[发明专利]立式强流大束斑金属工业离子注入机

说明书

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。