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脉冲真空电弧离子源控制系统研制 学科:光学工程 研 究 生 签 字 : 嘿 1 1 指导教师签字 摘要 脉冲真空电弧离子镀膜技术以其高离化率、高离子能量、高生产效率以及 膜层液滴污染小等优点日益得到广泛的研究及应用。 但是，目前脉冲真空电弧离 子源控制系统的研究与开发国内尚属首次， 从查阅的有关资料来看， 未见有报导。 课题以 研究脉冲真空电弧离子源为基础， 着重进行脉冲电弧离子源控制系统的研 制。 脉冲电弧离子源的工作原理是一种级联放电的过程， 它通过引弧、 起弧1 和 起弧2 三个回路的依次放电， 形成等离子体， 并最终引发主回路放电， 起到镀膜 的目 的。 课题首先采用了单相和三相l - c交流变换器为控制系统提供稳定的交流 电流源， 并通过升压和整流电路为以上四个回路的放电电容进行充电。 为了满足 不同 工艺和不同阴极材料对放电电压的要求， 变压器的输入并联了晶闸管， 通过 比较、 采样和晶闸管门极触发电路控制晶闸管的通断， 以此达到控制回路电压的 目的。同时，为了避免由于控制电路出现故障而引起回路电压过大的现象， 加入 了过压保护电路，从而有效地提高了设备运行的安全性。 在引弧回路的设计中， 课题采用了 两级电容充电和双脉冲触发的引弧方式， 有效的防止了 停弧和拉弧现 象，使设备的运行更为稳定。 实验表明， 课题研制的脉冲电 弧离子源控制系统可将引弧回路的电压控制在 8 0 0 v ;起弧1 回路的电压控制在6 0 0 v以内:起弧2 回路的电压控制在6 2 5 v以 内;主回路电压控制在 5 0 0 v以内;放电频率为 1 - 3 5 h z :放电脉冲计数误差小 于5 %，各项参数均达到设计要求。 关键词:脉冲:电弧;离子;控制系统 r e s e a r c h o n t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e p u l s e d v a c u u m ar c i o n s o u r c e d i s c i p l i n e : o p t i c a l e n g i n e e r i n g stu dent signature : 称c / 41. supervisor signature:刘 a ” “ ， abs tract t h e p u l s e d v a c u u m a r c d e p o s i t i o n ( p v a d ) h a s b e i n g s t u d i e d a n d a p p l i e d w i d e l y i n re c e n t y e a r s , w h i c h i s c h a r a c t e r i s t i c w i t h h i g h i o n i z a t i o n , h i g h i o n e n e r g y , h i g h p r o d u c t i v i t y a n d l o w f i l m p o l l u t i o n , b u t it s c o n t r o l s y s t e m i s s t u d i e d r a r e l y in d o m e s t i c . i n t h i s p a p e r , b a s e d o n t h e s t u d y o f t h e s o u r c e , t h e c o n t r o l s y s t e m i s r e s e a r c h e d . t h e w o r k i n g p r i n c i p a l o f t h e p u l s e d a r c i o n s o u r c e i s a k i n d o f c a s c a d e d i s c h a r g e t h e s t a rt i n g a r c , a r c o n e a n d a r c t w o d i s c h a r g e s s u c c e s s i v e l y , i n t h i s p r o c e s s , t h e p l a s m a i s p r o d u c e d a n d d r i v e s t h e m a j o r l o o p t o d i s c h a r g e fi n a l l y . t o d o t h i s , a s i n g l e - p h a s e a n d a t h r e e - p h r a s e l - c a lt e rn a ti n g - c u r r e n t c o n v e r te r i s u s e d f i r s t l y t o s u p p ly 俪 s t a b l e a l t e