專(zhuān)利名稱(chēng)：用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種常壓等離子體拋光設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代短波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、電子學(xué)及薄膜科學(xué)的發(fā)展對(duì)表面的要求非?？量?，其明顯特性是表面粗糙度小于1nm Ra。這類(lèi)表面用作光學(xué)元件時(shí)，為獲得最高反射率，特別強(qiáng)調(diào)表面低散射特性或極低粗糙度值；用作功能元件時(shí)，因多為晶體材料，相對(duì)于表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性。我們統(tǒng)稱(chēng)這兩類(lèi)表面為超光滑表面(ultra smooth surface)。超光滑光學(xué)零件加工多采用金剛石超精密切削加工或各種傳統(tǒng)的磨削、拋光加工。超精密金剛石切削本身可以達(dá)到極高的加工精度，但是不適合于加工碳化硅、光學(xué)玻璃等硬脆性材料，同時(shí)，金剛石超精密機(jī)床設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)材料、測(cè)量、控制、環(huán)境等方面的要求都非?？量蹋@都限制了它的廣泛使用。目前，光學(xué)零件加工中最常用的加工方法是在精密磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳統(tǒng)的拋光加工，如浴法拋光、浮法拋光等。此類(lèi)加工方法固然可以得到極高的表面粗糙度，但其材料去除率太低，即加工效率過(guò)低。而且，拋光加工不適合非球曲面零件的加工，很難對(duì)零件的表面形狀誤差進(jìn)行修正。特別是當(dāng)光學(xué)零件采用碳化硅等極難加工材料時(shí)，由于碳化硅材料的高硬度，在對(duì)其進(jìn)行拋光時(shí)，拋光壓力至少是拋光玻璃陶瓷時(shí)的4倍，這在加工非常薄的輕質(zhì)反射鏡鏡片時(shí)，可能引起災(zāi)難性的后果。此外，不管是超精密金剛石切削還是各種磨削、拋光加工，都不可避免地存在傳統(tǒng)機(jī)械接觸式加工所固有的缺陷。機(jī)械式的研拋工藝帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是拋光后超光滑表面的清洗問(wèn)題，表面存在的難以清洗的殘留物將直接影響到后續(xù)的納米級(jí)薄膜的成膜質(zhì)量或微電子器件的線(xiàn)寬、集成度和可靠性。下面對(duì)已有相關(guān)技術(shù)存在的缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述傳統(tǒng)機(jī)械式拋光加工目前，在光學(xué)零件的加工中，在精密磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳統(tǒng)的拋光加工方法應(yīng)用非常普遍，但這種方法也存在著非常多的問(wèn)題，如加工效率過(guò)低，容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷，拋光后超光滑表面的難以清洗；不適合于加工碳化硅、光學(xué)玻璃等硬脆性材料，不適合非球曲面零件的加工，很難對(duì)零件的表面形狀誤差進(jìn)行修正等。RIE(反應(yīng)離子刻蝕)RIE可以實(shí)現(xiàn)超光滑表面的加工，但它的缺點(diǎn)包括①材料去除速率過(guò)低，不適合需要大量材料去除的反射鏡形面誤差修整；②RIE的精密光整加工必須在真空環(huán)境中進(jìn)行，為機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和操作均提出了很高的要求；③離子濺射作用的存在破壞表面的晶格結(jié)構(gòu)，甚至降低表面粗糙度。PACE(等離子體輔助拋光技術(shù))該方法的主要不足之處在于它要求被加工工件是導(dǎo)體或工件厚度不大于10mm。當(dāng)工件為厚度大于10mm的絕緣體時(shí)，其加工效率將低到讓該方法失去正常的使用價(jià)值。而且PACE必須在真空環(huán)境中完成。離子束濺射或中性離子銑它的主要缺點(diǎn)是1、由于異種載能離子轟擊，離子束濺射會(huì)破壞晶格的完整性，在亞表面產(chǎn)生缺陷；2、在使用中存在設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用高、被處理物體的尺度受真空室腔體限制，操作不方便和時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。目前，世界上只有日本大阪大學(xué)和美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在從事常壓等離子體拋光技術(shù)的研究。大阪大學(xué)是最早從事這方面研究的單位，他們開(kāi)發(fā)了一種叫做化學(xué)蒸發(fā)加工(CVM)的方法，該方法采用旋轉(zhuǎn)平行電極來(lái)產(chǎn)生等離子體。據(jù)報(bào)道，大阪大學(xué)已經(jīng)可以在加工半導(dǎo)體用硅片時(shí)實(shí)現(xiàn)1.4nm的表面粗糙度，材料去除速率最高可達(dá)每分鐘數(shù)百微米，與常規(guī)的研磨效率相當(dāng)，而其表面缺陷密度僅為常規(guī)機(jī)械拋光和氬離子濺射加工方法的1/100。另?yè)?jù)報(bào)道，采用此種技術(shù)加工90mm直徑的光學(xué)反射鏡，面型精度達(dá)到了3nm(PV)，約相當(dāng)于20個(gè)原子的高度。但是，他們采用的加工方法存在的不足是由于等離子體是在旋轉(zhuǎn)電極和工件之間產(chǎn)生，它會(huì)受很多因素如RF功率、氣體流速等的影響，很難實(shí)現(xiàn)等離子體區(qū)的建模和控制，從而使得加工痕跡的可重復(fù)性控制和預(yù)測(cè)變得非常困難，很難保證加工精度。美國(guó)Lawrence Livermore實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)對(duì)常壓等離子體拋光技術(shù)也表現(xiàn)出了極大的興趣，他們開(kāi)發(fā)了叫做反應(yīng)原子等離子體拋光(RAP)的方法，采用商品化的電感耦合等離子體炬來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，很好地解決了大阪大學(xué)遇到的加工重復(fù)性問(wèn)題，使活性原子常壓等離子體拋光精度的預(yù)測(cè)成為可能。但是，該等離子體炬存在著內(nèi)炬管易腐蝕的問(wèn)題，成本高，系統(tǒng)的維護(hù)性不好。