【doc】电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制

【doc】电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制 电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制 D,l},}470'vAcu~真空科学与技术 SCIENCEANDTEcHN0L0GY(CH1NM 第l9卷第6期 1999年11月 电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制 V 岭白羽马新欣孙跃 (哈尔滨工业大学材料学院哈尔滨150001) 1998年9月17日收到 1{\{30嘴 AStudyofVacuumCathodicArcElectronic IgniterUsedinVacuumArcDeposition LiLiuhe,XiaLifang,BaiYu,MaXinxin,Sunyue (&hodM删andEngineering,HarbinInstituteofTechnolq~,Harbin,150001) AbstractAnelectrc~c'spark'igniterusedinvacutlInarcdepositionwasdeveloped.The~ratin gpnn6 pieandwaveprocedur~were 删.Somekeyelectriccircuitsandthecharacteristicswerealsodiscussed. KeywordsVacuumcathodicarcevaporation,Ignitingunit,Electriccircuits 摘要研制了电子式真空阴极弧离子镀引弧器,分析了其工作原理及工作时序,给出了它的关键部分 的电路,介绍了它的离子镀引弧器的性能及特点. 关麓词窒旦墼翌鞋王矍!!堡量堕电寻式喔 真空阴极弧离子镀(又称多弧离子镀)是近年来发展起来的一种离化率最高(10%, 100%),高离子能量(40-100v)【,高效率,镀膜面积大,镀膜温度低的新型镀膜技术.它 是以被镀材料为阴极,在真空中产生弧光放电,利用等离子体运行沉积镀膜的一种技术.该 技术已经被应用于工业生产中. 为了点燃电弧,通常采用机械式接触引弧装置.但是,由于在电弧引燃的过程中(即使 是在真空中),在接触点处仍然具有很高的电流密度和很高的温度,这个温度远远高于阴极 和引弧棒的熔点,在引弧棒的面形成单个或多个小的熔池,造成引弧棒的烧损.如果引弧 棒与阴极的材料不同,在引弧的瞬间会对所镀膜产生污染. 另外,在镀膜时通常加入一定流量反应气体,如果在镀膜的过程中保持电弧电流和供给 气体的流量不变,则真空腔体内的真空度一般为一定值,这样所得到的镀膜成分及结构比较 均匀.但是,在镀膜时,由于较复杂的原因电弧常常会自动熄灭_2J,在电弧熄灭后的一段 时间内,真空腔体内的气压会在几秒内产生很大幅度的上升(特别是对于与阴极弧反应剧烈 的,用量较大的气体),这就必然影响到所成膜的成分及结构,甚至再次引弧后真空度不能够 回到原来的平衡状态.这就需要一个高效,快速,能够识别镀膜设备工作状态的引弧装置, 这时.机械式引弧装置往往不能满足要求.基于以上原因,本文介绍了一种电子式高压脉冲 引弧装置,该引弧装置具有能够自动识别主电源的工作状态,引弧时间方便可调, 引弧能量 可调等特点. 第6期李刘台等:电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制 1电子式真空阴极弧离子镀电源组成及引弧器工作原理 试验所采用的电子式高压脉冲引弧装置的安装及所加磁场线圈见文献[5].主电源采 用空载电压为7OV,额定电流25,300A的GxA一300型全桥硅整流式弧焊电源.引弧电源 和引弧器采用共阴极接法,采用这种接法可以避免引弧信号进^主电源引起破坏. 高压脉冲引弧器主要由高压脉冲电源,引弧元件及引弧电极所组成.其中引弧元件安 装在圆形平面靶侧面,引弧后电弧在磁控线圈的作用下转移到阴极表面. 高压脉冲引弧器的工作原理如图1所示.图中1为高压发生器;2为高压整流环节;3 为储能调节电阻;4为储能环节;5为放电限流电阻;6为晶闸管;7为引弧元件;8为主电源; 9为脉冲延时环节;10为脉冲触发环节;11为比较环节;12为主电源工作状态反馈环节;13 为主电源保护网络. 图l高压脉冲引弧器原理图 Fig.1Thesch~naticdpa1StructtLr~ofthearcauto-re-ignitepowersotLro~ 高压脉冲引弧器的工作原理是,在主电源工作状态反馈环节的监视下,如果主电源满足 引弧要求,即主电源处于等待工作状态,则高压发生器产生的交流高压,经过整流后进行储 能,同时脉冲延时环节进行延时,以使得储能环节储存有足够的能量.之后通过和主电源反 馈环节所得信号的比较来决定脉冲触发环节是否触发晶闸管.晶闸管一旦触发.储能环节 所储存的能量通过放电限流电阻和引弧元件释放出来,在引弧元件上产生电火花,主电源在 电火花的作用下,借助于电火花放电所产生的离子氛围.开始燃弧并进行镀膜. 在工作过程中.如果发生熄弧.主电源工作状态反馈环节就会通知脉冲发生器立刻再次 产生引弧脉冲,使得在极短的时间内重新引燃电弧. 如果引弧不成功,晶闸管会由于放电的波动而自动关闭,主电源工作状态反馈环节检测 到引弧不成功后会反馈给脉冲触发环节,使得触发脉冲不断产生,直到燃弧为止,达到自动 引弧的目的.