rna t i n g c u r r e n t s o u r c e f o r t h e c o n tr o l s y s t e m , t h e n t h e c h a r g i n g c a p a c i t o r s o f t h e f o u r l o o p s , w h i c h a r e r e f e r r e d a b o v e , a r e c h a r g e d t h r o u g h b o o s t e d c i r c u i t s a n d r e c t i f i e d c i r c u it s . d i ff e r e n t t e c h n o l o g i e s a n d c a t h o d e m a t e r i a l s n e e d d i ff e r e n t c h a r g i n g v o l t a g e s , t o m e e t t h i s r e q u ir e m e n t , t h e i n p u t l e a d o f t h e t r a n s f o r m e r s h u n t s w i t h t h e s i l i c o n c o n t r o l l e d r e c t i f i e r s ( s c r ) , a n d t h e o n - o ff m o d e o f t h e s c r i s c o n t r o l l e d 妙t h e s a m p l i n g c ir c u i t a n d t h e t r i g g e r c i r c u i t . i f t h e fu n c t i o n o f t h e c o n t r o l c i r c u i t w e r e f a i l u r e , t h e v o l t a g e o f t h e c a p a c i t o r s w i l l b e v e ry h i g h , i t i s h a z a r d o u s f o r p e o p l e a n d t h e e q u i p m e n t . t o p re v e n t t h e o v e r v o lt a g e , t h e p r o t e c t i v e c i r c u i t i s d e s i g n e d . i n t h e s t a r ti n g a r c l o o p , t w o c h a r g i n g c i r c u i t s a n d d o u b l e t r i g g e r a r e u s e d , w h i c h c a n a v o i d f a i l u r e d i s c h a r g e a n d s t r e t c h i n g d i s c h a r g e , t h u s t h e i o n s o u r c e w o r k s m o r e s t a b l y . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e v o l t a g e o f t h e s t a r t i n g a r c c a n b e c h a r g e d t o 8 0 o v , t h e v o l t a g e o f a r c o n e c a n b e r e g u l a t e d w it h i n 6 0 o v , a r c t w o c a n b e r e g u l a t e d w i t h i n 6 2 5 v , m a j o r l o o p c a n b e re g u l a t e d w i t h i n s o o v , t h e f r e q u e n c y o f d i s c h a r g e c a n b e r e g u l a t e d f r o m 1 t o 3 5 h z , t h e c o u n t i n g e r r o r o f t h e p u l s e i s l e s s t h a n 5 % , a l l a b o v e p a r a m e t e r s m e e t t h e d e s i g n r e q u ir e m e n t s . k e y w o r d s : p u l s e d ; a r c ; i o n ; c o n t r o l s y s t e m 绪论 1 绪论 1 . 1 课题研究的背景、意义及发展现状 薄膜的历史可以追溯到一千多年前， 那时人们就已经开始电镀贵金属薄膜用 于装饰品。 