УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРОВОЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Советский патент 1998 года по МПК H01J27/00 

Изобретение относится к устройствам электронно-ионно-лучевой технологии, в частности к газоразрядным устройствам для поточной ионной обработки проволочных материалов.

Цель изобретения - повышение производительности очистки за счет непрерывной подачи в зону проволоки.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Оно состоит из цилиндрического корпуса 1, имеющего патрубок для откачки и штуцер для подачи газа, двух автономно откачиваемых камер 2, имеющих вставки с соосными отверстиями для пропускания проволоки 3, газоразрядной камеры, образованной внешним цилиндром 4 и внутренним сетчатым цилиндром 5, снабженными на торцах встречно направленными буртиками, образующими кольцевые зазоры 6, напротив которых установлены катодные кольцевые вставки 7, диэлектрических (например, керамических) держателей 8, имеющих соосные отверстия для пропускания проволоки. Корпус 1 и камеры 2 с помощью соответствующих патрубков подсоединены к форвакуумным насосам (например, ВН-1 или НВ3-20). Цилиндры 4 и 5 через вывод 9, проходящий через изолятор 10, подключены к положительному полюсу источника питания. Корпус 1 вместе с катодными вставками 7, камерами 2 и проходящей через них проволокой подсоединены к заземленному отрицательному полюсу источника питания.

Газоразрядная камера, изготовленная в виде двух коаксиальных цилиндров, снабженных встречно направленными буртиками на торцах, выполняет роль общего полого анода для двух встречно направленных кольцевых электронных пушек, катодами которых являются кольцевые катодные вставки, расположенные напротив кольцевых зазоров на торцах газоразрядной камеры. При зажигании высоковольтного тлеющего разряда в газоразрядной камере образуется плазма, создаваемая при ионизации газа двумя встречно направленными трубчатыми электронными потоками, генерируемыми с поверхности кольцевых катодных вставок. Такая конструкция газоразрядной камеры позволяет повысить коэффициент ионизации газа и создать протяженные трубчатые объемы с высокой концентрацией плазмы, которая необходима для повышения производительности устройства.

Выполнение внутреннего цилиндра газоразрядной камеры из сетки позволяет ионам из плазмы диффундировать через ячейки сетки и проникать внутрь сетчатого цилиндра, где под действием электрического поля ионы ускоряются в направлении проволоки, расположенной на оси устройства, и производят ее обработку на достаточно протяженной длине. Поскольку плазма в газоразрядной камере производится от автономно управляемых электронных источников, отбор ионов из плазмы и режим ионной обработки проволоки не зависят от состояния поверхности проволоки.

Устройство работает следующим образом. При откачке и одновременном напуске газа в устройстве устанавливается давление порядка (0,5-1)•10^-1Торр. При подаче на цилиндры 4 и 5 положительного потенциала 1-5 кВ между ними и катодами через зазоры 6 зажигается высоковольтный тлеющий разряд в виде двух встречно направленных трубчатых электронных пучков. При зажигании разряда в системе возникают две характерные области: область катодного падения потенциала, в которой сосредоточено практически все напряжение разряда и которая располагается между катодными вставками 7 и буртиками с кольцевым зазором 6, и область плазмы, заполняющей пространство между цилиндрами 4 и 5. Ионы из плазмы, диффундируя к кольцевому зазору 6, захватываются электрическим полем, ускоряются в направлении катодов и бомбардируют их, выбивая вторичные электроны, которые, ускоряясь в обратном направлении, формируют два трубчатых, встречно направленных электронных потока, производящих объемную ионизацию газа в пространстве между цилиндрами 4 и 5. Немаловажную роль в ионизации газа играют отраженные от цилиндров 4 и 5 электроны. Поскольку газоразрядная камера и катодные вставки представляют собой осесимметричную систему, условия для горения разряда в различных участках кольцевых зазоров 6 являются идентичными, и плотность тока трубчатых электронных пучков и, следовательно, интенсивность ионизации газа в полом аноде, образованном цилиндрами 4 и 5, будут однородными.