因此，在國(guó)防和尖端科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域，迫切需要開(kāi)發(fā)一種不會(huì)造成表面損傷的、高效的、超精密光學(xué)零件加工設(shè)備，以滿(mǎn)足對(duì)大型或大批量超精密光學(xué)零件的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決常規(guī)的機(jī)械式研拋方法在碳化硅等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷、表面清洗困難以及針對(duì)其在大型輕質(zhì)反射鏡加工中存在的問(wèn)題以及等離子體炬存在著內(nèi)炬管易腐蝕，成本高，系統(tǒng)的維護(hù)性不好的問(wèn)題，提供一種用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬。本發(fā)明具有拋光效率高、常壓等離子體密度高、適用范圍大、無(wú)需真空室、成本低的特點(diǎn)。本發(fā)明由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1、進(jìn)氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽(yáng)極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11和密封座12組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽(yáng)極5的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極5中間的臺(tái)肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽(yáng)極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽(yáng)極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，陰極6的右端設(shè)有出口7，進(jìn)氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14與陽(yáng)極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽(yáng)極5的內(nèi)腔16內(nèi)，密封座12固定在陽(yáng)極5的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1的左端固定在密封座12的中心處并與外界相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽(yáng)極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通。本發(fā)明的另外一種結(jié)構(gòu)的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1、進(jìn)氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽(yáng)極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、密封座12和端蓋20組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽(yáng)極5的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極5中間的臺(tái)肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽(yáng)極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽(yáng)極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，進(jìn)氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14與陽(yáng)極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽(yáng)極5的內(nèi)腔16內(nèi)，密封座12固定在陽(yáng)極5的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1的左端固定在密封座12的中心處并與外界相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽(yáng)極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通，端蓋20與外套9的右端螺紋連接，端蓋20的中部開(kāi)有出口27。本發(fā)明與現(xiàn)有真空氣體放電拋光技術(shù)相比，有以下主要優(yōu)勢(shì)一、能夠在一個(gè)大氣壓下產(chǎn)生大面積均勻的低溫等離子體，不需要真空室，可大大降低設(shè)備成本并擴(kuò)大其使用范圍；二、常壓等離子體具有很高的等離子體密度，其電子密度最高能夠達(dá)到1×1014～1×1015cm-3之間，比真空等離子體要高4-6個(gè)數(shù)量級(jí)。常規(guī)條件下，等離子體中活性粒子密度比等離子體密度高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此采用常壓等離子體可以保證很高的化學(xué)反應(yīng)速度，加工效率約是傳統(tǒng)拋光方法的10倍。采用常壓射頻冷等離子體進(jìn)行拋光，由于是在大氣中進(jìn)行，等離子體中粒子之間的碰撞自由程很小，所以等離子體中幾乎沒(méi)有高能離子存在，不會(huì)像真空等離子體那樣對(duì)超光滑表面造成表面損傷、亞表層損傷和表面污染，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)零件的高效率高質(zhì)量加工。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中出口7處的放大圖，圖3是具體實(shí)施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是具體實(shí)施方式
四的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明第二種結(jié)構(gòu)的示意圖，圖6是具體實(shí)施方式
七的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是具體實(shí)施方式
