电弧等离子体炬用引燃气体分配环的制作方法

本实用新型涉及化学气相沉积设备技术领域，具体涉及一种电弧等离子体炬用引燃气体分配环，特别适用于金刚石涂层和金刚石膜的制备。

背景技术：

等离子体炬是用于气相沉积制备单晶材料、多晶材料或薄膜材料的一种重要装置。电弧等离子体炬是该类装置的具体类型之一，其结构一般具有一个阴极以及至少一个阳极，阴极和阳极之间通过施加直流电压以及高频高压能够形成电弧，至少一个相邻的电极之间具有进气通道，进气通道的出气端设有能够使气体形成旋转气流的结构，旋转气流推动电弧阳极斑点高速旋转形成旋转电弧，使等离子体均匀沉积。

在现有的电弧等离子体炬中，进气通道一般设置于绝缘套内，促使气体形成旋转气流的出气端直接设置于绝缘套上，即出气端即为绝缘套底部结构的一部分，由于绝缘套长期在高温使用下可能会因老化等原因产生结构变形，因此容易使得绝缘套底部的出气端结构发生变化，从而使得形成的旋转气流不稳定，直接影响到电弧及电压的稳定，从而导致沉积材料发生纯度降低等不良品质。

采用电弧等离子体炬可以制备多晶金刚石、单晶金刚石或薄膜材料，具有优异的物理性能，还具有很高的强度，可以制作大尺寸膜片，在机械，电子，光学等方面广泛应用。但现有的电弧等离子体炬出气结构限制了金刚石品质、性能的进一步提升。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电弧等离子体炬用引燃气体分配环，独立于绝缘套并单独固定于绝缘套底部，能够为气体提供平稳的出气分配结构，形成长期稳定的旋转气流，提高了电弧和电压的稳定性，尤其适用于金刚石材料的制备。

本实用新型的电弧等离子体炬用引燃气体分配环，具有上环体、中环体和下环体；所述上环体的上表面呈具有凹凸结构的异形面，能够与绝缘套的下端面匹配，所述下环体的下表面具有与其外部阳极匹配压紧的圆锥面；所述中环体上绕轴均匀开设有若干切向孔，所述切向孔将流经分配环环体之外的气流导入分配环环体之内流出。

其中，所述气体分配环可以分体设计，也可以一体成型设计，材质为绝缘胶木或者玻璃丝布板等。

其中，所述上环体具有最小内径的内壁能够与套装于其内部的电极间隙配合，所述下环体具有最大外径的外壁能够与套装于其外部的电极间隙配合。

其中，所述异形面的形态包括但不限于梯形面或者凹槽面等。

其中，所述切向孔的开孔方向与该孔在所在圆上对应的半径方向呈70°-90°夹角，优选呈90°夹角。所述切向孔的数量为3-24个，所述切向孔的直径为0.5-8.0mm。切向孔可以是直孔，孔径也可以沿气流方向由大变小。切向孔的孔道一般情况下设置于同一水平面上，在一些实例中，切向孔的孔道也可以沿切向方向倾斜设置，即切向孔的孔道轴线与分配环环体轴线呈一定的夹角，角度以50°-90°(不含90°)为佳。

所述分配环环体之外具有与切向孔连通的进气导流道，所述进气导流道呈环形。所述进气导流道可以由上环体和中环体的外壁与第一阳极的侧壁共同围合而成，也可以由上环体和中环体的外壁与下环体向上延伸的部分凸起结构共同围合而成。

所述分配环环体之内具有与切向孔连通的出气导流道，所述出气导流道呈环形。所述出气导流道可以由阴极和下环体的内壁共同围合而成，下环体的内壁结构可以根据需要设计为圆柱面、曲面、斜面、或者凹凸面等不同的形态。

本实用新型提供的气体分配环独立于绝缘体等气体零件设置，结构简单、加工方便且便于更换。能够有效防止长期使用过程中因结构老化出现变形等不良缺陷，保证气体能够长期稳定均匀分配并形成稳定的高速旋转气流，增强工作电压的稳定性，使工作电压的浮动降低至0.5v以下，有助于电弧的长期稳定，也起到压缩阴极附近的电弧和推动阴极斑点在阴极表面高速运动的作用，降低了阴极表面温度，减少了阴极和第一阳极的蒸发，大大提高了电极寿命，避免了金属蒸发对金刚石的污染。

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本实用新型一种实施例结构的轴向剖视图；

图2是图1在a-a方向的剖视图；

图3是本实用新型另一种实施方式的轴向剖视图；

图4是本实用新型再一种实施方式在图2的同一方向的剖视图；

图5是实施例1的一种使用状态参考图；

图6是一种应用实例下生产的金刚石的拉曼光谱图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合具体附图对本实用新型进行详细描述。

本实用新型一种电弧等离子体炬用引燃气体分配环结构如图1-2所示，具有上环体100、中环体200和下环体300；所述上环体100的上表面呈具有凹凸结构的异形面102，能够与绝缘套6的下端面匹配，所述下环体300的下表面具有与其外部阳极匹配压紧的圆锥面302；所述中环体200上绕轴均匀开设有若干切向孔201，所述切向孔201将流经分配环环体之外的气流导入分配环环体之内流出。