Ионы из плазмы, проникая через ячейки сетчатого цилиндра 5, попадают внутрь его и захватываются радиально направленным электрическим полем, под действием которого ускоряются к оси системы и бомбардируют поверхность расположенной там проволоки. Поскольку диаметр проволоки намного меньше диаметра сетчатого электрода, определяющего площадь отбора ионов из плазмы, плотность потока ионов, бомбардирующего проволоку, оказывается намного выше плотности ионного потока на сетчатом электроде. В результате воздействия интенсивного ионного потока поверхность проволоки быстро очищается. Благодаря высокой скорости очистки и возможности обрабатывать проволоку на достаточно протяженном участке, определяемом длиной камеры (0,2-0,8 м), обеспечивается поточная обработка проволоки при ее непрерывном перемещении по оси системы. Перемещение проволоки производится при помощи вращения подающей и принимающей катушек, находящихся за пределами устройства под атмосферным давлением. Поскольку диаметр осевых отверстий в камерах 2 и держателях 8 соответствует диаметру проволоки, натекание газа из атмосферы незначительно, и постоянный перепад между давлением в устройстве и атмосферным давлением поддерживается путем автономной откачки камер 2.

Скорость перемещения проволоки выбирается в соответствии с протяженностью зоны обработки проволоки и необходимой степенью ее очистки при заданном режиме обработки. Если учесть, что длина зоны обработки в заявляемом устройстве намного больше (в 10-30 раз), чем в прототипе, то при тех же режимах обработки производительность заявляемого устройства будет настолько же выше, чем у прототипа.

Таким образом, за счет введения в конструкцию устройства новых элементов, использования газоразрядной системы с холодовыми кольцевыми катодами и протяженным полым трубчатым анодом, имеющим внутреннюю стенку, выполненную из сетки, а также возможности перемещения проволоки через автономно откачиваемые камеры возрастают протяженность зоны обработки проволоки, скорость обработки и производительность установки в целом.

При этом, если в прототипе размеры зоны обработки ограничены размерами отверстия для вывода ионов и эти размеры не могут быть произвольно увеличены без нарушения работы системы, то в предлагаемом устройстве это ограничение снято и протяженность зоны ионной обработки может быть увеличена в достаточно широких пределах.

Конструкция предлагаемого устройства может быть использована для выполнения различного рода технологических операций по поточной очистке, термообработке, травлению или полировке различных проволочных материалов. Причем в одном устройстве могут быть совмещены операции по очистке и термообработке проволоки (отжиг, закалка и т.д.). В условиях высоковольтного тлеющего разряда благодаря относительно высокому давлению газа в источнике ионы, извлекаемые из плазмы газоразрядной камеры и ускоренные в промежутке, осуществляют ионизацию газа и создают вблизи поверхности проволоки слой плазмы. Это позволяет обеспечивать обработку не только металлических, но и диэлектрических материалов или металлических материалов с диэлектрическим покрытием, поскольку плазма снимает с поверхности диэлектрика любой избыток заряда, обычно накапливающегося на диэлектрике и создающего тормозящее электрическое поле. Это существенно расширяет технологические возможности устройства.

1. Устройство для ионной обработки проволочных материалов, содержащее корпус в виде полого цилиндра, внутри которого соосно размещена газоразрядная камера с цилиндрическим анодом и плоскими катодами, и расположенные в торцовых крышках корпуса держатели обрабатываемой проволоки, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности устройства, внутри анода коаксиально ему установлена металлическая цилиндрическая сетка, при этом сетка и анод снабжены буртиками, направленными навстречу один другому и образующими кольцевые зазоры, напротив которых в торцовых крышках корпуса установлены катоды, выполненные в виде колец.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью непрерывной поточной обработки проволоки, на торцовых крышках корпуса установлены автономно откачиваемые камеры, снабженные соосно расположенными вкладышами с отверстиями для прохождения проволоки.

1. Устройство для ионной обработки проволочных материалов, содержащее корпус в виде полого цилиндра, внутри которого соосно размещена газоразрядная камера с цилиндрическим анодом и плоскими катодами, и расположенные в торцевых крышках корпуса держатели обрабатываемой проволоки, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности устройства, внутри анода коаксиально ему установлена металлическая цилиндрическая сетка, при этом сетка и анод снабжены буртиками, направленными навстречу один другому и образующими кольцевые зазоры, напротив которых в торцевых крышках корпуса установлены катоды, выполненные в виде колец. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью непрерывной поточной обработки проволоки, на торцевых крышках корпуса установлены автономно откачиваемые камеры, снабженные соосно расположенными вкладышами с отверстиями для прохождения проволоки.