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一种脉冲潘宁放电 等离子体发生装置

阅读：131发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，属于材料表面改性领域。包括等离子体发生部分、真空室、工作台、高压脉冲功率电源、时序控制电路、可调电阻一、可调电阻二和真空系统。在真空室达到工作压强后，启动时序控制电路，当磁场强度达到设定值后，潘宁阳极内部及其与阴极和辅助阳极相对区间形成空间放电，获得放电等离子体，放电等离子体在磁场约束下沿轴向扩展，穿过辅助阳极后作用于工件表面。本发明等离子体发生部分和工件相对独立，放电等离子体产生过程中，工件对等离子体发生的影响可以忽略不计；放电等离子体分布密度、放电等离子体对工件的作用强度具有可调性，适应于多种材料的表面改性。，下面是一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的脉冲潘宁放电等离子体发生装置包括等离子体发生部分(1)、工作台(2)、可调电阻一(3)、可调电阻二(4)、真空室(5)、真空系统(6)、高压脉冲功率电源(7)和时序控制电路(8)；等离子体发生部分(1)和工作台独立(3)安装于真空室(2)内部；
所述的等离子体发生部分(1)包括磁场线圈(1-1)、圆环型支撑架(1-2)、潘宁阳极(1-
3)、阴极(1-4)和辅助阳极(1-5)，该部分安装于真空室(2)内部；磁场线圈(1-1)固定在圆环型支撑架(1-2)的外圆上；阴极(1-4)和辅助阳极(1-5)相对安装于圆环形支撑架(1-2)内孔的两端，潘宁阳极(1-3)设置于阴极(1-4)和辅助阳极(1-5)中间，潘宁阳极(1-3)的工作电压通过绝缘导线和高压密封绝缘从真空室(5)端部引出，与高压脉冲功率电源(7)的输出端连接；所述的磁场线圈(1-1)由两个平行放置的密绕线圈组成，磁场线圈(1-1)提供平行于真空室轴线的磁场，约束放电等离子体(9)进行轴向扩展；所说的阴极(1-4)嵌入铜质导电杆中，导电杆连接可调电阻一(3)后接地；辅助阳极(1-5)连接可调电阻二(4)后接地；通过调节可调电阻一(3)和可调电阻二(4)的电阻值，对放电等离子体(9)分布密度、放电等离子体(9)对工件(10)的作用强度和延伸距离进行调节，以适应不同要求的表面改性；
所述的工作台(2)不与辅助阳极(1-5)接触，安装在辅助阳极(1-5)前端，并通过绝缘导线接地；工件(10)置于工作台(2)上方，工件(10)待改性表面正对辅助阳极(1-5)的放电等离子体(9)引出位置；在放电等离子体(9)产生过程中，由于工件(10)在等离子体发生部分(1)外部，对放电等离子体(9)的影响忽略不计；
所述的真空室(5)通过绝缘导线接地，与真空系统(6)连接；所述的时序控制电路(8)控制高压脉冲功率电源(7)的顺序开启工作，高压脉冲功率电源(7)分别为磁场线圈(1-1)和潘宁阳极(1-3)提供各自独立的高压输出；
启动时序控制电路(8)，当磁场强度达到设定值后，潘宁阳极(1-3)内部及其与阴极(1-
4)和辅助阳极(1-5)相对区间形成空间放电，获得放电等离子体(9)；放电等离子体(9)在磁场约束下沿轴向扩展，等离子体(9)穿过辅助阳极(1-5)的细丝状栅网后作用在工作台上(2)的工件(10)表面；随潘宁阳极(1-3)电压下降，放电过程减弱至熄灭；高压脉冲功率电源(7)自行充电，等待时序控制电路(8)的再次开启工作。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的工作台(2)与辅助阳极(1-5)的距离可调，为100～150mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的真空系统(6)包括进气管道(6-1)、出气管道(6-2)、真空泵(6-3)、气体流量计(6-4)、储气瓶(6-5)；进气管道(6-1)一端与真空室(5)连接，另一端通过气体流量计(6-4)后与储气瓶(6-5)连接，出气管道(6-2)的两端分别与真空室(5)和真空泵(6-3)相连；可通过真空系统(6)控制输入氩气、氮气活氢气等工作气体的流量使真空室(5)内达到所需工作压强。
4.根据权利要求1或2所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的高压脉冲电源(7)分别为磁场线圈(1-1)提供3000V的高压输出，为潘宁阳极(1-3)提供
5000V的高压输出。
5.根据权利要求3所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的高压脉冲电源(7)分别为磁场线圈(1-1)提供3000V的高压输出，为潘宁阳极(1-3)提供5000V的高压输出。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的潘宁阳极(1-3)为直径为60～120mm的不锈钢圆环，；所述的阴极(1-4)为常用电极材料，直径60～120mm、厚度15-30mm的块状结构；所述的辅助阳极(1-5)为结构对称的细丝栅网结构，直径60～120mm，材质为钼和不锈钢；所述的真空室(5)由不锈钢材料制成。
7.根据权利要求3所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的潘宁阳极(1-3)为直径为60～120mm的不锈钢圆环，；所述的阴极(1-4)为常用电极材料，直径
60～120mm、厚度15-30mm的块状结构；所述的辅助阳极(1-5)为结构对称的细丝栅网结构，直径60～120mm，材质为钼和不锈钢；所述的真空室(5)由不锈钢材料制成。
8.根据权利要求4所述的一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，其特征在于，所述的潘宁阳极(1-3)为直径为60～120mm的不锈钢圆环，；所述的阴极(1-4)为常用电极材料，直径
60～120mm、厚度15-30mm的块状结构；所述的辅助阳极(1-5)为结构对称的细丝栅网结构，直径60～120mm，材质为钼和不锈钢；所述的真空室(5)由不锈钢材料制成。

