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电弧离子镀的等离子体负载特性与脉冲偏压电源研究

戚栋  
【摘要】:脉冲偏压电弧离子镀是近年来离子镀技术的一个重要发展方向,但目前制约脉冲偏压电弧离子镀技术发展的一些问题亟待解决。本论文就其中电弧离子镀的等离子体负载特性、脉冲偏压电源及脉冲偏压电源与电弧离子镀等离子体负载间的匹配、脉冲偏压电源的绿色化设计等问题进行了深入研究。这些问题的研究和解决对提高电弧离子镀工艺水平是至关重要的。 在电弧离子镀等离子体负载特性研究方面: 结合实验研究,并运用等离子体鞘层理论、电工学理论和数值模拟技术,建立了电弧离子镀等离子体负载的宏观电路模型,得出电弧离子镀等离子体负载本质上是由等离子体鞘层引起的容性负载,它在电路中可等效为一只电容和电阻相并联的单元。 通过对脉冲偏压下电弧离子镀等离子体鞘层随时间演化过程的研究,得到了电弧离子镀等离子体鞘层随时间演化的解析式,由此得出电弧离子镀等离子体形成稳态鞘层的时间、鞘层的厚度及其变化范围均远小于束线离子注入等离子体等鞘层对应的值,电弧离子镀等离子体鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化。 根据电弧离子镀等离子体鞘层随时间演化的特点,对时变量——电弧离子镀等离子体鞘层厚度s(t),通过取其时间平均厚度(?),将时变量——电弧离子镀等离子体鞘层电容C(t),等效为与时间无关而只与脉冲偏压幅度和等离子体的电子温度等微观参数有关的量,进而建立了电弧离子镀等离子体负载的宏观电路模型与等离子体微观参数间的关系,据此并利用Langmuir探针对电弧离子镀等离子体参数的诊断结果,得到了电弧离子镀等离子体鞘层等效电容的数值范围。 通过实验、仿真模拟和理论计算,验证了建立的电弧离子镀等离子体负载的宏观电路模型及其与等离子体微观参数间的关系是有效的。 以上研究为解决电弧离子镀脉冲偏压电源及其与负载间匹配的问题、电弧离子镀工艺中的相关问题,提供了理论上和技术上的支持。 在电弧离子镀脉冲偏压电源研究方面: 结合电弧离子镀等离子体负载特性,研制了幅值在50~1500V范围、频率在5~40kHz范围、占空比在5%~40%范围连续可调,额定功率为15kW的固体开关式脉冲偏压电源。其中:设计了一种级联型结构的高压脉冲形成电路,使脉冲偏压电源的扩展性和延伸性好,有利于实现模块化;研制了一种集接地保护和开关功能于一体的半导体功率开关模块,填补了现有半导体功率开关无接地保护功能的空白,有利于提高电源的安全性;基于差动电压放大器,设计了一种新的占空比测量电路,它能简单地以数字形式给出脉冲偏压的占空比,解决了现有占空比测量方法存在的缺陷。


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