进入7 世纪， 人们已经能够从银溶液中使银浙出， 并在玻璃容器的表 面形成银的薄膜。 到1 8 世纪以 后才从科学或物理学角度研究薄膜。 尽管早在1 8 1 7 年夫琅和费用腐蚀的方法制成了可以说是第一批减反射膜， 但光学薄膜的真正发 展是在 1 9 3 0 年出现油扩散真空泵以后，三十年代中期用真空蒸发方法制备了单 层减反射膜， 战后在光学技术， 彩色摄影和彩色电视， 激光及空间技术发展的推 动下， 无论是光学薄膜系统的计算机辅助设计， 光学多层膜的制备工艺和薄膜特 性的测量技术与装置， 以及薄膜材料的研究都取得了飞速的发展。 近二十多年来， 随着材料、 能源和信息科学的发展， 他们对物质材料不断提出新的性能要求。 例 如， 在高速运动中的物体的耐磨性、在恶劣环境中的抗腐蚀性、太阳能的利用、 微电子技术中的微细加工、 超导应用和光电子技术的发展等等， 这些都离不开薄 膜技术， 并且薄膜技术随着高科技的 发展有了 突飞猛进的进展。 在一些发达国 家， 薄膜技术被全方位推广应用，除了发展光学薄膜、集成电路薄膜、液晶显示膜、 磁盘、光盘薄膜外，还大量生产刀具硬质膜、太阳能用薄膜、塑料金属化制品、 建筑玻璃制品、 各种装饰膜和卷镀薄膜产品， 这些产品的出现都极大推动了薄膜 技术的发展。 随着薄膜在工业上的广泛应用， 其镀制方法也得到了长足发展。 薄膜的制备 方法 ( 主要指气相沉积法)可分为物理气相沉积法 ( p v d)和化学气相沉积法 ( c v d ) ， 物理气相沉积法中 包括了 热蒸发镀膜、 溅射镀膜以 及离子镀膜等方法。 热蒸发镀膜是在真空室内， 通过加热使膜层材料气化 ( 或升华) 而沉积在具有一 定温度的基片上， 形成所需的薄膜。 这种方法使用的镀膜设备简单， 许多易于蒸 发的 物质都可以 使用这种镀制方法。 但是， 由于膜层分子的能量较低， 使得膜层 与基底的结合力较差， 并且膜层呈柱状结构， 长期腐蚀后其性能变坏。 此外， 蒸 发源物质在加热过程中也会蒸发，引起膜层的污染， 在镀制一些难熔物质时， 这 种镀膜方法无能为力。 溅射镀膜是指在真空中利用高能离子轰击固体表面， 从固 体表面溅射出原子、 分子， 溅射出来的物质沉积到所需的基片上形成薄膜。 这种 方法与热蒸发镀膜相比， 它具有许多优点， 如膜层在基片上附着力强、 膜层纯度 高， 可以镀制多种不同成分的合金膜， 但其不足之处在于需要预先制备所需成分 的镀材靶， 靶的利用率又不高， 并且薄膜沉积速率低。 真空电 弧离子镀是把真空电弧放电用于电弧蒸发源的镀膜技术。 它作为物理 气相沉积的一个重要分支， 近年来在涂层刀具、 机械零件表面硬化、 仿金装饰以 及材料表面改性领域等得到了 迅速发展和广泛应用， 并逐步向非晶硅薄膜、 透明 导电膜及类金刚石膜等领域渗透。 西安工业学院硕士学位论文 自 从1 9 5 8 年w r o e 1 1 首先提出 把真空电 弧作为 源用于沉积以后， 在真空电 弧 等离子镀加速沉积方面， m n a o e , a a s n a p e r , l .p .l s a b le v 等人先后取得了 许多专 利2 . 3 1 ， 发表了 许多论文。 但直到二十世纪七十年代晚期， 前苏联才真正应用电 弧进行薄膜生产并取得可观的经济利益。 在前苏联， 真空电弧已被广泛用来作为 沉积金属和化合物薄膜的一种方法4 1 ， 通常被称为阴极 ( 或真空)电弧蒸发， 在 前 苏 联 也 被 称为 等 离子 加 速器 ( p l a s m a a c c e l e r a t io n ) 。 与 传统的 电 子 束 蒸 发 器 相 比， 阴极电弧蒸发源是一种相对简单的装置， 但其确切的工作原理仍然是国际上 广泛研究的目 标， 近年来已 有广泛的 评述5 . 6 1 。 简而言之， 真空电 弧可被描述为: 从 负电 极 上由 于 其 特有的电 子 发 射机 理能 通 过大电 流的自 持 放电 i . s a b le v 4 1 等 提出了最简单的阴极电弧蒸发器， 被蒸发材料或者说阴极安放在真空室内， 并于 室壁相绝缘， 室壁本身作为阳极， 放电由一机械电气引弧机构产生。 更复杂的装 置使用放电 或激光脉冲引弧， 也有热蒸发采用磁场限 制或控制阴极斑点 运动(7 , 8 1 真空电弧放电， 实际上是一系列的电弧事件。由于其快速地连续发生，以至 于给人运动电 弧的印象。 工作中， 参与放电的导电介质是由高度离化的阴极材料 组成， 这是从阴极斑点中强烈的金属蒸气发射所产生， 非常高的功率密度 ( 达到 i o l l w m 2 ) 形成小的 熔池。 每个阴极斑点 产生高速的阴极材料喷射。 离子流相当 于总的弧电 流的7 % - 1 0 % ， 蒸发材料具有高的离化率( 1 0 % - 1 0 0 %) ， 具有动能范围 ( 2 0 - 1 0 0 e v ) 19 0 1 。 在薄膜 沉积过程中 高的 离化率 是非常 有利的， 因为 许多离 子 辅助沉积的优点可以实现， 特别是离子能量处在这个范围内， 所镀膜层具有很好 的 沉积均匀性f i l l 。 