整个真空阴极弧离子镀引弧器的工作时序图如图2所示. 2高压脉冲引弧器电路原理图 2.1膏压产生电路 高压发生器,高压整流环节,储能调节电阻,放电电阻和晶闸管等构成高压产生电路(如 图3所示).其中升压变压器Bl完成220V市电到600,1000V的电压转换.在电路各元 件的参数选取中,储能调节电阻Rl和放电限流电阻R2的选取较为关键,R1选择过大会使 真空科学与技术第19卷 图2高压脉冲引弧器的工作漉程图 .2Flowofthearcignit~rsys'r~ 图3高压产生电路 Fig.3Cim~.tofthe出~ltageunit 得在有效的脉冲延时时间内储能元件Cl,C8储存的能量不足而满足不了引弧能量的要 求;过小会使得晶闸管GKI不能够有效关闭.放电限流电阻的选取既应考虑到使储能元件 C1,C8储存的能量有效释放,又要起到限电作用,使得流经晶闸管的电流不过载.另外考 第6期李刘合等:电子式真空阴极弧离子镀引弧器的研制473 虑到工作过程中需要快速重新引弧,选择电容放电常数r=RC为O.007So 2.2脉冲延时及脉冲产生电路 该电路采用时基电路555组成的多谐振荡器作为脉冲延时及脉冲调制电路(见图4). 图中R7为延时调节电阻,脉冲产生的占空比可以通过调节可变电阻R8和R9来改变, NE555产生的脉冲经限流电阻R5加到隔离用脉冲变压器上,通过隔离变压器的输出端施 加给晶闸管.应该指出的是,随着可变电阻R8及R9的改变,触发脉冲产生的频率也相应 改变. 图4脉冲延时及脉冲调制电路 Fig.4Pli1.~eomrolsystem 2.3主电源状态识别电路 该电路(如图5所示)利用主电源 的陡降特性,通过适当选择稳压管 wZ1和WZ2来实现.当主电源处于 空载状态时或中间熄弧状态时,空载 电压要高于有负载时的电压,稳态管 导通,开关三极管BGl打开,控制继电 器儿的开与关,经与脉冲产生电路进 行比较后决定是否发送脉冲触发给晶 闸管.为了使开关三极管BG1工作于 饱和状态,设基极电流为J,则电阻 R,的值应为 图5主电源状态识别电路 Fig.5Mail).p_旧supplyfeedl~kelrellits RI=(u0一Uwz)/lb(1) 式中Uo为主电源空载电压,Uwz为稳压管wz1和wz2的稳压值.R2的选取应保证J1的 可靠吸合.其值为: Rz=(u0一uj—u)/Ij(2) 式中Uj为Jl的标称电压,U为BG1的发射极与集电极压差,JJ为儿标称电流. 3电子式真空阴极弧离子镀引弧器的性能及优点 (1)电子式真空阴极弧离子镀引弧器采用电子元件进行高压脉冲引弧,由于引弧元件处 474真空科学与技术第l9卷 于镀膜的真空腔体内,因而,真空腔体内的等离子体也同样沉积在引弧元件的表面,所以,引 弧元件可以多次重复使用. (2)由于引弧元件引弧后沉积的等离子体材料与阴极材料相同,因而,特别是多次使用 后,可保证引弧所产生的等离子与阴极等离子成分相同,可以有效防止对所镀膜的污染. (3)电子式真空阴极弧离子镀引弧器所用的能量较小,也是防止污染所镀膜的一个重要 的因素. (4)电子式真空阴极弧离子镀引弧器具有引弧可靠,能够自动识别电弧是否引燃,能够 在熄弧后自动重新引弧等优点. (5)电子式真空阴极弧离子镀引弧器由于重新引弧的速度快,可以有效地防止熄弧引起 的真空度波动,使真空度非常稳定,基本上达到不能够察觉熄弧的过程. 参考文献 1l~mchiAW,PercyAJ.AStudyofthe?b0deDistiltioninCathodic-arc-evalx)ratedTiNFilms. ~xlrl'aceandCoatingTechnolGgy,1991,49:253--257 2miyVN,Box~'aanRL,GoldsmithS.InfluenceofallExternalMagneticonCathateSvotMo- tionandCoatingDepositlc~UsingFilteredVacuumArcEvag~fion.Su~aceandCoatingndIr蛔,1994, 鹋/691146--151 3E11rodtM,MeckeH.PcssibilitiesofInfluencingVacuumEvaporationbyTime~ependentArcCurlt~lt.S】rfaoe andCoatingsTechnology,1995,74/75:241,245 4SchradeHO.ArcCathodeSpot:nirMechanianandMotionIEEETransitionollPlasmaScienom.1989. 17:635,637 5李刘台,夏立芳,白羽等.真空科学与技术,1999,19(6):416--420 (上接第488页) 参考文献 1DawstmPHed.西lad?】p0Ie? Specw~etryandItsApplicafior~iAmsterdarm:Elsevi~,1976 2BarilM,Se0ti~ARevPhysAppl,1974,9:525 3于炳琪四极质谱计人口边缘场的优化修正.真空科学与技术,1999,19(5):395 4She~etovEP,KolotilinB1.SoyPhys-TechPhys(EnglTrans1),1975,20:260 5Septie~Aed.App{~Cl1argParticleOptics:Supp1.13B,NewYcck:AcademicPress,1980 6DawmnPHlntJ?t兀jrIl:IonPlays,1975,17:423 7DawmnPH.IntJ,站瑚t兀jrIl:IonPhys,1975,17:447