电感耦合等离子体喷枪及等离子体设备的制作方法与工艺

本发明涉及等离子体技术领域，特别是涉及一种电感耦合等离子体喷枪及应用其的等离子体设备。

背景技术：
等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，被称为物质的第四态，广泛应用于冶炼、镀膜、晶体生长、喷涂和焊接等技术领域。等离子体可通过自然产生(如北极光和闪电)，也可通过人工产生。人工产生等离子体的方式主要包括：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、辉光放电法和燃烧法。其中，利用高频感应放电法生成等离子体所用的设备通常为电感耦合等离子体喷枪。目前的电感耦合等离子体喷枪耐热性较差，在使用过程中容易发生破裂，不仅不能满足连续生产的需要，而且存在很大的安全隐患。

技术实现要素：
本发明提供了一种耐热性能良好的电感耦合等离子体喷枪及等离子体设备。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电感耦合等离子体喷枪，包括放电室，所述放电室由第一空心管材围设而成，所述第一空心管材为氮化硅管或碳化硅管；气体导入装置，所述气体导入装置与所述放电室连通；冷却装置，所述冷却装置包括第二空心管材、冷却剂导入组件和冷却剂导出组件，所述第二空心管材围设在所述第一空心管材的外侧，且所述第二空心管材的内侧壁与所述第一空心管材的外侧壁之间存在第一间隙，所述冷却剂导入组件和所述冷却剂导出组件均与所述第一间隙连通；电感线圈，所述电感线圈设置在所述第二空心管材的外侧。在其中一个实施例中，所述气体导入装置包括反应气体导入管，所述反应气体导入管中设置有进气通道和冷却剂流通通道，所述冷却剂流通通道围绕所述进气通道进行设置，所述进气通道与所述放电室连通。在其中一个实施例中，所述冷却剂流通通道包括相互连通的第一冷却通道和第二冷却通道；所述第一冷却通道、所述第二冷却通道与所述进气通道同轴设置，所述第一冷却通道围设在所述进气通道的外侧，所述第二冷却通道围设在所述第一冷却通道的外侧；所述第一冷却通道上设置有冷却剂入口，所述第二冷却通道上设置有冷却剂出口。在其中一个实施例中，所述第一冷却通道的横截面积与所述进气通道的横截面积之比为2:1～4:1，所述第一冷却通道的横截面积与所述第二冷却通道的横截面积相等。在其中一个实施例中，所述气体导入装置还包括等离子体气体导入组件，所述等离子体气体导入组件上设置有径向导气口和切向导气口，所述径向导气口和所述切向导气口均与所述放电室连通。在其中一个实施例中，所述反应气体导入管的一端套装在所述第一空心管材中，所述反应气体导入管的外侧壁与所述第一空心管材的内侧壁之间存在第二间隙，所述径向导气口和所述切向导气口均通过所述第二间隙与所述放电室连通。在其中一个实施例中，所述第二间隙的大小为1mm～5mm。在其中一个实施例中，所述第一间隙的大小为1mm～10mm。在其中一个实施例中，所述第一空心管材的内径为40mm～80mm，所述第一空心管材的厚度为1mm～3mm。在其中一个实施例中，所述第二空心管材的内径为48mm～90mm，所述第二空心管材的厚度为2mm～4mm。在其中一个实施例中，所述冷却剂导入组件和所述冷却剂导出组件均固定在所述第二空心管材的外侧壁上，且所述冷却剂导入组件位于所述第二空心管材的底端，所述冷却剂导出组件位于所述第二空心管材的顶端。在其中一个实施例中，所述电感耦合等离子体喷枪还包括固定部件和调节环；所述反应气体导入管通过所述固定部件进行固定；所述反应气体导入管的顶端沿径向设置有凸出部，所述调节环设置在所述凸出部和所述固定部件之间，所述反应气体导入管通过所述调节环进行轴向位置的调节。一种等离子体设备，包括所述的电感耦合等离子体喷枪。本发明的有益效果如下：本发明的电感耦合等离子体喷枪及等离子体设备中，放电室由氮化硅或碳化硅材料制成，该种材料具有良好的热导率和优异的耐高温性能，大大提高了电感耦合等离子体喷枪在使用过程中的稳定性，有效避免了由于高温造成的破裂，从而满足了连续生产的需要，降低了安全隐患；并且，在第一空心管材的周侧设置冷却装置进行降温，进一步防止了第一空心管材110的烧坏或破裂，提高了安全性能；另外，该电感耦合等离子体喷枪采用电感线圈进行感应耦合，避免了电极的使用，降低了材料成本和材料污染。附图说明图1为本发明的电感耦合等离子体喷枪一实施例的结构示意图；图2为图1中A部分的放大图。具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。需要说明的是，本发明中的方位词，如底端、顶端等均以图1中的摆放位置为参照。参见图1和图2，本发明提供了一种电感耦合等离子体喷枪，包括放电室100、气体导入装置200、冷却装置300和电感线圈400。