美国 在1 9 8 0 年从苏联引进该技术， 1 9 8 2 年多弧公司首先推出 真空电 弧离子 镀商品 化设 备。 我国 在1 9 8 6 年开 始生 产真空电 弧 离子 镀设备1 2 1 真 空电 弧离 子 镀 膜的 主 要 优点 有 l 3 . 14 1 : ( 1 ) 、 金 属 粒 子的 离 化 率 高， 最高 可 达 1 0 0 % ; ( 2 ) 、 对金 属、 合 金 及 化 合 物 有 较高 的 沉 积 速率 和良 好的 膜 层 均 匀 性; ( 3 ) , 在很宽的工艺条件下沉积高品质膜。例如，在宽范围的反应气压和蒸气速度下， 可得到增强的结合力和密度具有固定化学成分的反 应膜: ( 4 ) 、 利用电 弧蒸发源， 不需要柑锅 ( 熔池) ，也不需要制造任何辅助电离装置。因此结构简单，操作方 便; ( 5 ) 、在整个镀膜过程中，电弧蒸发源可以 任意放置，也可以根据需要采用 多个电弧源同时工作， 多源联合工作， 方位任意， 有利于镀制形状复杂或体积大 的工件， 简化基片运动方式， 并达到必要的均匀性。 在各蒸发源上放置不同的阴 极 材料， 可获得多种成分的 膜层; ( 6 ) 、 物理过程易 于控制， 可在低的 基体温 度 下沉积，低电压放电，设备维护方便。 但是， 在真空电 弧离子镀具有高离化率、 高离子能量、 高生产效率的所谓“ 三 高” 优势的同时， 也带来了一些问题。 其中最明显的就是液滴污染问题。阴极靶 材在发射大量电子的同时， 由 于局部区域的严重过热， 将导致部分熔化金属液滴 的发射。 这些液滴如果混入膜层中， 将使镀层附着力、 均匀性等机械性能大大降 低f1 5 1 。 由 于真空电 弧离子镀存在的这种缺点， 促使人们去寻求新的方法。 传统的 方 法主 要是从两方面着手 1 6 .2 0 1 : 一是 减少 液滴的 发 射， 如 采用易散 热阴 极、 磁 控 阴极等;二是控制液滴的运动而实现过滤，如采用过滤式真空电弧离子镀方法。 还有一种方法是用脉冲真空电 弧放电 取代连续真空电弧放电， 形成脉冲真空电弧 离子镀。 这种镀膜方法是二十世纪九十年代初发展起来的一种真空电 弧法， 同一 西安工业学院硕士学位论文 般真空电 弧 离子镀相比， 它主要 有两点 不同 2 1 1 : 一 是电 弧放电 采用脉冲式; 二 是 基底不需要加负偏压。 从而使它既保留了一般真空电弧离子镀的 优点， 又克服了 一般真空电弧离子镀影响膜层质量的缺点。 脉冲真空电弧离子镀过程中， 其放电 是脉冲式的、间断的，在脉冲期间使用大电流， 提供足够的导电粒子， 而平均电 流又比较小， 由于液滴有一个形成的过程， 在液滴未形成之前， 脉冲就己经过去， 从而大大减小了液滴出现的几率， 并取得了良 好的效果。 脉冲真空电弧离子源除 了具有较高的离化率外， 采用该方法镀制的薄膜面积较大， 对于不同的基片， 采 用该方法镀制的薄膜具有较好的附着力， 厚度的连续性好、 硬度高、电阻率高以 及杂质含量低等优点。 所有的这些特征都使此方法在工业上应用具有非常广阔的 发展前景。目 前，国外主要有白俄罗斯、美国、 芬兰、日本、以色列等国家研究 脉冲真空电弧离子镀技术， 其中白俄罗斯处于领先地位; 国内仅有西安工业学院 薄膜技术与光学检测实验室离子束课题组一家在研究， 主要用来镀制类金刚石薄 膜， “ 八五”期间，在中国兵器工业总公司的资助下，该院进行了脉冲真空电弧 离子源的结构设计、电源设计、放电稳定性以及工艺实验等。“ 九五”期间，也 是在中国兵器工业总公司的资助下， 该院进行了类金刚石红外增透膜、 保护膜的 镀制。 结合 “ 十五”国防科工委总装备部的课题， 本文以脉冲真空电弧离子源为 研究对象， 着重解决为该院研制(d 1 1 0 0 m m大型脉冲真空电弧离子镀膜机所需的 离子源控制系统，并使用该设备镀制类金刚石薄膜。 目 前， 由 于国内仅有西安工业学院 研究脉冲真空电弧离子镀膜技术， 因 此有 关脉冲电弧离子源控制系统方面的文献国内少有报道。白俄罗斯生产的yb h m i i a - 1 - 0 0 1 型镀膜机主要用来进行脉冲电 弧离子镀膜， 其离子源控制系统主要存 在以 下几方面的问 题:( 1 ) 、 镀膜过程中 存在拉弧现象， 拉弧的产生导致金属液 滴的 产生机率增大， 严重影响膜层质量; ( 2 ) 、 存在停弧现象，严重影响了薄膜 的生产效率; ( 3 ) 、 脉冲计数存在较大计数误差 ( 约为2 0 %) ， 容易造成膜厚的设 计值与实际值之间存在较大的误差。 以上这些不足也是课题在进行脉冲真空电弧 离子源控制系统研制过程中需要解决的问题。 1 . 2课题研究的主要内 容 脉冲电弧离子源的周期引燃是用高达几百伏到上千伏的峰值电压通过电极 间隙来完成。 周期引燃是一个复杂的技术问题， 特别是在难熔材料做阴极的离子 源中。 为了获得工艺过程的稳定性， 确保薄膜镀制的重复性， 该离子源的引燃系 统必须满足至少9 5 % 的周期电 弧引燃的可靠性。 怎样有效地击穿真空间隙而建立 稳定的电弧， 受到很多学者的关注， 他们对真空电弧的击穿提出了各种各样的物 理模型， 试图 解释击穿现象2 2 -2 4 1 。 