说明书全文

一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置

技术领域

[0001] 本发明属于材料表面改性领域，涉及一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置。

背景技术

[0002] 在现有的材料表面改性技术中，借助等离子体方法实现的材料表面改性工艺具有高效、节能和环保等优点，该技术已发展成为目前材料科学的前沿领域。这些表面改性工艺的共同特点是利用等离子体放电产生活性载能离子，并可通过电场和磁场对活性载能离子的能量、密度分布和运动轨迹进行控制。当等离子体与工件表面相互作用时，引发材料表层能量作用区内的元素分布、组织形貌和物理化学变化，实现材料表面改性。

[0003] 如何充分发挥等离子体放电方法在材料表面改性中的优势，研制出合理使用的材料表面改性工艺和装备，关键取决于所设计装置的能量特性和工作方式。与其他放电方法相比较，潘宁放电具有以下优点：无灯丝结构，电源系统简单；在活性气体中工作寿命长，可靠性高；可以在较大真空范围内实现稳定放电。现有的潘宁放电装置，多数用于离子源产生手段进行膜层制备和离子注入等；少数用于表面改性技术探索的放电装置，但存在等离子体放电口径小，束流较弱，能量输入范围有限等问题。本课题组前期研制了一种脉冲潘宁放电大口径等离子体发生装置，该装置通过潘宁阳极内部及其与阴极和工作台相对区间形成空间放电，可对少部分导电材料进行较好的表面改性。但在实际应用中发现还存在以下不足：

[0004] (1)放电在潘宁阳极内部及其与阴极和工作台相对区间形成，因此工件的材质、表面的形貌和结构会直接影响等离子体的发生和分布；

[0005] (2)具有导磁性的工件会干扰平行磁场，影响等离子体的定向性；

[0006] (3)放电通道的等离子体密度分布不具可调性。

发明内容

[0007] 为克服现有技术中的不足，本发明提供了一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置。该装置等离子体发生部分和工件相对独立，产生的等离子体密度分布可调，整体结构紧凑，工作稳定，可靠性高，适用于绝缘、导电等多种材料的有效表面改性。

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0009] 一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置，包括等离子体发生部分1、工作台2、可调电阻一3、可调电阻二4、真空室5、真空系统6、高压脉冲功率电源7和时序控制电路8。等离子体发生部分1和工作台独立3安装于真空室2内部。

[0010] 所述的等离子体发生部分1包括磁场线圈1-1、圆环型支撑架1-2、潘宁阳极1-3、阴极1-4和辅助阳极1-5，该部分安装于真空室2内部。磁场线圈1-1固定在圆环型支撑架1-2的外圆上；阴极1-4和辅助阳极1-5相对安装于圆环形支撑架1-2内孔的两端，潘宁阳极1-3设置于阴极1-4和辅助阳极1-5中间，潘宁阳极1-3的工作电压通过绝缘导线和高压密封绝缘从真空室5端部引出，与高压脉冲功率电源7的输出端连接。所述的磁场线圈1-1由两个平行放置的密绕线圈组成，磁场线圈1-1提供平行于真空室轴线的磁场，约束放电等离子体9进行轴向扩展。所说的阴极1-4嵌入铜质导电杆中，导电杆连接可调电阻一3后接地；辅助阳极1-5连接可调电阻二4后接地。

