CN208167088U - 一种增强弧源、以及弧电流激发的气体离子源、金属离子源和电子源 - Google Patents
一种增强弧源、以及弧电流激发的气体离子源、金属离子源和电子源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种增强弧源、以及弧电流激发的气体离子源、金属离子源和电子源，其技术方案主要包括：水冷外筒体，设置于外筒体内一端的金属阴极弧靶，外筒体的另一端为出射口，设置于金属阴极弧靶与出射口之间的可开闭的多种挡板，通过挡板机构可选择性的进行粒子输出，外筒体上设置有进气口，出射口内设置有带有通孔或者栅网阳极。本实用新型通过挡板机构可选择性的进行粒子输出，利用阳极与磁场交互作用提高电子的自由程，从而能够与工作气体以及金属原子产生更多的碰撞，进而提高离化效率和离子产率，将所需粒子进行引出，达到高效离化的效果。
Description
技术领域
本发明属于表面防护涂层装备领域，具体是指一种增强弧源、以及弧电流激发的气体离子源、金属离子源和电子源。
背景技术
表面防护涂层技术是提高工模具及机械部件质量和使用寿命的重要途径，作为材料表面防护技术之一的离子镀膜技术，由于结构简单、离化率高、入射粒子能量高，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工具、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外，离子镀涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，应用范围十分广阔，展示出很大的经济效益和工业应用前景。
离子镀弧源是电弧等离子体放电的源头，是离子镀技术的核心部件。离子镀弧源采用的金属弧靶作为阴极在放电过程中会产生电子、金属离子、金属原子团，其中电子在出射构成中与工作气体相互作用，使得工作气体离化，而产生气体离子。现有技术中，传统的离子镀弧源结构设计比较单一，电子、气体离子、金属离子和金属原子团无法根据应用目的(如清洗工件、辅助沉积、等离子体镀膜等等)，而可控性地去选择，限制了其应用价值。此外，传统的金属弧靶产生的电子在离化工作气体的离化率较低，因此影响了镀膜应用的涂层质量。
因此，有必要对此进行改进。
发明内容
本发明的第一个目的是克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种能增强气体离化效率的增强弧源。
本发明的第二个目的是提供一种弧电流激发的气体离子源。
本发明的第三个目的是提供一种弧电流激发的金属离子源。
本发明的第四个目的是提供一种弧电流激发的电子源。
为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体相对于阳极和阴极金属弧靶之间区域的外壁上设有外磁体，该外磁体的磁力线方向与外筒体的中心轴线方向相互平行，通过外磁体的磁场对阴极金属弧靶所发射的电子或离子进行磁力增强，并穿过出射口引出于外筒体之外。
进一步设置是所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
实现本发明的第二个目的，其技术方案是一种弧电流激发的气体离子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有实体挡板，该实体挡板包括有相互平行竖立的上挡板和下挡板，且上挡板的下端位于和下挡板上端下方，二者在端部相互间隔交错，且二者在端部相互间隔交错的位置设置有上下开口的电子通过狭缝，所述的外筒体相对于阳极和实体挡板之间区域构成气体离化增强区，该外筒体对应气体离化增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在气体离化增强区离化工作气体，并产生气体离子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对负电压将气体离化增强区的气体离子从出射口引出。
进一步设置是所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
进一步设置是外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
实现本发明的第三个目的，其技术方案是一种弧电流激发的金属离子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，其特征在于：所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有用于将阴极金属弧靶所发射的金属原子团阻挡且电子、金属原子和金属离子通过的挡板，所述的外筒体相对于阳极和挡板之间区域构成金属原子离化增强区，该外筒体对应金属原子离化增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在金属原子离化增强区离化金属原子，并产生金属离子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对负电压将金属原子离化增强区的金属离子从出射口引出。
进一步设置是所述的挡板为百叶窗式挡板，百叶窗式挡板的通孔的尺寸设置使得金属原子团被阻挡，而电子、金属原子和金属离子可通过。
进一步设置是：所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
进一步设置是外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
实现本发明的第四个目的，其技术方案是一种弧电流激发的电子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有用于将阴极金属弧靶所发射的金属原子团阻挡且电子、金属原子和金属离子通过的挡板，所述的外筒体相对于阳极和挡板之间区域构成电子增强区，该外筒体对应电子增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在电子增强区离化金属原子，在金属离子的过程中同时产生对应电子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对正电压将电子增强区内的电子从出射口引出。