要成功地触发一个真空电 弧还必须考虑诸多的 因素: 如电 极结构和两电极间的间隙、电极所用的材料、电极的表面状态、 真空 间隙周围绝缘材料的 存在与否、 触发电 压和波形等2 5 1 。 针对具体的实验装置而言， 主 要 存 在 着 如 下 几 种 触发 方 式 2 6 1 . ( 1 ) 、 用 脉 冲 激 光 法 对阴 极 表 面 的 微 小 颗 粒 施 加相当的能 量来击穿 真空间隙; ( 2 ) 、 在真空间隙间引 入触发电 极， 通过 触发电 流来击穿真空间隙; ( 3 ) 、在电极之间施加很高的电 压来引发电极电 弧;( 4 ) 、采 西安工业学院硕士学位论文 用辅助触发电 极法， 即在真空间隙再附加一对或几对触发电极， 通过电极间的级 联放电引 发电 弧; ( 5 ) 、 用电 流脉冲气 化导电 膜而引 发电 弧。 在设 计中， 采用了 第4 种方法，即在阴极与阳极构成的主回路之间加入了引燃极、起弧 1 、起弧2 三级辅助电极，使他们之间产生级联放电，并最终引发电弧放电。 在对真空电弧离子源控制系统研制中， 采用的离子源为西安工业学院光电工 程系自 行研制的b型脉冲离子源 2 7 , b型 脉冲电 弧 离子 源主要由 阴 极、 阳 极、 起弧电极三部分组成 ( 见图1 . 1 ) 。阴极由被蒸发的材料制成，脉冲真空电弧离 j土，曰乃口j兮 1 - 阳极 2 一 起弧极 3 一 绝缘环4 一 起弧 1 5 一 起弧2 6 一 阴极 图 1 脉冲真空电弧离子源结构示意图 子源可专门制作一个阳极， 也可把真空室或基片夹作阳极。 脉冲真空电弧离子源 的工作原理基于冷阴极真空电弧放电， 脉冲真空电弧离子源阴极产生的真空电弧 放电 使阴 极材料蒸发并电离， 形成等离子体， 这些等离子体一方面在基片( 工件) 上形成膜层， 另一方面维持电弧放电。 冷阴极电 弧放电的电子发射机理主要是场 致电子发射， 而场致电子发射需要在阴极表面建立很强的电场，因此， 仅靠脉冲 真空电弧离子源的阴极和阳极之间的电 位差是不够的， 需要引弧， 设计中采用了 上述所述的第4 种引弧方式， 即采用起弧电极， 首先在起弧电 极和阴极之间产生 小电流电弧放电， 产生预电离， 离子在阴极表面建立很强的电场， 产生场致电子 发射，然后阴极与阳极两个主电极之间加上不很高的电压 ( 几十伏到几百伏) ， 使气体及蒸汽击穿形成电弧。 脉冲真空电弧离子源的工作过程是一种级联放电过程:当真空室抽真空到 2 x 1 0 3 p a 左 右时， 电 容 器c , , c 2 , c 3 和c ; 充电 ， 给 可 控 硅 整 流 器一 个 起弧 信号， 在起弧电极与起弧 1 之间的电容c 1 产生小电流放电，在阴极与阳极之间出现导 电 层， 使电 容器c 2 , c 3 依次放电， 然后电 容器c 4 在阴 极与阳 极之间 放电， 随着 电 容器 c , 储能的释放，当电 容器供给的能量不足以 维持放电时，放电就熄灭， 起弧信号是脉冲式的，以后的过程不断重复，产生脉冲放电。 基于以上离子源放电的工作原理， 若维持离子源正常工作， 必须依赖以下四 组回 路电 压:( 1 ) 、 起弧极与 起弧1 之间的回 路电 压; ( 2 ) 、 起弧极与 起弧2 之间 的 回 路电 压; ( 3 ) 、 起弧极与阴 极之间的回 路电 压; ( 4 ) 、 主回路电 压。因 此课 题 的总体设计思路就是为以上四组回路提供适当的电压， 同时考虑离子源正常工作 时的安全性和经济性。 基于这种设计理念， 形成了离子源控制系统的总体设计图 西安工业学院硕士学位论文 ( 如图 1 .2 ) 。 课 题设计的离 子 源控制系统总体上基 本可以 分成两大部分， 一部分 是电 容器 充电 电 路， 它 包 括了 上 述四 组回 路中 的 ( 2 ) , ( 3 ) , ( 4 ) 三组回 路; 另 一 部 分是 控制放电 频率的晶闸 管控制电 路，主 要由 上 述的( 1 ) 回路构成。电 容器充电 电路基本由以下几个部分构成:电压/ 电流变换电路、变压器变换电路、采样电 路、 可调基准电压产生电路、电 压比较电 路、 晶闸管控制电 路以及保护电 路。以 下就简要介绍这两部分的组成情况及它们之间的相互关系。 1 .2 . 1电压/ 电流变换电路 在电源供电部分的设计中， 为了 方便地控制各回路电压， 课题并没有采用直 接用变压器升压的方法为电容充电的方式， 而是在交流电压源与变压器之间加入 了l - c 变换器。 设计时分别采用了一个三相l - c变换器和一个单相l - c变换器， 它们的工作原理完全相同， 其作用是将交流电压源变换成稳流电流源， 为前述的 ( 2 ) , ( 3 ) , ( 4 ) 三组回 路 提供 稳定的 充电 电 源。 这 样， 和 传 统的 直 接 用变 压 器 升 压 充电的方法相比，其充电时间更快，可使电 容在较短的时间内 存储更多的能量。 采用此种变换器的另一个目的是由于这种变换器结构简单， 工作可靠， 同时可有 效提高设备运行的经济性。单相l - c变换器的结构如图1 . 3 . .、+ n 丁l了 .、 r七/一 土下 2 2 0 v a c 图1 . 