专利名称：立式强流大束斑金属工业离子注入机的制作方法
技术领域：
本发明的工业离子注入机，属于离子注入金属材料表面改性用的电物理装置。
现有用来进行金属材料表面改性的设备，无不是采用传统的核物理实验用的加速器和半导体注入机的模式，束线为卧式。在这些设备的束线中，都无例外地使用加速管、磁分析器和束扫描系统。因此，不仅设备结构复杂、造价昂贵、装夹被处理工件困难、工人不易操作，而且又因离子束流小(对氮一般≤5mA)、束斑小(一般≤50cm2)，致使工作效率低，处理的工件成本高，不适合于工业生产的要求与需要。例如英国德温特出版公司一九八六年公布的离子注入机就是如此。附图
一给出了该机结构的原理示意图。图中标记(1)为离子源;(2)为离子束引出系统;(3)为磁分析器;(4)为限制离子束宽度的光栅;(5)为离子加速管;(6)为使离子束聚焦的透镜聚焦系统;(7)与(8)为离子束扫描系统;(9)为靶;(10)为金属样品。该机以氧为工作气体，离子能量为10～200kev，而离子束流小于1mA。
本发明的目的在于，创造一个结构比较简单、容易操作、生产效率高、产品成本低廉、既节约能源又无环境污染的工业生产用的离子注入装置。
与现有技术不同，本发明的特征在于，在装置结构上，取消了一般注入机中的加速管，磁分析器、离子束扫描系统，光栅和透镜聚焦系统。主机仅由离子源、插板阀、真空室、工件靶及其传动机构和测量靶构成。并在束线布置上，改卧式为立式配置结构。这样，与现有注入机相比装置结构大为简化，造价大幅度地降低，操作与运行都变得方便。特别是束线采取立式配置后，大大地降低了对工件靶传动机构的要求，解决了装夹工件的实际困难。
本发明注入机的特征还在于，所采用的离子源并非一般注入机中使用的普通离子源，而是满足工业化要求而特殊设计的强流大束斑离子源。其束流、束斑一般为现有注入机的几倍。例如本发明的注入机其离子束流(对氮)可达20mA，而束斑可达300cm2。因此能有效地提高注入机的工作效率、降低工艺成本，节约能源、处理后的工件使用寿命，有明显的提高，具有显著的社会经济效益。
本发明的注入机，由主机、真空系统、供电系统、控制屏、控制台和去离子水冷却循环设备等部份构成。
主机由离子源、高真空插板阀、真空室、工件靶及其传动机构以及测量靶等部份构成。
离子源为强流大束斑离子源。其基本参数指标为离子能量50～100kev;束流(对氮)5～20mA;束斑为园形，在工件靶处可达φ200mm;在束斑范围内，束流密度分布不均匀性可达±(25～30)%;离子束可采用三电极加减速引出或四电极二次加速引出，允许稳态连续运行。
真空室长度约为真空室直径的1.2倍，内装工件靶及传动机构。
工件靶可以三维传动，即自转、水平往复运动和倾斜，并采用直接水冷方式。
测量靶能进行一维水平往复运动，用来测量离子束斑尺寸、束流密度分布和注入温度。
真空系统由高真空机组、真空室予抽机械泵、真空阀门和空气压缩机等组成。高真空机组由扩散泵及其前级机械泵组成，设置在真空室的一侧。在真空室的下面配置予抽机械泵。用高真空插板阀将真空室与离子源分开。全部阀门均采用气动阀门。注入机真空室静真空度不低于1×10-3Pa，工作真空度不低于4×10-3Pa。
供电系统包括正高压电源、二次加速高压电源、负高压电源、弧压电源，灯丝电源、高压绝缘台和高压隔离变压器等。正高压电源、弧压电源和灯丝电源均设置于高压绝缘台外壳的内部。高压隔离变压器装置在高压绝缘台的下面。而二次加速电源和负高压电源则设置在注入机高真空机组的一侧。所有高压电源的稳定度，在2小时内为5%。正高压电源的额定值直流为120KV，允许负载电流为50mA。二次加速高压电源的额定值直流为60KV，允许负载电流为20mA。负高压电源的额定值为20KV，允许负载电流为20mA。弧压电源的额定值直流为150V，输出电流为20A。灯丝电源的额定值交流为15V，输出电流为200A。