本发明的优点是：本发明利用一套机构，并通过简单地更换挡板的类型和滤孔的大小，就可以实现电子源、弧源、气体离子源和金属离子源的目的，从而匹配用于清洗工件、辅助沉积、等离子体镀膜等具体应用目的的需要。
此外，本发明的利用外磁体的多种磁场分布设计，利用磁场提高电子的自由程，从而能够与工作气体以及金属原子产生更多的碰撞，进而提高离化效率和离子产率，同时通过引出极栅网设计，将所需粒子进行引出，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明实施例1的立体图；
图2本发明实施例1的半剖立体图；
图3a本发明以导线螺旋成型网作为阳极的结构示意图；
图3b本发明以导线螺旋成型网作为阳极的结构示意图；
图4a本发明形成平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场的外磁体布置图；
图4b本发明形成平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场的外磁体布置图；
图4c本发明形成平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场的外磁体布置图；
图4d本发明形成平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场的外磁体布置图；
图5本发明实施例2的立体图；
图6本发明实施例2的半剖立体图；
图7本发明实施例3的立体图；
图8本发明实施例3的半剖立体图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-2所示的本发明实施例1，本实施例1提供了一种增强弧源，包括外筒体1、以及设置于外筒体1内一端的阴极金属弧靶2，外筒体的另一端为出射口11，外筒体1上设置有进气口12，所述的出射口11内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极3，该阳极3上设置有连接阳极内外两侧的通孔31，所述的外筒体1相对于阳极3和阴极金属弧靶2之间区域的外壁上设有外磁体4，该外磁体4的磁力线方向与外筒体1的中心轴线方向相互平行，通过外磁体4的磁场对阴极金属弧靶所发射的电子或离子(离子包括金属离子、以及电子离化工作气体产生的气体离子)进行磁力增强，并穿过出射口11引出于外筒体1之外。
本发明所述的阳极3为中心带有通孔31的导电圆环3a(参见图3a)或带有多个通孔的导线螺旋成型网3b(参见图3b)。
另外，本实施例所述的外磁体4的可以采用如图1所示的永磁体进行布置，也可以采用螺线管电磁线圈。
实施例2
如图5-6所示，本实施例2提供一种弧电流激发的气体离子源，包括外筒体1、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶2，外筒体1的另一端为出射口11，外筒体上设置有进气口 12，通过该进气口12通工作气体或者碳氢气体等，所述的出射口11内设置有与阴极金属弧靶2对应的阳极3，该阳极3上设置有连接阳极内外两侧的通孔31，所述的外筒体1内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有实体挡板5，该实体挡板5包括有相互平行竖立的上挡板 51和下挡板52，且上挡板的下端位于和下挡板上端下方，二者在端部相互间隔交错，且二者在端部相互间隔交错的位置设置有上下开口的电子通过狭缝53，所述的外筒体1相对于阳极3和实体挡板5之间区域构成气体离化增强区13，该外筒体1对应气体离化增强区13的外壁上设有外磁体4，该外磁体4在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场(参见图4a所示)、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场(参见图4b所示)、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场(参见图4c所示)或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场(参见图4d所示)中一种或多种组合。
本实施例外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，通过以下技术方案实现，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。其具体可参见本发明人的在先发明专利CN102936718A。
另外，本实施例电子在外磁体4的磁场作用下在气体离化增强区13离化工作气体，并产生气体离子，所述的外筒体1相对于出射口11的外端设置有引出极栅网6，利用引出极栅网6的相对负电压将气体离化增强区13的气体离子从出射口引出。
本发明所述的阳极3为中心带有通孔31的导电圆环3b(参见图3b)或带有多个通孔的导线螺旋成型网3a(参见图3a)。
实施例3
如图7-8所示，本实施例提供了一种弧电流激发的金属离子源，包括外筒体1、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶2，外筒体1的另一端为出射口11，外筒体上设置有进气口 12，通过该进气口12通工作气体(如氩气等)，所述的出射口11内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极3，该阳极3上设置有连接阳极内外两侧的通孔31，所述的外筒体1内相对于阳极3和阴极金属弧靶2之间设置有用于将阴极金属弧靶2所发射的金属原子团阻挡且电子、金属原子和金属离子通过的挡板5，本实施例所述的挡板5为百叶窗式挡板，百叶窗式挡板的通孔的设计使得金属原子团被阻挡，而电子、金属原子和金属离子可通过。
本实施例所述的外筒体1相对于阳极3和挡板5之间区域构成金属原子离化增强区13，该外筒体1对应金属原子离化增强区13的外壁上设有外磁体4，该外磁体4在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场(参见图4a所示)、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场(参见图4b所示)、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场(参见图4b所示)或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场(参见图4b所示)中一种或多种组合。