3单相l - c变换器结构示意图 l - c变换器可将交流电 压源转换成1 ; 基本稳定的交流电流源。当负载z f 增 大时， 其两端电压相应增加，同时保持了充电电 流的稳流性。 单相变换器的负载 电 流i f 为5 a , 三相变换器的负载相电 流i f 为3 0 a 。 这种变换器的 稳流原理及l i , l 2 , c的选择将在第2 章中 做出更详细的分析和计算。 1 . 2 .2变压器变换电 路、整流电 路及采样电 路 变压器是根据电 磁感应原理制成的电器设备， 是一种静止的( 也就是说它没 有运动部分) 电机。 它的主要作用是将一种交流电 压变换成另一种或几种同频交 流电 压。交流电压经l - c变换器变换后，负载寿上的压降在一定时间内是有限 的，它不能满足离子源各回路对放电电 压的要求， 需要升压。 将图1 .3 中的负载 换成变压器， 并适当选择变压器的变比 和容量， 即可使各回路的电压在一定时间 内 达到所需值。 经变压器变换后的电 压仍是交流的， 需通过整流电路将交流电压 转换成直流电 压对电容进行充电。 此处采用全桥整流电 路进行整流， 这种整流电 西安工业学院硕士学位论文 少理刹田几绝 图1 .2 脉冲真空电 弧离子源控制系统整体结构图 西安工业学院硕士学位论文 路整流效率高、 脉动系数小， 可以充分满足设计的要求。电 容在充电 过程中， 其 端电压u c 是按指数形式增加的，为了监控电容电压的变化，引入了采样电路， 通过采样电路和后续控制电路可以严格的控制电容器的充电电压， 以满足不同的 镀膜工艺要求。 1 . 2 .3可调基准电压产生电 路、电 压比 较电路 镀膜时根据不同的工艺要求需要不同的回路电压，如何控制回路的电 压值 呢?当引入可调基准电压产生电路和电压比较电路时这个问题就可以 得到解决。 由于充电时电容两端的电压是按指数形势变化的， 所以 采样信号也成指数变化， 将采样电压和基准电压分别作为比 较器的两个输入。 若需要调整回路电压， 由于 采样信号和回路电压成正比增加， 首先将基准电 压调整到适当值， 当采样电 压增 加到与基准电压值相等时， 比较器的输出状态发生变化， 再通过控制电路就可以 停止对电容充电， 这样就达到了控制回路电压的目的。 由于离子源极间存在有一 定的电 阻， 所以 在停止对电 容充电 后电 容就将通过这个电阻慢慢放电， 引 起采样 信号的减小， 进而使比较器的输出状态再次发生改变， 电流源又将对电容进行充 电。 这种充电放电的过程不断重复， 引起比较器的输出状态频繁改变， 在对回路 电压要求不是很严格的情况下， 这种频繁改变是没有必要的。 基于此， 设计中将 比 较器接成迟滞比 较器或双门限比较器， 当采样信号低于设定的阐 值时， 比 较器 的输出才会改变， 这样既能满足镀膜工艺的要求， 还能有效抑制外界电 压的干扰， 提高离子源控制电路工作的稳定性。 1 .2 .4晶闸管门 极触发电 路 课题在设计过程中， 出于提高设备运行经济性与控制方便性的考虑， 在单相 l - c变换器及三相l - c变换器的输出分别引入了晶闸管v d 1 - v d 2 和v d 3 - v d 6 ( 见图1 .2 ) 。 当电容电压达到工艺要求的设定电压时， 比较器的输出状态就会发 生变化， 利用这个变化的信号启动晶闸管门极触发电 路， 使与变压器原绕组相并 联的晶闸 管v d 1 - v d 2 , v d 3 - v d 6 导通， 将变压器短路， 从而使电 容充电过程结 束。 当离子源工作时电 容器放电， 其端电 压降到近似为零。 为给离子源下次工作 做准备，电容又要充电， 此时要求晶闸管门极触发信号消失， 使变压器恢复正常 工作。 由此可见晶闸管触发电 路就是为晶闸管门 极提供间断的触发信号， 使变压 器周期性工作， 这样可以 大大提高设备运行的经济性。 由晶闸管的性能参数可知， 其门 极触发信号对触发功率有一定的要求 即触发电 压、 触发电 流要满足触发条 件) ，如何提供具有一定功率的几组脉冲触发信号是课题的难点和重点之一。由 于他激推挽式变换器能产生几组具有一定功率的脉冲信号，同时它具有结构简 单、 工作可靠、 工作功耗低等优点，因此课题分别采用了两组他激推挽变换器为 晶闸管v d l - v d 2 , v d 3 - v d 6 提供门极触发信号。 1 .2 .5保护电路 要使l - c变换器成为稳流源，则图1 .3 中的电 感l , 和电容c满足串联谐振 西安工业学院硕士学位论文 条 件，即。 a 2 l , c = 1 。 在图1 .3 中， 正常 工作时l - c 变换器的 输出电 压随负 载z f 的 变化而变化， 当电 压达到一定值后晶闸管导通， 负 载为零。 但是由 于外界电 磁 干扰或控制电 路本身出 现问 题而使晶闸管没有及时导 通，负载 z f 逐渐增大，当 z f 趋于无穷 ( 即变压器空载) 时， l - c交流变换器就成了串联谐振电路， 此时电 容电 压u c 和电 感电 压 u l 将会很大， 一旦出 现这种情况将有可能烧毁电 容和电 感， 使电路无法正常工作。