[发明专利]射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及细长管的内表面离子注入表面改性方法。

背景技术

细长管内表面离子注入一直是一个较为棘手的问题。采用传统的束线离子注入，由于离子无法在管内拐弯，细长管内壁注入几乎不可能。近些年提出了一种等离子体浸没离子注入表面改性方法。基本原理是：管筒放在真空室内，真空室内产生等离子体，等离子体通过扩散进入到管筒内，然后在管上施加负偏压，这样离子就被加速注入到工件表面。由于管内等离子体是靠扩散进入的，密度梯度(密度不均匀性)是必然的。如果管很长、很细，管内部深处可能得不到等离子体，注入也就无从谈起。后来有人提出了内部射频等离子体源的方法，如美国专利5693376公开了筒型表面等离子体离子注入与沉积方法(Methodfor plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces)。如图2所示，利用中心电极耦合射频功率来获得管内部的等离子体，同时被处理的管上施加负偏压进行离子注入或沉积。由于在管上施加负偏压时管内部没有嵌位的地电极，离子注入的能量不可能很高。为此中国专利ZL01115523.X公开了一种新的结构(一种管状工件内表面改性的方法)。如图3所示，在管筒内部中心加入一个射频天线，外套网状金属地电极。注入高压施加在网状地电极和管筒工件之间。等离子体在中心射频电极和地电极间产生，等离子体扩散出来，被负高压吸引获得管筒内壁的离子注入效应。这样有内部的等离子体源，同时又有地电极嵌位，可以有效实现离子注入。但该专利由于在管内加入了中心射频电极和地电极，使得处理的管筒直径不可能较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法，以克服已有技术在管筒与射频天线之间设置网状金属地电极的结构所带来该技术不能应用于管筒直径细情况的缺陷。本发明的方法包括下述步骤：一、需要表面改性的管筒1置于密闭容器2内并把管筒1接地，射频天线3的一端插入密闭容器2内并且位于管筒1内的中心线处；二、通过射频天线3向管筒1内间歇性发射射频电磁波，管筒1内的气体发生电离，从而在管筒1内产生等离子体；三、在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线3通以正高压脉冲，射频天线3与接地的管筒1间形成高压电场，管筒1内的正离子受到高压电场的作用，飞向管筒1内壁、完成离子注入。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是美国专利5693376公开的筒型表面等离子体离子注入与沉积方法的示意图，图3是中国专利ZL01115523.X公开的管状工件内表面改性的方法的示意图，图4是本发明射频电磁波与正高压脉冲的一种相序关系示意图，图5是射频电磁波与正高压脉冲的另一种相序关系示意图，图6是本发明方法得到的沿管筒长度方向等离子体密度相对分布的示意图，其中横轴为管筒长度方向，纵轴为等离子体密度值。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由下述步骤组成：一、需要表面改性的管筒1置于密闭容器2内并把管筒1接地，射频天线3的一端插入密闭容器2内并且位于管筒1内的中心线处；二、通过射频天线3向管筒1内间歇性发射射频电磁波，管筒1内的气体发生电离，从而在管筒1内产生等离子体；三、在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线3通以正高压脉冲，射频天线3与接地的管筒1间形成高压电场，管筒1内的正离子受到高压电场的作用，飞向管筒内壁、完成离子注入。

步骤三中可采用的高压脉冲为1-50kV，脉冲频率1-500Hz，密闭容器2内填充氧气、氮气、氩气、甲烷或乙炔等多种气体作为发生电离的气体。步骤二中射频电磁波的功率为20W-2000W。在长度200mm、直径50mm的管筒1内部，在气压为7Pa条件下测量等离子体密度相对分布如图6所示。等离子体密度在长度方向是均匀的，等离子体在管筒1长度方向的两端略有升高，是由于边缘效应造成的。