控制屏由控制元件和调压器等组成，承担向注入机的各部分动力供电。控制台包括有控制和操作系统，真空及温度状态显示，高电压参数、束流和注入剂量监视系统等。
去离子水循环装置承担向处于高电位的部件供给冷却水。包括水箱、水泵、自循环冷却机和三个高压水轭流圈(高压水轭流圈、二次加速水轭流圈和负高压水轭流圈)等。
附图二给出了本发明的工业离子注入机主机结构示意图。图中(1)为强流大束斑离子源;(2)为置于离子源与真空室之间的高真空插板阀;(3)为真空室;(4)为测量靶;(5)为工件靶及传动机构。附图三为本发明的工业离子注入机结构正视图。图中(1)为强流大斑束离子源;(2)为高真空插板阀;(3)为真空室;(4)为测量靶;(6)为真空室予抽机械泵;(7)为支架;(8)为负高压水轭流圈;(9)为扩散泵;(12)为二次加速水轭流圈;(13)为高压及气路穿墙套管;(15)为注入机屏蔽外壳;(17)为冷却用分水排;(18)为气路;(19)为高压绝缘台;(20)为扩散泵气动主阀;(21)为冷却水管;(26)为拖动测量靶(4)水平位移的电机。
附图四为本发明的工业离子注入机结构俯视图。
图中(5)为工件靶及传动机构;
(10)为高真空机组中的机械泵(扩散泵的前级机械泵);
(11)为压缩机;
(14)为高压水轭流圈;
(16)为二次加速电源与负高压电源。
(21)为冷却水管。
附图五给出了本发明的工业离子注入机热丝型、会切场桶式离子源的头部四电极、二次加速离子引出系统的电气接线图。
图中方框(1)为灯丝电源;方框(2)为弧压电源;方框(3)为加速电源;方框(4)为二次加速电源;方框(5)为减速电源;标号(6)为阳极;(7)为灯丝阴级;(8)为加速电极;(9)为二次加速电极;(10)为减速电极;(11)为接地电极。
离子源点弧启动过程如下先给离子源放电室充氮气，然后给灯丝电极(7)加灯丝电压(1)，为阳极(6)加弧压(2);在放电室中产生低温等离子体，为加速电极(8)加正高压(3)，为二次加速电极(9)加二次加速高压(4)和为减速极(10)加负高压(5)，则离子被电场引出加速形成离子束。
由于热丝型、会切场、桶式离子源头部的三电极加减速离子引出系统的电气接线图与附图五相类似，(去掉二次加速电极和电源)故未再画出。
附图六为本发明注入机真空室内，工件靶及其传动机构的纵剖面结构示意图。图中(3)为真空室;(22)为工件靶盘;(23)为工件靶盘;(23)为拖动靶盘(22)转动的电机;(24)为真空室预抽泵的抽口;(25)为离子束;(27)为能固定电机(23)并可使其水平位移的传动杆及电机;(29)为冷却水管回路。
附图七为本发明注入机真空室内，工件靶及其传动机构的水平剖面结构示意图。图中(3)为真空室;(23)为拖动靶盘(22)的电机;(28)为能使工件靶倾斜面由涡轮涡杆及电机等构成的传动机构;(30)为高真空机组(10)与(9)给真空(3)抽气用的抽气口。