为了避免这种情况发生， 此处加入了保护电路， 保护 电 路将实时采集变换器的输出电压， 当输出电压增大到设定上限值， 保护电路自 动切断变换器的输入电源，起到保护作用，保证电路的正常工作。 1 .2 .6放电频率控制电 路 脉冲离子源的放电频率是由 接在起弧极与起弧1 之间的晶闸管控制的( 见图 1 . 1 ) 。当以一定的频率给晶闸管的门极提供触发信号时，晶闸管导通，电容 c 1 开始放电，由于各极间的级联放电，最终形成主回路放电， 达到镀膜的目的。 在 薄膜镀制过程中，如果电容c 1 连续放电，就会产生拉弧现象， 使脉冲放电成为 连续放电，导致金属液滴的产生，影响膜层的质量。为了抑制拉弧现象的产生， 设计中采用了两级充电的方式为电容c 1 充电，其具体原理和工作电路参见第6 章。反之，如果电 容c 1 未能及时有效的放电，则会出 现停弧现象，降低镀膜的 生产效率。为此设计时采用了双脉冲触发方式触发图1 . 1 中晶闸管的门极，保证 电 容c 1 及时有效的放电。防止拉弧及停弧措施的引进极大的提高了脉冲电弧离 子源控制系统的工作可靠性， 同时也克服了yb h j4 i i a 小0 0 1 型脉冲电弧离子镀 膜机的不足之处。 不同的阴极材料和不同的工艺要求需要不同的放电 频率， 因此晶闸管的门极 触发频率应该是可调的， 设计中将根据工艺的要求， 使触发频率在1 - 3 5 h z之间 可以自由调节。 以上所述即为离子源控制系统的组成以及他们在系统中所起的作 用和相互关系。后续章节中将分别对他们进行详尽的论述。 1 . 3本文的结构安排 本文的结构安排如下: 1绪论。交待课题研究的背景、意义、发展状况以 及课题的主要任务。 2 l - c稳流电流源的研制及变压器参数计算。 3采样、比较电路的研制。 4晶闸管门极触发电路的研制。 5保护电路的研制。 6脉冲起弧回路研制。 7脉冲计数及膜厚控制。 8控制系统的调试。 9脉冲真空电弧离子源控制系统发展展望。 附录a机柜设计及各机柜中电子元件放置示意图。 附录b机柜接线端子表。 2 l - c稳流电流源的研制及变压器参数计算 2 l - c稳流电流源的研制及变压器参数计算 稳定交流电流装置， 可以 采用不同的技术， 设计中采用了结构简单、 工作可 靠、发展较为完善的电感一电容变换装置，用来将电压源变换成稳定的电流源。 2 . 1 l - c 稳流电流源 单相电感一 电容稳流电流源电路结构如图 2 . 1 所示。由于电感间存在互感， 每 一线圈上的电压不但与本线圈的电流变化率有关， 而且还与另一线圈上的电流变 l 1 厂.l 2、. 图2 . 单相l - c 交流稳流源 化率有关， 这对电路分析来说是非常不便的。 所以在计算过程中采用祸合电感的 去 藕 等 效 原 理 2 8 . 2 9 ， 可 将电 路 等 效为 图 2 .2 : 图 2 .2单相l - c 交流稳流源等效电 路 由 等效原理可知，图中e, , e 2 的 等效值分别为: 双 = j i f t o m 单相等效电路的方程式组为: i i , 。 : ， 一 ， 。 共 c d 吮 9 e : 二j i t ru m + j l f 与 负 载z ; 的 大 小 无 关 ， 此 时 理 论 谐 振 频 率 为 w o 一l i - l . c o 。 但 在 实 际 工 程 中 ， 电 感 与 电 容 选 取 往 往 不 在 谐 振点上，以 避免在负载开路时产生谐振而将电感、 电 容等器件损坏。 如果实际电 容 值 c # c , ， 则 此 时 的 谐 振 频 率 为 。 = j 万一一厄 于 。 把 实 际 谐 振 频 率。 与 理 论 谐 振 频率g ) 。 的比 值以y 表示， 而电 阻 的 相 对值以n 表示， 即 : y 一 竺， 口0 。 = z f x, . ( 2 . 1 2 ) 将式 ( 2 . 1 2 )带入式 ( 2 . 1 0 )中，可求得额定传递函数和输入阻抗的表示式: i ( y , n ) 1 + y 2 n ( 1 一 y 2 ) + 4 j y x 土 改 泛 乙 - 几-e - 写 z rx = o ( y , n ) = n ( 1 一 y z ) + 4 j 7 ( 1 一 y z ) 十 j 卿 x r ) l 函 数 式y n - f ( y , n ) , z , - o ( y , n ) 的 曲 线 分 别 如 图 2 .5 、 图 2 .6 0 额 定 值写和 茹的 表达式充分地表达了变换器线路负载电流的稳定性能和线路的实际性能。 由于设 计中分别采用了单相和三相l - c 电流变换器，故分别对其进行讨论。 2 . 1 .3单相l - c变换器电 感、电 容值计算 设计中要求输出电 流为5 a , 输入电 压为交流2 2 0 v ， 当满足谐振条件时，由 式 ( 2 . 1 0 )可得: 西安工业学院硕士学位论文 一y = ,i iz ix i 0 . 2 5 图2 . 5 4 y 0 . 2 5 1 4 写= i ( y n ) 曲 线图 2 .6 z ,x = 护 。 , n ) 曲 线 x l + x c 4 xl xce = xl e 一 5 4 x丈 一- f r1 将e = 2 2 0 带入， 解得x l = 2 2 = m l = 2 够 。 