[发明专利]基于加热面凹坑测试的反馈控制系统和方法

说明书

本发明提供了一种基于加热面凹坑测试的反馈控制系统和方法，包括：测距仪、驱动机构和加热装置；所述测距仪驱动连接在所述驱动机构上；所述加热装置设置于所述测距仪的检测范围内；所述测距仪检测所述加热装置上的多个台阶面的弧度以及两两台阶面之间的缝隙宽度、缝隙深度；所述反馈控制系统根据检测结果控制镀膜的温度以及判断是否需要对所述加热装置进行维护。本发明能够根据检测到的缝隙宽度、缝隙深度以及台阶面弧度及时判断是否需要对加热装置进行维护，提高超导带材的镀膜质量。检测到的缝隙宽度、缝隙深度以及台阶面弧度还可以作为温度控制的输入参数，使得对带材镀膜控制更为的精准有效。

技术领域

本发明涉及超导材料领域，具体地，涉及一种基于加热面凹坑测试的反馈控制系统和方法。

背景技术

本文以PLD镀制REBCO膜层进行叙述但不限于REBCO一种超导材料或PLD一种方法。

在各种真空镀膜工艺的镀膜过程中，为保证基底上薄膜的质量，很多薄膜的制备都需要对镀膜的基底进行加热，并且对镀膜过程中基底的温度偏差范围有着严格的要求。因此，加热系统是镀膜设备中至关重要的部分。而对于窄且长的连续的柔性基底带材，在镀膜中常采用循环往复的卷对卷结构，以增加镀膜面积，提高镀膜效率。虽然在不同的设备中，加热系统的结构、尺寸、几何形状等有所不同，但对于近似二维的柔性基底的带材来说卷对卷的走带结构要求所采用加热系统所采用的加热面均温区的面积应足够大，以与增大的镀膜面积相匹配，使镀膜过程中带材的温度保持不变。综上所述，为了保证卷对卷连续带材的镀膜质量，加热系统需要在大面积的加热面上保证带材的温度均匀。另一方面，大规模工业化生产需要柔性基底具有高的走带速度，以满足其高产量的需求。加热板尺寸的限制和高的走带速度使得柔性基底带材的加热时间很短，如何在极短的时间内使带材的温度提高至目标温度，这又是对加热系统提出的新的需求。

沉积温度是超导层工艺中最为关键的参数之一。ReBCO薄膜的生长的温区十分的窄，一般只有20℃。通常要测量准确衬底的温度并不是很方便。原因在于测量温度和实际温度之间往往存在明显差异。使用热电偶来测试衬底温度，测试的稳定度依赖于两者的稳定接触，即使非常理想的接触，衬底底面与表面仍存在温度梯度，这就是差异的来源。

加热系统已经达到了热平衡，如果此时置于其中的基带是静态的，那么基带可以看作是处在热环境下的一个点。对于这个点来说由于做了较长时间的热交换，衬底容易达到热平衡状态。因此这一差异关系是稳定的，比较容易能确定相对的最佳沉积温度。

不同于静态工艺，在动态的走带系统中，基带每个点要经历整个路径上很多不同的位置。由于加热系统中存在着热梯度，因此在整个基带路径上的各点温度会高低起伏。基带以一定的速度走过这个路径，经过不同的温度区域，将会有不停的吸热和放热过程，温度始终不会固定。如果想控制基带在镀膜时处于最佳温度，最理想的情况希望基带走过的整个路径上的温度梯度越小越好。然而规模化的生产需镀膜面积越大越好，越大的面积越容易造成大的温度梯度，这与理想的控温情况之间产生了矛盾。

其中两个问题十分棘手：1、如何通过一系列的温度测试，得到镀膜区带材所在位置的温度分布。2、如何再次得到带材经过镀膜区的温度分布。

第一个问题比较困难，原因有以下两个方面：1、镀膜区中不能直接设置热电偶，会干涉镀膜，同时镀膜时产生的等离子体羽辉也会干扰测试。2、腔体内也无法使用激光等光学温度的测试，原因在于镀膜的粉尘会覆盖光学器件。

第二个问题更加的困难，基带表面的温度取决于进入镀膜区时刻本身的温度和在镀膜区吸放热的过程。各道基带进入镀膜区时刻的温度又取决于和加热板之间的传导加热以及反射墙之间的辐射加热过程。

由于加热结构和环境极为复杂，通常还会受到水冷、等离子体羽辉，滚筒缺陷等等因素的干扰，因此热电偶组在测量中失效概率极大。例如一根超导带材的测试结果显示带材一侧由于温度过低临界电流甚至衰减至了0A。从薄膜的晶体结构判断镀膜时温度至少跌出窗口下限50-100℃，然而热电偶组的测试数据发现温度波动幅度只有5-10℃。