本发明的工业离子注入机工作过程如下工作开始，先启动高真空机组(10)与(9)，然后打开真空室(3)的活门，把待处理的工件装夹到工件靶(5)上，关闭活门。启动真空室预抽机械泵(16)，对真空室(3)抽气。待该室低真空度达到某一值时，关闭予抽机械泵(16)。启动压缩机(11)打开扩散泵主阀(20)和高真空插板阀(2)，让高真空机组继续对真空室(3)抽真空。当真空室内的静真空度达到处理工件所需要的值时，由高压绝缘台(19)中的充气缸向离子源(1)供入适量的工作气体(一般为氮气)，然后点弧起动离子源(1)。于是，在离子源放电室内产生低温等离子体，同时离子被强静电场引出并加速形成强流离子束，轰击工件靶上的待处理工件。为保证离子均匀的注入到工件上，根据工件的大小及形状，采取不同的工件靶传动方式，从而实现了对工件的离子注入改性。处理完毕后，使离子源(1)熄弧，撤去高压。关闭离子源与真空室(3)间的高真空插板阀(2)和扩散泵主阀(20)，由控制台控制电磁阀实现真空室的自动放气。打开真空室活门，拆下处理好的工件，装上待处理的新工件，关闭活门，启动预抽机械泵，以下过程循环进行。
用本发明的工业离子注入机，对金属材料表面改性处理取得了明显的效果，处理后的工件使用寿命可以提高几倍。
实施例用本发明开发了两种工业离子注入机。
例1、GLZ-100E工业离子注入机主要技术指标真空室直径φ700mm，静真空度1×10-3Pa，工作真空度4×10-3Pa，采用热丝型会切场桶式离子源，四电极二次加速离子引出系统。离子能量为100kev，束流10mA，束斑φ200mm，在φ160mm范围内，束流密度不均匀性为±25%。高真空机组中，采用2X-30机械泵，jk-300油扩散泵，真空室予抽泵采用2X-15机械泵。
利用本机对插齿刀进行氮离子注入表面改性，刀具使用寿命提高了5～8倍。氮离子注入挤压模具表面改性也取得明显效果。
例2、GLZ-100H离子注入机主要技术指标真空室直径φ1000mm，静真空度5×10-4Pa，工作真空度2×10-3Pa。采用热丝型会切场桶式离子源，加减速三电极离子引出系统。离子能量80kev，束流15mA，束斑φ160mm，束流密度不均匀性±35%。
高真空机组中采用2X-30机械泵，jk-400油扩散泵。真空室予抽泵采用2X-15机械泵。利用该机对多种工件进行了氮离子注入改性试验，工件使用寿命提高了2倍以上。
权利要求
1.一种由主机、真空系统、供电系统、控制屏、控制台和去离子水冷却循环设备等部份构成的金属工业离子注入机，其特征是主机由上部的强流大束斑离子源，中间通过高真空插板阀与下部的真空室相接而构成一体，真空室内，在中心偏下的部位处于离子束的中心通道上，装置有工件靶，通过传动机构可以实现工件靶的三维空间定位，而在中心偏上的部位，处于离子束的中心通道上，装置有测量靶，借助于传动机构可以实现水平面内的一维移动。
2.按权利要求1所述的注入机，其特征是，主机所用的强流大束斑离子源为热丝型会切场，四电极二次加速离子引出或三电极加减速离子引出的桶式离子源。
3.按权利要求2所述的注入机，其特征是，工件靶由靶盘和拖动它自转的电机构成，借助于两组传动机构实现靶在真空室内的三维空间定位，其中通过一组传动杆机构和真空室外的拖动电机，实现靶的水平定位，又通过另一组涡轮涡杆传动机构和室外拖动电机，实现靶的空间倾斜定位。
4.按权利要求3所述的注入机，其特征在于测量靶是可以同时实现离子束斑尺寸、束流密度分布和注入温度三种测量的一体化测量靶。
全文摘要
本发明注入机属电物理装置，涉及离子注入金属材料表面改性技术。注入机束线采用立式，使用强流大束斑离子源，工件靶利用直冷式三维传动。与现有技术相比，结构简单，容易操作，装机容量增加，生产效率高，成本降低，节约能源，可满足大批量工业生产的需要。利用本发明的注入机对金属材料表面进行离子注入改性表明，在改善刀具、模具、钛人造关节等耐磨损、耐腐蚀性方面已取得显著效果，可使被处理的工件使用寿命成倍地提高。
文档编号C23C14/48GK1075341SQ9210053
公开日1993年8月18日 申请日期1992年2月13日 优先权日1992年2月13日
发明者耿漫 申请人:核工业西南物理研究院