该等离子体喷枪主要用于产生等离子体，通常与其他装置配合使用，以完成冶炼、镀膜、晶体生长、喷涂或焊接等工艺过程。其中，放电室100为生成等离子体的腔室，其由第一空心管材110围设而成，第一空心管材110为氮化硅管或碳化硅管；气体导入装置200的一端与放电室100连通，工作时，气体导入装置200的另一端与气源连通，用于向放电室100中导入气体，导入的气体通常包括反应气体和等离子体气体，具体种类视工艺需求而定；冷却装置300包括第二空心管材310、冷却剂导入组件320和冷却剂导出组件330，第二空心管材310围设在第一空心管材110的外侧，且第二空心管材310的内侧壁与第一空心管材110的外侧壁之间存在第一间隙340，冷却剂导入组件320和冷却剂导出组件330均与第一间隙340连通，工作时，冷却剂首先从冷却剂导入组件320流入到第一间隙340，与放电室100的管壁发生热量交换，带走放电室100中产生的部分热量，然后从冷却剂导出组件330流出；电感线圈400设置在第二空心管材310的外侧，可直接缠绕在第二空心管材310的外侧壁上，在工作过程中电感线圈400与射频电源连通，通过电感耦合产生较大的感应电压，使放电室100中的等离子体气体放电产生等离子体，较佳地，电感线圈400由铜管制成，匝数优选为3～6匝。需要说明的是，本发明中的冷却剂可以为冷却水或其他冷却液体，也可为冷却气体，优选为冷却水；本发明中的等离子体气体是指工艺气体，在放电室100内被电离为等离子体，通常为氩气或氦气；反应气体是指工艺过程中实质性发挥作用的气体，在放电室100内被电离为离子，最终与等离子体一起形成离子流流出喷枪。本发明的电感耦合等离子体喷枪，放电室100由氮化硅或碳化硅材料制成，氮化硅或碳化硅材料本身具有良好的热导率和优异的耐高温性能，从而大大提高了电感耦合等离子体喷枪在使用过程中的稳定性，有效避免了由于高温造成的破裂，进而满足了连续生产的需要，降低了安全隐患；并且，在第一空心管材110的周侧设置冷却装置300进行降温，进一步防止了第一空心管材110的烧坏或破裂，提高了安全性能，同时，冷却装置300还能够对电感线圈400进行降温，从而提高了电感耦合效率；另外，该电感耦合等离子体喷枪采用电感线圈400进行感应耦合，避免了电极的使用，降低了材料成本和材料污染。作为优选，上述的电感耦合等离子体喷枪中，第一间隙340的大小为1mm～10mm。该间隙范围内，冷却剂的流通量较大，能够有效进行热量交换，充分发挥冷却剂的冷却作用。由于第一空心管材110的材质为氮化硅或碳化硅，综合材料的导热系数、膨胀系数及等离子体的产生条件，第一空心管材110的内径优选为40mm～80mm，厚度优选为1mm～3mm，该数值范围内，第一空心管材110具有更优异的耐热和导热性能，有效防止了第一空心管材110的破裂，提高了安全性能。第二空心管材310的内径根据第一空心管材110的内径进行设置，优选为48mm～90mm，第二空心管材310的厚度优选为2mm～4mm。本发明对于第二空心管材310的材质无特殊要求，优选为石英管，其具有较低的价格和较高的化学稳定性。作为一种可实施方式，本发明中的气体导入装置200包括反应气体导入管210，反应气体导入管210中设置有用于通入气体的进气通道212和用于降低所通入的气体温度的冷却剂流通通道214，冷却剂流通通道214围绕进气通道212进行设置，进气通道212与放电室100连通。工作时，在进气通道212中通入气体，在冷却剂流通通道214中通入冷却剂，气体在冷却剂的冷却作用下温度降低，在进入放电室100后能够降低放电室100中的温度，进一步防止了第一空心管材110由于高温造成的损坏；同时，冷却剂流通通道214中的冷却剂避免了反应气体导入管210本身在高温下的损害，保证了气体的顺利导入。本发明中，进气通道212一般用于通入反应气体。较优地，冷却剂流通通道214包括相互连通的第一冷却通道2142和第二冷却通道2144；第一冷却通道2142、第二冷却通道2144和进气通道212同轴设置，第一冷却通道2142围设在进气通道212的外侧，第二冷却通道2144围设在第一冷却通道2142的外侧；第一冷却通道2142上设置有冷却剂入口，第二冷却通道2144上设置有冷却剂出口。该实施例中，通过两层冷却通道的设置，增加了冷却剂在通道中的流通时间，延长了冷却剂的流通路径，从而提高了冷却效率，有效防止了温度过高造成的气体导入装置200的损害；同时，在紧邻进气通道212的第一冷却通道2142上设置冷却剂入口，在外侧的第二冷却通道2144上设置冷却剂出口，该方式不仅能够提高冷却剂对进气通道212中气体的冷却效果，而且有效降低了冷却剂与外界环境发生的热交换，从而提高了冷却剂的有效热量交换率。