真空脉冲弧光放电装置的设计与研究

论文摘要

磁过滤脉冲阴极弧制备薄膜是当今一种新型的薄膜制备方式。本文主要论述了对脉冲阴极弧放电装置,以及其控制系统,采集系统的研究,此外还对真空室的建立,改进工作做了相关的叙述。本文的研究重点是高压脉冲大电流电源及控制其脉冲周期,频率,触发次数的单片机的整体程序设计思路与实施,此外还对放电电极,磁过滤弯管,真空室内部结构进行了制作与改进。在本文中,我们重点对脉冲形成网络的特点以及其内部的参数做了研究,不仅阐述了其基本原理,还通过研究引入了一种“效率增强二极管”,这种二极管可以使LC电路出现多个弧脉冲,并且可以使电容器总是从一个合适的方向充电,使其无需提高输入功率就可以使电容器重复充电更加迅速,使PFN运行时具有更高的脉冲重复频率。之后我们通过MATLAB模拟的计算确定了整个PFN网络的电容以及电感的值。最后,我们根据这一原理,搭建了一台能够提供高压的脉冲大电流发生装置。在搭建脉冲大电流装置后,我们对其进行了单次脉冲的放电取得了成功,之后,我们对其连续放电的能力进行了研究与测试,并且进而做到可以通过预先的设置控制其放电的时间,周期,频率等各项参数。为此我们使用了8051单片机进行编程设计,通过C语言对8051的触发脉冲大小,触发次数,连续触发次数以及触发间隔时间进行了设计,使其做到了易操作化,易修改化,这位我们以后控制镀膜的质量和对膜进行研究提供了可靠的保证。之后,为了便于我们对PFN网络以及电路其他部分的参数的采集与记录,我们通过Vc++编写了所需要的传输类,显示类等,让我们能够通过单片机触发的同步信号,对电路中的电压以及电流信号进行采集和记录,并且通过做好的画图程序,通过计算机的串口,实时地在计算机上反映出来,这将更有助于我们对PFN的电路对镀膜的影响产生有益的帮助。此外,我们还设计了阴极真空弧电极,并制作了两个磁过滤弯管,一个是带有90度磁滤器,一个带有连续式90度磁滤（即S型）。两者相比较而言,90度磁滤具有更高的传输效率,而S则能够制备出更加致密均匀的薄膜,但其传输效率会受到一定的影响。对真空室的制造与改造也是工作的一部分,我们不仅通过对真空方面书籍的研究自己制作了同样具有高真空性的真空室连接器,还制作了一台集温度控制,温度测量与一体的真空式温度加热设备,一般情况下,可以将真空室温度加热至600摄氏度以上,以帮助我们对高温对包括空心阴极放电等的影响。如今,随着等离子体工业应用的日益广泛,特别是阴极弧等离子体制备各种纳米叠层膜和超硬膜等新一代表面技术的出现,如果在质膜过程中消除大颗粒以及如何提高阴极弧等离子体的传输效率的研究工作受到了更广泛的重视。我们设计的整套装置,不仅能够稳定的提供阴极弧的产生,而且能够方便的对不同的条件进行改变,更重要的是能够为我们进一步的对这种新型的脉冲式放电架构进行进一步的研究,因此无论在工业应用领域还是科研领域都有着广阔的前景。最后,由于我们对真空室的改造,使其能够适应多种放电的需求,并且满足了各种气压的要求,对实验室镀膜的研究起到了至关重要的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 低温等离子体在薄膜制备中的应用
• 1.1 等离子体概述
• 1.1.1 等离子体的定义及其基本特点
• 1.1.2 等离子体的分类
• 1.2 低温等离子体沉积溅射技术及其应用
• 1.2.1 低温等离子体沉积技术及其应用
• 1.2.2 溅射沉积镀膜技术及其应用
• 第二章 阴极弧放电与辉光放电概述
• 引言
• 2.1 阴极弧放电及其形态
• 2.1.1 电弧历史发展
• 2.1.2 弧斑的描述和阴极弧斑放电的基本特征
• 2.2 弧斑放电的机理分析
• 2.2.1 电子的热场致发射理论模型
• 2.2.2 电子爆裂发射模型
• 2.3 真空电弧沉积技术中的弧源设计
• 2.3.1 弧源设计思想
• 2.3.2 点火方式
• 2.3.3 电弧斑点的控制
• 2.3.4 宏观粒子的抑制方法
• 2.4 辉光放电
• 2.5 磁过滤系统
• 2.5.1 直线型结构
• 2.5.2 曲线型结构
• 2.5.3 90°弯曲型磁过滤器
• 第三章 阴极弧光放电电源装置的研究与设计
• 引言
• 3.1 阴极放电阶段的研究
• 3.2 直流放电等离子体的通用伏安特性
• 3.3 阴极弧放电整体设计方案研究
• 3.3.1 起辉电路设计
• 3.3.2 灭弧电路设计
• 3.3.3 实验中的问题与改进
• 3.4 高压脉冲大电流电源的整体设计方案与实验室设备搭建
• 3.4.1 电源电路原理框图
• 3.4.2 脉冲形成网络（PFNs）
• 3.4.3 高压脉冲大电流电源
• 3.4.4 手动触发发生器的设计
• 3.4.5 用单片机控制的可调连续触发脉冲
• 3.5 脉冲放电实验
• 3.5.1 电源装置在空气中放电测试
• 3.5.2 电源装置在真空中放电测试
• 3.5.3 真空镀膜实验
• 小结
• 第四章 放电系统与磁过滤弯管装置
• 4.1 放电系统的构造
• 4.2 磁过滤弯管装置
• 4.3 透明石英玻璃筒电极装置
• 4.4 真空制膜系统
• 4.4.1 真空室装置
• 4.4.2 真空室加热及温度控制装置
• 4.4.3 移动式探针外部操作系统
• 4.4.4 真空系统弧源说明
• 小结
• 第五章 放电装置程序控制及数据采集程序
• 5.1 单片机脉冲触发程序设计
• 5.1.1 单片机基本说明
• 5.1.2 单片机功能设计
• 5.2 单片机与计算机传输
• 小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