本实施例外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，通过以下技术方案实现，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。其具体可参见本发明人的在先发明专利CN102936718A。
本实施例所述的电子在外磁体的磁场作用下在金属原子离化增强区13离化金属原子，并产生金属离子，所述的外筒体1相对于出射口11的外端设置有引出极栅网6，利用引出极栅网6的相对负电压将金属原子离化增强区的金属离子从出射口引出。
本发明所述的阳极3为中心带有通孔31的导电圆环3b(参见图3b)或带有多个通孔的导线螺旋成型网3a(参见图3a)。
实施例4
本实施例4提供了一种弧电流激发的电子源，本实施例4与实施例3的不同之处在于：所述的外筒体1相对于出射口11的外端设置有引出极栅网6，利用引出极栅网6的相对正电压将电子增强区内的电子从出射口11引出。该电子增强区即为对应实施例3的金属原子离化增强区的位置。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种增强弧源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，其特征在于：所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体相对于阳极和阴极金属弧靶之间区域的外壁上设有外磁体，该外磁体的磁力线方向与外筒体的中心轴线方向相互平行，通过外磁体的磁场对阴极金属弧靶所发射的电子或离子进行磁力增强，并穿过出射口引出于外筒体之外。
2.根据权利要求1所述的一种增强弧源，其特征在于：所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
3.一种弧电流激发的气体离子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，其特征在于：所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有实体挡板，该实体挡板包括有相互平行竖立的上挡板和下挡板，且上挡板的下端位于和下挡板上端下方，二者在端部相互间隔交错，且二者在端部相互间隔交错的位置设置有上下开口的电子通过狭缝，所述的外筒体相对于阳极和实体挡板之间区域构成气体离化增强区，该外筒体对应气体离化增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在气体离化增强区离化工作气体，并产生气体离子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对负电压将气体离化增强区的气体离子从出射口引出。
4.根据权利要求3所述的一种弧电流激发的气体离子源，其特征在于：所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
5.根据权利要求3所述的一种弧电流激发的气体离子源，其特征在于：外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或 单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、 交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
6.一种弧电流激发的金属离子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，其特征在于：所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有用于将阴极金属弧靶所发射的金属原子团阻挡且电子、金属原子和金属离子通过的挡板，所述的外筒体相对于阳极和挡板之间区域构成金属原子离化增强区，该外筒体对应金属原子离化增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在金属原子离化增强区离化金属原子，并产生金属离子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对负电压将金属原子离化增强区的金属离子从出射口引出。
7.根据权利要求6所述的一种弧电流激发的金属离子源，其特征在于：所述的挡板为百叶窗式挡板，百叶窗式挡板的通孔的设计使得金属原子团被阻挡，而电子、金属原子和金属离子可通过。
8.根据权利要求6所述的一种弧电流激发的金属离子源，其特征在于：所述的阳极为中心带有通孔的导电圆环或带有多个通孔的导线螺旋成型网。
9.根据权利要求6所述的一种弧电流激发的金属离子源，其特征在于：外磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或 单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、 交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。
10.一种弧电流激发的电子源，包括外筒体、以及设置于外筒体内一端的阴极金属弧靶，外筒体的另一端为出射口，外筒体上设置有进气口，其特征在于：所述的出射口内设置有与阴极金属弧靶对应的阳极，该阳极上设置有连接阳极内外两侧的通孔，所述的外筒体内相对于阳极和阴极金属弧靶之间设置有用于将阴极金属弧靶所发射的金属原子团阻挡且电子、金属原子和金属离子通过的挡板，所述的外筒体相对于阳极和挡板之间区域构成电子增强区，该外筒体对应电子增强区的外壁上设有外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合；所述的电子在外磁体的磁场作用下在电子增强区离化金属原子，在金属离子的过程中同时产生对应电子，所述的外筒体相对于出射口的外端设置有引出极栅网，利用引出极栅网的相对正电压将电子增强区内的电子从出射口引出。
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