收离子。使用飞弧正极一般会引起材料表面产生各种污染，产生不利后果。使用本文所揭示的改进MAP源的显著优点之一就是，人们通过控制气体源的成分能精确控制离子束中的部件。

Claims (24)

1.一种使用脉冲离子束处理聚合物的处理方法，包括：用至少一次高密度离子脉冲辐射聚合物的表面，每个立体相邻的脉冲具有小于10微秒的时间间隔及0.1到10J/cm²的流量密度，离子动能大于约25keV。

2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于脉冲在大于1Hz的重复频率下在聚合物的整个表面上重复。

3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于离子流量密度是以在聚合物内产生一个轨迹密度，以便沿不同离子轨迹产生的反应产物在反应产物的重组时间内相互反应具有高的概率。

4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于进一步还包括在聚合物上放置第二层材料，这样一但第二层和聚合物表面受到辐射，第二层将会粘着到聚合物的表面上。

5.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于聚合物在一个覆盖有一种材料的层的形态下存在，辐射后该材料粘着到聚合物上。

6.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，进一步包括，把一个屏蔽层置于聚合物表面之下，防止聚合物下面的区域受脉冲离子束的影响。

7.如权利要求6所述的处理方法，其特征在于离子流量密度足是以蚀刻掉那些未被屏蔽层遮盖住的聚合物区域。

8.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致聚合物表面热分解。

9.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致受辐射聚合物的交联。

10.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致被处理层导电率改变。

11.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致被处理层光密度改变。

12.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致韧度和抗刮伤能力增加。

13.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，导致对溶剂及环境破坏的抵抗力增加。

14.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于足够密度的辐射引起聚合物化学连接的破坏，使受破坏连接重新组合导致新的化合物形成。

15.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于受辐射的区域是以交错的方式移过聚合物的，从而形成一个连续的受过处理的聚合物表面。

16.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于其离子是一种从气相分子建立的离子。

17.如权利要求16所述的处理方法，其特征在于气相分子选自以下这组分子，包括H、He、N和Ar。

18.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于聚合物选自以下这组东西，包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚脂薄膜以及它们的合成物。

19.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于辐射改进了表面的粘着特性。

20.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于辐射改进了表面的布局。

21.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于辐射导致表面蚀刻。

22.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于发射到聚合物中的每次脉冲的热量以及脉冲之间的时间间隔使热量引起的聚合物破坏达到最小。

23.如权利要求2所述的处理方法，在大于2分钟的周期内连续地进行。

24.如权利要求3所述的处理方法的产物。

Images