八的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一(參見(jiàn)圖1、圖2)本實(shí)施方式由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1、進(jìn)氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽(yáng)極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、密封座12組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽(yáng)極5的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極5中間的臺(tái)肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽(yáng)極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽(yáng)極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，陰極6的右端設(shè)有出口7，進(jìn)氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14與陽(yáng)極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽(yáng)極5的內(nèi)腔16內(nèi)，密封座12固定在陽(yáng)極5的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1的左端固定在密封座12的中心處并與外界相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽(yáng)極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通。陰極6和陽(yáng)極5的基體材料均為鋁，在陽(yáng)極5的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
具體實(shí)施方式
二(參見(jiàn)圖1、圖2)本實(shí)施方式陰極6的出口7為內(nèi)口大外口小的圓錐臺(tái)形17，陽(yáng)極5的右端與陰極6的出口7的圓錐臺(tái)形17相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三(參見(jiàn)圖3)本實(shí)施方式陰極6的出口7為直口形18，陽(yáng)極5的右端與陰極6的出口7的直口形18相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
四(參見(jiàn)圖4)本實(shí)施方式陰極6的出口7為外口大內(nèi)口小的喇叭形19，陽(yáng)極5的右端與陰極6的出口7的喇叭形19相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五(參見(jiàn)圖5)本實(shí)施方式由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1、進(jìn)氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽(yáng)極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、密封座12和端蓋20組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽(yáng)極5的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極5中間的臺(tái)肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽(yáng)極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽(yáng)極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，進(jìn)氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進(jìn)氣通道14與陽(yáng)極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽(yáng)極5的內(nèi)腔16內(nèi)，密封座12固定在陽(yáng)極5的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1的左端固定在密封座12的中心處并與外界相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽(yáng)極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通，端蓋20與外套9的右端螺紋連接，端蓋20的中部開(kāi)有出口27。陰極6和陽(yáng)極5的基體材料均為鋁，在陽(yáng)極5的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
具體實(shí)施方式
六(參見(jiàn)圖5)本實(shí)施方式端蓋20的出口27為內(nèi)口大外口小的圓錐臺(tái)形21，陽(yáng)極5的右端與端蓋20的出口27的圓錐臺(tái)形21相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七(參見(jiàn)圖6)本實(shí)施方式端蓋20的出口27為直口形22，陽(yáng)極5的右端與端蓋20的出口27的直口形22相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
八(參見(jiàn)圖7)本實(shí)施方式端蓋20的出口27為外口大內(nèi)口小的喇叭形23，陽(yáng)極5的右端與端蓋20的出口27的喇叭形23相對(duì)應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
五相同。
以上具體實(shí)施方式
五至具體實(shí)施方式
八與具體實(shí)施方式
一相比，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地更換陽(yáng)極和端蓋，利用氣流流動(dòng)帶動(dòng)等離子體運(yùn)動(dòng)，由出口27吹出，得到特定形狀的等離子體焰。
工作原理在常壓下，等離子體氣體(如氦氣、氬氣等)在射頻電場(chǎng)的作用下被電離，形成非熱平衡等離子體，在等離子體的作用下，反應(yīng)氣體(如CF4、SF6等)被離解，形成大量高活性的激發(fā)態(tài)粒子。在拋光過(guò)程中，活性粒子將被光學(xué)零件表面原子所吸附并與之反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的材料去除，同時(shí)又不會(huì)在工件表面產(chǎn)生表層或亞表層損傷。以采用CF4作為反應(yīng)氣體，加工SiC為例，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式如下

