用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬的制作方法

本实用新型属于等离子炬技术领域，尤其是涉及一种用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬。

背景技术：

等离子炬是一种产生等离子体的装置，根据原理的不同，可以分为射频等离子炬和电弧等离子炬两种。电弧等离子炬最早用于切割和喷涂，一般有一个阴极和一个阳极，用于气相沉积的等离子炬多在此基础上发展而来。为了增加炬的功率和扩大沉积面积，进行了多种改进。然而，由于大尺寸热沉金刚石制备条件要求较高，现有电弧等离子炬常由于电弧面积有限以及物质沉积不均的问题而在大尺寸热沉金刚石的制备过程中应用受限。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬，以适用于大尺寸热沉金刚石的制备。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬，包括处于中心轴处的阴极以及同心套装在阴极外部的至少一个圆筒状辅助电极；阴极和辅助电极之间以及相邻的辅助电极之间均设有隔离密封环；最外层的辅助电极外部套装有阳极，阳极整体呈环形，阳极下端向内收拢成弧形，该弧形位于阴极的下方；阳极外部套有稳弧磁场线圈；稳弧磁场线圈下方设置有扩弧磁场线圈。

进一步的，所述阴极、辅助电极、阳极内均设置有进出水导管，进出水导管内循环有冷却所用的循环水。

进一步的，所述阳极的横截面为圆形或椭圆形。

进一步的，所述辅助电极下部设置有加宽的凸体。

进一步的，所述阳极与最内侧辅助电极之间的隔离密封环上开有第一进气管道。

进一步的，相邻所述辅助电极之间的隔离密封环上开有第二进气管道。

相对于现有技术，本实用新型所述的用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬具有以下优势：

(1)本实用新型所述的用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬，包括阴极以及同心套装在阴极外部的圆筒状辅助电极，阴极和辅助电极之间以及相邻的辅助电极之间均设有隔离密封环，最外层的辅助电极外部套装有呈环形的阳极，阳极下端向内收拢于阴极的下方，该设计能够对电弧的产生起到导向作用；阳极外部套有稳弧磁场线圈，稳弧磁场线圈8能够实现产生电弧的旋转和稳定；稳弧磁场线圈下方设置有扩弧磁场线圈，扩弧磁场线圈能够进一步稳定电弧以及扩展电弧以实现扩大金刚石的沉积面积，实现大尺寸热沉金刚石的长期稳定生长；本实用新型结构简单，气体沉积面积大，适用于大尺寸热沉金刚石的制备；

(2)本实用新型在辅助电极下部设置有加宽的凸体，该凸体缩短了引弧距离，电弧不会在阴极和辅助电极内部引燃；此外，辅助电极下部加宽的凸体能够缩短各电极之间的间隙，从而减少了电弧对隔离密封环的烘烤；

(3)本实用新型可根据不同沉积面积的需要，仅需要更换不同口径的阳极即可而避免了需要更换整个等离子炬，便于拆装与维护；通过调整阳极向内收拢的下端的固定位置可调整阳极下端与阴极之间的垂直放电距离，保证等离子体射流的最佳位置，进而保证了金刚石的沉积效果。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬的主视全剖结构示意图。

附图标记说明：

1-阴极；2-阳极；3-辅助电极；4-隔离密封环；5-第一进气管道；6-第二进气管道；7-进出水导管；8-稳弧磁场线圈；9-扩弧磁场线圈；10-阴极连接线；11-阳极连接线；12-弧形；13-凸体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，一种用于大尺寸热沉金刚石制备的磁旋转直流电弧等离子体炬，包括处于中心轴处的阴极1以及同心套装在阴极1外部的至少一个圆筒状辅助电极3，辅助电极3由双层金属管焊接而成；阴极1和辅助电极3之间以及相邻的辅助电极3之间均设有隔离密封环4，隔离密封环4由耐热的绝缘材料制成；最外层的辅助电极3外部套装有阳极2，阳极2整体呈环形，阳极2下端向内收拢成弧形12，该弧形12位于阴极1的下方，能够对电弧的产生起到导向作用；阳极2外部套有稳弧磁场线圈8，稳弧磁场线圈8能够实现产生电弧的旋转和稳定；稳弧磁场线圈8下方设置有扩弧磁场线圈9，扩弧磁场线圈9能够进一步稳定电弧以及扩展电弧以实现扩大金刚石的沉积面积，实现大尺寸热沉金刚石的长期稳定生长；

阴极1、辅助电极3、阳极2内均设置有进出水导管7，冷却所用的循环水通过进出水导管7循环对电极进行冷却；

阳极2的横截面为圆形；

辅助电极3下部设置有加宽的凸体13，该凸体13缩短了引弧距离，电弧不会在阴极1和辅助电极3内部引燃；同时辅助电极3下部加宽的凸体13缩短了各电极之间的间隙，从而减少了电弧对隔离密封环4的烘烤；

阳极2与最内侧辅助电极3之间的隔离密封环4上开有第一进气管道5，用于通惰性气体，如氩气，对阴极1与辅助电极3之间起到保护作用。

相邻辅助电极3之间的隔离密封环4上开有第二进气管道6，用于通工作介质气体，如氢气和甲烷气的混合气体。

本实用新型的工作原理：等离子炬通常需要在真空或负压状态下工作，工作时通过阴极连接线10将阴极1与电源的负极接通，通过阳极连接线11将阳极2与电源的正级接通；体系达到一定的真空度后，向第一进气管道5内通入保护性的惰性气体，如氩气，保护阴极1不烧蚀；向第二进气管道6内通入工作介质气体，如氢气和甲烷气的混合气体；在阴极1和阳极2之间加直流电压，在稳弧磁场线圈8和扩弧磁场线圈9上通合适的电流，然后在阴极1和阳极2之间叠加高频高压，高频高压依次击穿阴极1、辅助电极3下部设置的凸体13和阳极2向内收拢的下部内侧，在气流的吹动和轴向磁场的作用下，形成一个在阴极1与阳极2向内收拢的下部内侧之间高速旋转的等离子弧幕；电弧的阳极斑点将被固定在阳极2向内收拢的最下端，并且在阳极2内表面高速旋转，从而产生一个大面积的、可以连续稳定工作的等离子弧幕；通过等离子弧幕的气流被电弧加热后离解，喷出阳极2，淬灭于布置在阳极正下方的衬底上形成金刚石沉积物；适当调整气体的流量、气体的混合比例、磁场线圈的电流、辅助电极3的位置和数量等，进一步提高电弧的稳定性和生成物的均匀性；根据不同沉积面积的需要，仅需要更换不同口径的阳极2即可而不需要更换整个等离子炬；如需要较小的沉积面积，采用较小口径的阳极2，只使用一部分数量辅助电极3和相应的隔离密封环4；通过调整阳极2向内收拢的下端的固定位置可调整阳极2下端与阴极1之间的垂直放电距离，保证等离子体射流的最佳位置，进而保证了金刚石的沉积效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。