[0011] 所述的工作台2安装于辅助阳极1-5的前端，并通过绝缘导线接地；工作台2与辅助阳极1-5的距离可调，为100～150mm，在放电等离子体9产生过程中，由于工件10在等离子体发生部分1外部，对放电等离子体9的影响可以忽略不计。工件10置于工作台2上方，工件10待改性表面正对辅助阳极1-5的放电等离子体9引出位置。

[0012] 所述的真空室5通过绝缘导线接地，与真空系统6连接，保证真空室5内达到所需工作压强。

[0013] 所述的时序控制电路8控制高压脉冲功率电源7的顺序开启工作，高压脉冲功率电源7分别为磁场线圈1-1和潘宁阳极1-3提供各自独立的高压输出，极性为正，两路高压输出可根据具体处理工艺要求进行连续调节。

[0014] 分别调节可调电阻一3和可调电阻二4的电阻值，可以调节放电等离子体9发生后流经阴极1-4和辅助阳极1-5的电流值，电流值对应放电等离子体9的分布密度，即通过调节可调电阻一3和可调电阻二4的电阻值，可对放电等离子体9分布密度、放电等离子体9对工件10的作用强度和延伸距离进行调节，以适应不同要求的表面改性。

[0015] 启动时序控制电路8，当磁场强度达到设定值后，潘宁阳极1-3内部及其与阴极1-4和辅助阳极1-5相对区间形成空间放电，获得放电等离子体9。放电等离子体9在磁场约束下沿轴向扩展，等离子体9穿过辅助阳极1-5的细丝状栅网后作用在工作台上2的工件10表面。随潘宁阳极1-3电压下降，放电过程减弱至熄灭。高压脉冲功率电源7自行充电，等待时序控制电路8的再次开启工作。

[0016] 通过下述设定，本发明提供的装置可产生磁场强度0.5T，潘宁放电电压5000V，磁场线圈电压3000V，时序控制电路延时误差为±0.2us，放电持续时间～500us，重复工作频率0.1-0.5Hz，直径达到60～120mm，密度分布可调的放电等离子体。

[0017] 所述的潘宁阳极1-3为薄壁不锈钢圆环，直径为60～120mm。所述的阴极1-4采用常用电极材料，包括不锈钢、紫铜或石墨纤维等，制成直径60～120mm，厚度15-30mm块状结构。所述的辅助阳极1-5为结构对称的细丝栅网结构，直径60～120mm，材质为钼和不锈钢等。所述的真空室5由不锈钢材料制成。

[0018] 所述的真空系统6包括进气管道6-1、出气管道6-2、真空泵6-3、气体流量计6-4、储气瓶6-5；进气管道6-1一端与真空室5连接，另一端通过气体流量计6-4后与储气瓶6-5连接，出气管道6-2的两端分别与真空室5和真空泵6-3相连。可通过真空系统6控制输入氩气、氮气活氢气等工作气体的流量使真空室5内达到所需工作压强。

[0019] 所述的高压脉冲电源7分别为磁场线圈1-1提供3000V的高压输出，为潘宁阳极1-3提供5000V的高压输出。

[0020] 本发明的有益效果为：

[0021] (1)通过合理的结构和电气设计，等离子体发生部分和工件相对独立，放电等离子体产生过程中，由于工件在等离子体发生部分外部，对其影响可以忽略不计。

[0022] (2)放电等离子体分布密度、放电等离子体对工件的作用强度和延伸距离具有可调性，不仅适用于导电材料改性，还适用于绝缘材料的表面改性。

[0023] (3)放电等离子体直径达到60～120mm，可一次实现较大加工面的处理。采用重复脉冲工作方式，降低对供电电源功率的过高要求，同时避免阳极表面热量累计导致材料熔化和蒸发。附图说明

[0024] 图1是一种脉冲潘宁放电等离子体发生装置结构示意图；

[0025] 图2是辅助阳极结构图；

[0026] 图中：1等离子体发生部分；1-1磁场线圈；1-2圆环型支撑架；1-3潘宁阳极；1-4阴极；1-5辅助阳极；2工作台；3可调电阻一；4可调电阻二；5真空室；6真空系统；6-1进气管道；6-2出气管道；6-3真空泵；6-4气体流量计；6-5储气瓶；7高压脉冲功率电源；8时序控制电路；9放电等离子体；10工件。