利用射頻放電產(chǎn)生的常壓等離子體中的高密度高能活性激發(fā)態(tài)F*原子，與工件表面SiC原子層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到原子級(jí)的材料去除，并生成容易回收的SiF4和CO2氣體。特點(diǎn)(1)此電容耦合式射頻常壓等離子體炬適用于超光滑表面的等離子體拋光加工，采用了基于電容耦合原理的同軸電極炬體結(jié)構(gòu)，內(nèi)(陽(yáng)極)外(陰極)電極均采用水冷，其中，內(nèi)電極接射頻電源，外電極接地。內(nèi)外電極之間采用絕緣材料良好的隔離結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的等離子體炬克服了CVM方法中的旋轉(zhuǎn)電極等離子體源和RAP方法中的電感耦合玻璃管等離子體炬的缺點(diǎn)，等離子體形狀易于控制，免維護(hù)。氣體輸入采用流量計(jì)精確控制，多路氣體可以同時(shí)輸入。(2)工作腔15為等離子體發(fā)生區(qū)域，出口為等離子體引出區(qū)域。通過(guò)優(yōu)化等離子體炬的結(jié)構(gòu)，可以得到穩(wěn)定可控的等離子體外形。采用圓錐臺(tái)形、直口形或喇叭形的出口形狀，利用氣流流動(dòng)帶動(dòng)等離子體運(yùn)動(dòng)，由出口吹出，得到特定形狀的等離子體焰。(3)陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1和冷卻水通道2為陽(yáng)極水冷系統(tǒng)的入口和出口，冷水從陽(yáng)極水冷導(dǎo)管1進(jìn)入陽(yáng)極內(nèi)部的空腔16，由冷卻水通道2流出，帶走熱量。陰極水冷接頭一4和陰極水冷接頭二8為陰極水冷系統(tǒng)的入口和出口，冷水由其中一口流入陰極外的空腔13中，帶走熱量，由另外一口流出。電容耦合等離子體炬采用循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)，保證了在加工過(guò)程中常壓等離子體的穩(wěn)定性。以上水冷裝置也可以用于油冷或氣體冷卻。(4)陰極陽(yáng)極的基體材料均為鋁，在其安裝定位上，采用了可加工陶瓷制作的螺母，它不但絕緣性好，而且耐高壓。同時(shí)，還通過(guò)微弧氧化的方法，在陽(yáng)極5的外表面形成有一層Al2O3薄膜，有效地抑制了電極間的拉弧現(xiàn)象，極大地提高了等離子體炬的整體性能。(5)采用射頻電源及配套的射頻匹配器。此電容耦合式常壓等離子體炬的結(jié)構(gòu)決定了通過(guò)射頻電源放電產(chǎn)生非熱平衡常壓等離子體，從而激發(fā)出高能活性粒子為最佳方案。通過(guò)射頻電源放電產(chǎn)生非熱平衡常壓等離子體(Non-thermalatmospheric pressure plasma)。針對(duì)Si，SiC等材料的加工，反應(yīng)氣體根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的原理選擇。在保證化學(xué)反應(yīng)可進(jìn)行的同時(shí)，反應(yīng)生成物應(yīng)當(dāng)易于排出，不會(huì)對(duì)加工表面造成新的污染。本例中，工作氣體主要包括He和少量的反應(yīng)氣體，如CF4等。反應(yīng)氣體成份與比例，反應(yīng)氣體流速等參數(shù)對(duì)等離子體中活性粒子密度和能量均有較大影響，反應(yīng)氣體配比的微小變化都會(huì)對(duì)等離子體放電狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，甚至可能造成等離子體放電過(guò)程的終止，因此應(yīng)精確控制。工作氣體由進(jìn)氣接頭3進(jìn)入兩電極間的腔體(工作腔15)。在工作狀態(tài)下，通過(guò)流量控制器實(shí)現(xiàn)參與反應(yīng)的各氣體成分的精確控制。在等離子體的作用下，這些反應(yīng)氣體形成大量高活性的激發(fā)態(tài)粒子，并由出口吹向工件表面。在拋光過(guò)程中，活性粒子將被光學(xué)零件表面原子所吸附并與之反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物隨不斷流動(dòng)的常壓等離子體排走，從而實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的材料去除。
權(quán)利要求
1.一種用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，它由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)、進(jìn)氣接頭(3)、陰極水冷接頭一(4)、陽(yáng)極(5)、陰極(6)、陰極水冷接頭二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、連接體(11)和密封座(12)組成，其特征在于陰極(6)與外套(9)固定連接，陰極(6)的外壁與外套(9)的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間(13)，陰極水冷接頭一(4)固定在外套(9)一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陰極水冷接頭二(8)固定在外套(9)另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陶瓷螺母(10)的右端與陰極(6)的左端固定連接，連接體(11)的右端與陶瓷螺母(10)的左端固定連接，陽(yáng)極(5)的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極(5)中間的臺(tái)肩固定在連接體(11)和陶瓷螺母(10)內(nèi)，陽(yáng)極(5)的右端設(shè)置在陰極(6)內(nèi)，陽(yáng)極(5)的外壁與陰極(6)的內(nèi)壁之間形成工作腔(15)，陰極(6)的右端設(shè)有出口(7)，進(jìn)氣接頭(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并與陶瓷螺母(10)內(nèi)的進(jìn)氣通道(14)相連通，陶瓷螺母(10)內(nèi)的進(jìn)氣通道(14)與陽(yáng)極(5)和陰極(6)之間的工作腔(15)相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)設(shè)置在陽(yáng)極(5)的內(nèi)腔(16)內(nèi)，密封座(12)固定在陽(yáng)極(5)的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)的左端固定在密封座(12)的中心處并與外界相通，連接體(11)內(nèi)設(shè)有冷卻水通道(2)，冷卻水通道(2)的里端與陽(yáng)極(5)的內(nèi)腔(16)相連通，冷卻水通道(2