需要说明的是，上述的冷却剂流通通道214不局限于第一冷却通道2142和第二冷却通道2144，在其他实施例中，还可以包含更多个冷却通道。更优地，第一冷却通道2142的横截面积与进气通道212的横截面积之比为2:1～4:1。该方式中，冷却剂能够充分与进气通道212中的反应气体进行热量交换，使反应气体进入放电室100时具有较低的温度，利于放电室100的保护及电离速率的控制。进一步地，第一冷却通道2142的横截面积与第二冷却通道2144的横截面积相等。该方式便于冷却剂流速的控制，增强了整体降温效果的均匀性。作为一种可实施方式，气体导入装置200还包括等离子体气体导入组件220，等离子体气体导入组件220上设置有径向导气口222和切向导气口224，径向导气口222和切向导气口224均与放电室100连通，等离子体气体通过径向导气口222和切向导气口224进入到放电室100。其中，等离子体气体在径向导气口222中为直线运行，运行方向与径向(第一空心管材110的径向)平行；等离子体气体在切向导气口224中为螺旋线(正螺旋或反螺旋)运行，运行方向与径向呈一定角度，优选为30°～90°。本实施例中通入的等离子体气体会对第一空心管材110起到冷却和保护作用；同时，本实施例采用径向进气和切向导气相结合的方式通入等离子体气体，不仅增加了整体的进气速率，而且不同的进气方向会形成小的气旋，有利于气体之间的对流，从而使反应气体和等离子体气体的混合更均匀。较佳地，径向导气口222设置在切向导气口224的上方，该设置位置能够进一步提高气体混合的均匀性。需要说明的是，在其他实施例中，本发明的电感耦合等离子体喷枪也可以不包括等离子体气体导入组件220，等离子体气体可通过反应气体导入管210通入至放电室100。如图2所示，反应气体导入管210的一端套装在第一空心管材110中，反应气体导入管210的外侧壁与第一空心管材110的内侧壁之间存在第二间隙230，径向导气口222和切向导气口224均通过第二间隙230与放电室100连通。等离子体气体通过第二间隙230进入到放电室100中，由于第二间隙230的两侧分别设置有反应气体导入管210和冷却装置300，因此，在第二间隙230中流通的等离子体气体可通过反应气体导入管210中的冷却剂以及冷却装置300中的冷却剂进行双重降温，温度较低的等离子体气体又能够对第一空心管材110的内壁进行冷却降温，从而大大提高了喷枪的安全性能。作为优选，第二间隙230的大小为1mm～5mm。较佳地，作为一种可实施方式，冷却剂导入组件320和冷却剂导出组件330均固定在第二空心管材310的外侧壁上，且冷却剂导入组件320位于第二空心管材310的底端，冷却剂导出组件330位于第二空心管材310的顶端。本实施方式中，冷却剂通过位于底端的冷却剂导入组件320流至第一间隙340，通过位于顶端的冷却剂导出组件330流出，由于放电室100中的离子流的流向是从上至下，而冷却剂的流通方向为由下至上，该对流的方式有利于热交换效率的提高。较佳地，冷却剂导入组件320和冷却剂导出组件330之间设置有支撑杆500，冷却剂导入组件320和冷却剂导出组件330通过支撑杆500进行固定。继续参见图1，电感耦合等离子体喷枪还包括固定部件600和调节环700。其中，固定部件600用于固定反应气体导入管210，同时起到密封放电室100的上端部的作用，通常情况下，固定部件600位于反应气体导入管210的中部区域；反应气体导入管210的顶端沿径向设置有凸出部，调节环700设置在凸出部和固定部件600之间，反应气体导入管210通过调节环700进行轴向位置的调节，例如，可通过改变调节环700的高度和数量进行反应气体导入管210轴向位置的调节。此外，本发明的电感耦合等离子体喷枪还包括固定板800，在进行喷枪的组装时，第一空心管材110由喷枪的底部进行安装，并通过固定板800进行固定。该方式便于第一空心管材110的安装和拆卸，在第一空心管材110损坏时能够快速进行更换。本发明提高了电感耦合等离子体喷枪在使用过程中的稳定性，有效避免了由于高温造成的破裂，满足了连续生产的需要，降低了安全隐患；同时，电感耦合等离子体喷枪中的各个部件分立安装，方便了部件的维护和更换。此外，本发明还提供了一种等离子体设备，包括上述的电感耦合等离子体喷枪。其中，该等离子体设备可以为真空镀膜设备，晶体生长设备等。由于采用上述的电感耦合等离子体喷枪，使得本发明的等离子体设备具有较强的耐热性、稳定性和较高的工作效率；并且，在镀膜或晶体生长等工艺工程中，离子流离开喷枪后进入沉积腔室中所形成的弧柱直径较大，反应物在高温区停留时间长，能够使反应更充分。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。