具体实施方式

[0027] 下面将结合附图对本发明作进一步详述，但不是对本发明的限定。

[0028] 该脉冲潘宁放电等离子体发生装置，包括等离子体发生部分1、工作台2、可调电阻一3、可调电阻二4、真空室5、真空系统6、高压脉冲功率电源7和时序控制电路8。等离子体发生部分1和工作台独立3安装于真空室2内。

[0029] 等离子体发生部分1由磁场线圈1-1、圆环型支撑架1-2、潘宁阳极1-3、阴极1-4和辅助阳极1-5组成，该部分安装于真空室2内部。磁场线圈1-1固定在圆环型支撑架1-2的外圆上；阴极1-4和辅助阳极1-5相对安装于圆环形支撑架1-2内孔的两端，潘宁阳极1-3安置于阴极1-4和辅助阳极1-5中间。

[0030] 磁场线圈1-1由两个平行放置的密绕线圈组成，磁场线圈1-1提供平行于真空室轴线的磁场，约束放电等离子体9进行轴向扩展。

[0031] 潘宁阳极1-3为薄壁不锈钢圆环，直径为80mm。潘宁阳极1-3的工作电压通过绝缘导线和高压密封绝缘从真空室5端部引出，连接于高压脉冲功率电源7的输出端。

[0032] 阴极1-4可采用常用电极材料，包括不锈钢、紫铜或石墨纤维等，制成直径80mm，厚度20mm块状并嵌入铜质导电杆中，导电杆通连接可调电阻一3后接地。

[0033] 辅助阳极1-5为结构对称的细丝栅网结构，直径80mm，材质为钼和不锈钢等，辅助阳极1-5连接可调电阻二4后接地。

[0034] 工作台2安装于辅助阳极1-5的前端，并通过绝缘导线接地；工作台2与辅助阳极1-5的距离可调，为120mm。

[0035] 真空室5由不锈钢材料制成，并通过绝缘导线接地；真空系统6由进气管道6-1、出气管道6-2、真空泵6-3、气体流量计6-4和储气瓶6-5组成；进气管道6-1一端与真空室5连接，另一端通过气体流量计6-4后与储气瓶6-5连接，出气管道6-2的两端分别与真空室5和真空泵6-3相连。可通过真空系统6控制输入氩气、氮气活氢气等工作气体的流量使真空室5内达到所需工作压强。

[0036] 高压脉冲电源7分别为磁场线圈1-1和潘宁阳极1-3提供各自独立的高压输出，分别为3000V和5000V，其中3000V为磁场线圈1-1供应电压，5000V为潘宁阳极1-3上施加的电压，极性为正。

[0037] 时序控制电路8操作高压脉冲功率电源7的顺序开启工作。分别调节可调电阻一3和可调电阻二4的电阻值，可以调节放电等离子体9发生后流经阴极和辅助阳极的电流值，电流值对应放电等离子体的分布密度，即通过调节可调电阻一3和可调电阻二4的电阻值可对放电等离子体9分布密度进行调节；同时通过调节可调电阻二4的电阻值可直接调整放电等离子体9对工件10的作用强度和延伸距离，以适应不同要求的表面改性。

[0038] 本实施例所述装置，可产生磁场强度0.5T，潘宁放电电压～5000V，时序电路延时误差为±0.2us，放电持续时间～500us，重复工作频率0.1～0.5Hz；直径60-120mm，分布密度可调的放电等离子体9。

[0039] 装置的工作过程如下：

[0040] (1)根据工件10表面改性具体需要，调节可调电阻一3和可调电阻二4的电阻值；

[0041] (2)清洁工件，将工件10固定于工作台2上，工件10待改性表面正对辅助阳极1-5的放电等离子体9引出位置。

[0042] (3)启动真空泵6-3将真空室5抽至背景真空7.0×10-3Pa；打开储气瓶6-5，通过进气管路6-1充入氩气，通过气体流量计6-4控制工作真空压强。

[0043] (4)设置高压脉冲功率电源7的电压参数，将电能储存于储能器件并达到预定值。

[0044] (5)通过时序控制电路8操作高压脉冲功率电源7的开启动作。

[0045] (6)磁场线圈1-1通过电流，形成平行于阴极1-4与辅助阳极1-5轴线的约束磁场。

[0046] (7)当磁场线圈1-1电流达到设定值后，潘宁阳极1-5内部及阴极1-4与辅助阳极1-5相对区间形成等离子体放电，获得大口径放电等离子体9，放电等离子体9沿轴线扩展穿过辅助阳极1-5后作用于工件10表面。

[0047] (8)潘宁阳极1-5放电结束，高压脉冲功率电源7自行充电，等待时序控制电路8的再次开启动作。

[0048] 以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

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