)的外端與外界相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于陰極(6)的出口(7)為內(nèi)口大外口小的圓錐臺(tái)形(17)，陽(yáng)極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的圓錐臺(tái)形(17)相對(duì)應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于陰極(6)的出口(7)為直口形(18)，陽(yáng)極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的直口形(18)相對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于陰極(6)的出口(7)為外口大內(nèi)口小的喇叭形(19)，陽(yáng)極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的喇叭形(19)相對(duì)應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于陰極(6)和陽(yáng)極(5)的基體材料均為鋁，在陽(yáng)極(5)的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
6.一種用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，它由陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)、進(jìn)氣接頭(3)、陰極水冷接頭一(4)、陽(yáng)極(5)、陰極(6)、陰極水冷接頭二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、連接體(11)、密封座(12)和端蓋(20)組成，其特征在于陰極(6)與外套(9)固定連接，陰極(6)的外壁與外套(9)的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間(13)，陰極水冷接頭一(4)固定在外套(9)一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陰極水冷接頭二(8)固定在外套(9)另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陶瓷螺母(10)的右端與陰極(6)的左端固定連接，連接體(11)的右端與陶瓷螺母(10)的左端固定連接，陽(yáng)極(5)的左端通過(guò)螺紋及陽(yáng)極(5)中間的臺(tái)肩固定在連接體(11)和陶瓷螺母(10)內(nèi)，陽(yáng)極(5)的右端設(shè)置在陰極(6)內(nèi)，陽(yáng)極(5)的外壁與陰極(6)的內(nèi)壁之間形成工作腔(15)，進(jìn)氣接頭(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并與陶瓷螺母(10)內(nèi)的進(jìn)氣通道(14)相連通，陶瓷螺母(10)內(nèi)的進(jìn)氣通道(14)與陽(yáng)極(5)和陰極(6)之間的工作腔(15)相連通，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)設(shè)置在陽(yáng)極(5)的內(nèi)腔(16)內(nèi)，密封座(12)固定在陽(yáng)極(5)的左端口內(nèi)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)的左端固定在密封座(12)的中心處并與外界相通，連接體(11)內(nèi)設(shè)有冷卻水通道(2)，冷卻水通道(2)的里端與陽(yáng)極(5)的內(nèi)腔(16)相連通，冷卻水通道(2)的外端與外界相通，端蓋(20)與外套(9)的右端螺紋連接，端蓋(20)的中部開(kāi)有出口(27)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于端蓋(20)的出口(27)為內(nèi)口大外口小的圓錐臺(tái)形(21)，陽(yáng)極(5)的右端與端蓋(20)的出口(7)的圓錐臺(tái)形(21)相對(duì)應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于端蓋(20)的出口(27)為直口形(22)，陽(yáng)極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的直口形(22)相對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于端蓋(20)的出口(27)為外口大內(nèi)口小的喇叭形(23)，陽(yáng)極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的喇叭形(23)相對(duì)應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6、7、8或9所述的用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特征在于陰極(6)和陽(yáng)極(5)的基體材料均為鋁，在陽(yáng)極(5)的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
全文摘要
用于超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，它涉及一種等離子體拋光設(shè)備。本發(fā)明的目的是為解決常規(guī)的機(jī)械式研拋方法在碳化硅等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷和現(xiàn)有的平行板式等離子體拋光方法中存在的加工痕跡難以消除，以及感應(yīng)耦合式等離子體炬存在的內(nèi)炬管易腐蝕，成本高，系統(tǒng)的維護(hù)性不好等問(wèn)題。本發(fā)明陰極(6)的外壁與外套(9)的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間(13)，陽(yáng)極水冷導(dǎo)管(1)設(shè)置在陽(yáng)極(5)的內(nèi)腔(16)內(nèi)。本發(fā)明不需要真空室，本發(fā)明加工效率約是傳統(tǒng)拋光方法的10倍。不會(huì)像真空等離子體那樣對(duì)超光滑表面造成表面損傷、亞表層損傷和表面污染，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)零件的高效率高質(zhì)量加工。
文檔編號(hào)B24B1/00GK1864921SQ20061001015
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者王波, 張巨帆, 張龍江, 王浪平, 董申 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)