图5示出了上述实施例的一种使用状态图，本实用新型的分配环设置于绝缘套6下方，绝缘套6施加外力作用于异形面102上，使得分配环的圆锥面302压紧外部阳极(第一阳极7)，能够起到良好的定位和密封作用，使得切向孔201成为使气流自分配环外部导入分配环内部的唯一通道，第一阳极7之外还可以同轴设置若干个阳极，最外侧阳极10可以是第二阳极、第三阳极、第n阳极(n≥2等，引燃气体自绝缘套6与第一阳极7之间的空隙流入，分配环环体之外具有与切向孔201连通的进气导流道8，分配环环体之内具有与切向孔201连通的出气导流道9，引燃气体经进气导流道8、切向孔201、出气导流道9喷出即可形成高速旋转气流。在阴极5和最外侧阳极10之间施加直流电压，然后再叠加一个瞬间高频高压交流电压，电弧首先在阴极5和第一阳极7之间引燃，引燃气体自出气导流道9喷出形成的高速旋转气流推动阳极斑点在第一阳极7的喷口表面旋转后，迅速推向外侧的第二、第三阳极，再加上分别自第二阳极至最外侧阳极的每相邻两个阳极之间进入的主要气体4的共同作用，最终在最外侧阳极10的喷口表面高速旋转，形成稳定的等离子体电弧。本实用新型的分配环独立于绝缘套等其他结构单独设计，有效避免了切向孔201及相邻进出气结构在高温使用下可能发生的结构变形，提高形成的高速旋转气流的稳定性；当等离子体电弧工作时，高速旋转气流不仅能够推动阳极斑点高速运动，也起到压缩阴极附近的电弧和推动阴极斑点在阴极表面高速运动的作用，降低了阴极表面温度，减少了阴极和第一阳极的蒸发，大大提高了阴极寿命和电弧稳定性，避免了金属蒸发对金刚石的污染。

本实用新型的气体分配环可以分体设计，也可以优选地一体成型设计，材质优选为绝缘胶木或者玻璃丝布板等。

在一些实例中，所述上环体100具有最小内径的内壁101能够与套装于其内部的电极(本例为阴极5，如图5)间隙配合，所述下环体300具有最大外径的外壁301能够与套装于其外部的电极(本例为第一阳极7，如图5)间隙配合。

在一些实例中，异形面102的形态包括但不限于图1所示的梯形面或者图3所示的凹槽面等。

所述切向孔201的开孔方向与该孔在所在圆上对应的半径方向呈70°-90°夹角，优选呈90°夹角。切向孔201改变气流运动方向，使得气流产生沿圆周方向的分速度，若干股自切向孔201喷出的气流汇聚入阴极5与第一阳极7之间的锥形空间，从而形成高速旋转气流。切向孔201的唯一导流方式有效避免了干扰气流的产生。

在一些实例中，所述切向孔201的数量为3-24个，所述切向孔的直径为0.5-8.0mm。在一些实例中，切向孔201的孔径可以延气流方向由大变小，能够进一步提高旋转气流的喷射速度，并稳定电压。切向孔201的孔道一般情况下设置于同一水平面上(孔道轴线与分配环环体轴线呈90°)，在一些实例中，切向孔201的孔道也可以沿切向方向倾斜设置，即切向孔201的孔道轴线与分配环环体轴线呈一定的夹角，如图3所示，角度以50°-90°(不含90°，90°时即为处于同一水平面上的非倾斜设置)为佳，倾斜的孔道一方面使气流的导流作用更加顺畅，另一方面有助于气流喷出后更易加速形成旋转气流，对于等离子体炬工作过程中对电压的稳定更加有益。

所述分配环环体之外具有与切向孔201连通的进气导流道8，所述进气导流道8呈环形，环形的进气导流道8能够有利于气体以相对更加均匀的流量分别进入切向孔201。所述进气导流道8具有多种形成方式，在一些实例中，可以由上环体100和中环体200的外壁与第一阳极7的侧壁共同围合而成(如图1)，也可以由上环体100和中环体200的外壁与下环体300向上延伸的部分凸起结构303共同围合而成(如图3)，或者其他以相同构思设置而成的结构方式。

所述分配环环体之内具有与切向孔201连通的出气导流道9，所述出气导流道9呈环形，环形的出气导流道9能够有利于气体形成旋转气流。所述出气导流道9也具有多种形成方式，一般可以由阴极5和下环体300的内壁共同围合而成，下环体300的内壁结构可以根据需要设计为圆柱面(如图1)、曲面、斜面、或者凹凸面等不同的形态。

下面以化学气相沉积生产金刚石为例说明本实用新型气体分配环的作用。

实施例1采用图1-2的分配环结构，安装方式如图5所示。阴极5采用钨杆，第一阳极7采用铜材制作，外径为42mm的气体分配环在同一平面上，均匀对称布置了6个直径为1.5mm的切向孔201，引燃气体为保护性气体氩气，氩气流量为每分钟2.5升，主要气体由氩气、氢气和lpg等气体组成，工作电压110v，电流165a，连续工作250小时的过程中，电压一直稳定在110v+/-0.5v，如表1所示，说明阴极工作状态整个过程中很稳定。图6是采用这种沉积设备生产的金刚石的拉曼光谱，只看到1332cm^-1位置的尖锐金刚石峰，说明金刚石中没有金属杂质，具有很高的纯度。

实施例2采用与实施例1相同的参数条件，其中分配环的切向孔的孔道沿切向方向倾斜设置，即切向孔的孔道轴线与分配环环体轴线呈75°夹角。在连续工作的250小时中，电压一直稳定在110v+/-0.3v，电压的稳定行得到了进一步的提高，从而更有利于电弧稳定性和电极寿命，避免金属蒸发和金刚石污染。

表1金刚石生产过程中不同时间点电压值

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。