所以 ，l = 7 0 m h e 为 避 免 在 负 载空 载时 产 生 谐 振 而 损 坏电 感、 电 容 元 件，x c 的 选取 不 应 该 满 足凡 = x 。 的 谐 振条 件。 设 在负 载 空 载 时电 容 两 端的 极限电 压为1 0 0 0 v , 并 取 安 全 系数为0 . 7 5 ，即满足: 21 m i u cii -. 1 0 0 0 x 0 .7 5 = 7 5 0 ( 2 . 1 3 ) 由 式 ( 2 . 1 1 ) 可知，当负载z ; 趋于无穷时， 通过电 容的电 流i c 为: lim ii , i一 1一 一 一 1一 一一 x : z l - m l 一 i ix : 一 x c l ( 2 . 1 4 ) 将式 ( 2 . 1 4 )带入式 ( 2 . 1 3 )中得: z im iu c l一 lim ic1 ix , iz,-rw 一 牙 ; 1x l - x c，一 lx c i e m = ; l x c l , . 2 2 0 -5 - 5 7 5 0 1x : 一 x c l ( 2 . 1 5 ) 将凡= 2 2 带 入， 解 得凡 _ 1 1 . 3 西安工业学院硕士学位论文 所 以 c _2 8 o ,a f x c = 3 .5 4 ， 带 入 式 ( 2 . 1 5 ) 中 有: 1-，、 若 取c = 3 0 0 ,u f ， 则x c = 1 0 .6 ，x 去 = l i m lu , . i = z . - 曰 x 1 i 一x : 一 x 。 一 x 2 2 0 扼 13 .5 4 1 =一x 2 2 0 v2=8 2 0_0 ) ; 由该式所得的电压、 电流波形曲线如图3 . 1 所示。 ( t _ 0 ) ; 从波形图中可以看出: t = 0 时， u o 眨/ uor l 图3 . 1电容充电 时的电压、电流曲线 零 态电 容 器的电 压为 零， 相当 于 短路， 直 流电 流i o 全部 从电 容c 流过， 对电 容 进 行充电;随着电 容器的充电，其电压逐渐上升，电容c上流过的电流逐渐减少; 当t 斗。时，电容电流为零， 此时电容相当于开路。 在对l - c稳流电流源的分析 中 ， 这 种 情况 是 绝对 不能出 现的， 因 为 此时l , 和c 构 成串 联 谐振电 路， 加于 变 压 器原绕组的电 压在8 0 0 v以 上。同时， 在镀膜过程中， 不同的阴极材料和不同的 工艺条件需要的 放电电 流是不同的， 即需要电 容的 储能不同。 为了 控制电 容两端 的充电电压，设计中引入了采样电路。 3 . 1 . 1采样电路 采样电路是通过在电容两端并联分压电阻来实现的。由并联电路的原理可 知， 与电 容并 联的电 阻电 压u * 与电 容电 压u c 相 等， 并 与 其 做 等 值 变 化， 只 要 监 测电 阻电 压u * 即 可 达到 测 量电 容电 压u c 的目 的 。 设 计中 分 别 采 用了 一 个单 相 和 一个三相变压器对三组回路进行充电，因此，为了 监控电容的充电电压，采用 两个采样电路分别对两个变压器的输出 进行采样即可。由于两个采样电路完全 相同，所以只对单相变压器输出电 压采样回路进行详细的分析。 设计中，起弧极和起弧2 之间的回路电 容是通过单相变压器对其充电的， 充电电 压为6 0 0 v ， 采样电 路如图3 .2 所示。 为了避免采样电 压过高和方便基准 西安工业学院硕士学位论文 电压的产生， 采样电路中采用了几个电阻串联的形式， 并且使电容电压在6 0 0 v 时 采 样 电 压 为1 2 v 即 采 样 电 压 为 被 监 控 电 压 的 生。 各 串 联 电 阻 的 阻 值 如 图 所 5 0 示， 设可变电阻的阻值为r , ，则由串 联电阻的分压原理有下式: r x + 1 0 1 5 1 0 x 4 + r , + 1 0 5 0 压 共 变压器输出 电压 一 七 c -o. le 图3 . 2采样电 路结构图 解得r x = 3 1 .6 k。 也 就是说， 在将可 变电 阻的 阻 值调节 至3 1 .6 k时， 采样电 压 即为电容电 压的五十分之一，并且随电容电压呈线性正比 关系变化。当电 容电 压为6 0 0 v ， 流经采样电 路中 各个电 阻的电 流i ， 为: 6 0 0 ( 5 1 0 x 4 + 3 1 .6 + 1 0 ) x 1 0 3 0 . 3 ma 当电 容电 压达到控制电压时，控制电路使变压器的输入电压为零，电容不再被 充电。 此时电 容将通过与之并联的 采样电阻放电， 放电 常数z = r c = 2 0 8 . 1 s o 设计中离子源的最小放电频率为 1 h z ，即最长放电周期是 1 秒。在此期间，电 容通过采样电阻所释放的电压与初始保持电压之比为: _ 旦 旦二 丛 l z ! = u 0 . 0 0 5 = 0 . 5 % 蝙一vo 由 此可见，电 容电 压在保持期内通过采样电阻损失的电 压最多只占 初始电 压的 0 . 5