ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМОЙ С НАЛОЖЕННЫМ СВЧ ПОЛЕМ

Полезная модель относится к устройствам для модификации поверхностей и приповерхностных слоев деталей, выполненных из металлов, сплавов, полупроводников, а также синтеза новых материалов, плазмохимической обработки и нанесения на поверхность тонких пленок и может найти применение в машиностроении, металлургии, полупроводниковой промышленности при изготовлении изделий с модифицированными слоями различного назначения.
Известно устройство для модификации металлических поверхностей, которое содержит реакционную камеру, снабженную средством позиционирования обрабатываемого объекта, входом для потока рабочего газа и входом для лазерного излучения, источник рабочего газа, средство формирования потока рабочего газа в реакционной камере, импульсно-периодический лазер и средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча, выполненное с возможностью направления лазерного луча на модифицируемую поверхность объекта [Патент РФ №2425907, МПК C23C 4/12, C23C 16/48, C23C 16/513]. Недостатком этого устройства является низкая удельная энергия взаимодействия ионов плазмы с модифицируемой поверхностью, которая составляет величину не более нескольких электрон-вольт на ион, что не позволяет в полной мере использовать заявленные преимущества.
Известен способ обработки поверхности изделий из металлов и сплавов концентрированными потоками энергии с целью улучшения их эксплуатационных характеристик путем облучения импульсным электромагнитным излучением СВЧ диапазона с плотностью потока мощности на образце 10 Вт/см и более. Так же, как и при воздействии мощными ионными пучками, наблюдается увеличение микротвердости, коррозионной стойкости и повышение износостойкости [Патент РФ №2078149, МПК C23F 3/00]. Недостатками предложенного способа обработки являются облучение с низким уровнем локализации СВЧ излучения, который, в лучшем случае, определяется длинной волны СВЧ излучения, а также небольшой коэффициент использования СВЧ энергии в силу высокой отражательной способности проводящих поверхностей, что в конечном итоге определяет высокие удельные затраты с точки зрения как энергетики, так и организации безопасной работы.
Известен СВЧ плазменный реактор для плазменного парофазного химического осаждения пленок, который содержит осесимметричную герметичную рабочую камеру в виде цилиндра, соосно расположенную в центральной его части платформу, образующую с внутренней торцевой стороной рабочей камеры радиальный волновод, центральная часть которого является резонатором, источник СВЧ энергии, прямоугольный и цилиндрический коаксиальный волноводы, диэлектрическое окно, герметично отделяющее рабочую камеру, и конусообразный коаксиальный волновод [Патент РФ №2299929, МПК C23C 16/513, H01F41/22]. Основание внутреннего конуса конусообразного коаксиального волновода сопряжено с платформой, основание его внешнего конуса в общей плоскости с основанием его внутреннего конуса - с цилиндрической стенкой рабочей камеры. Диэлектрическое окно выполнено из прозрачного для СВЧ волны диэлектрика и установлено в коаксиальном конусообразном волноводе соосно с ним. Недостатком этого устройства является невозможность обработки с его помощью больших площадей.
Полезная модель решает задачу создания технологической головки для вневакуумной лазерно-плазменной обработки поверхностей деталей при совмещенном воздействии на поверхность лазерной плазмы и СВЧ поля, которое позволяет локализовать наибольшую плотность энергии электрического СВЧ поля в области инициированной лазерным лучом плазмы, при обеспечении возможности обработки поверхностей больших площадей, с оперативной подстройкой собственной частоты резонатора технологической головки с инициированной в нем лазерной плазмой путем изменения размера щели, а также возможности исключения потери на СВЧ поле путем выполнения щели в виде элемента четвертьволнового дросселя.
Поставленная задача решается тем, что предлагается технологическая головка для обработки поверхности лазерной плазмой с наложенным СВЧ полем, содержащая корпус, в котором выполнены: технологический канал для ввода лазерного излучения и рабочего газа, тороидальная полость, открытая со стороны нижней плоскости корпуса, в которой размещено средство ввода СВЧ поля, и дроссельная проточка в виде кольцеобразной выемки, открытой со стороны нижней плоскости корпуса и расположенной на расстоянии от края тороидальной полости, равном  длины волны вводимого СВЧ поля, и с глубиной, равной  длины волны вводимого СВЧ поля, причем ось симметрии дроссельной проточки совпадает с осью симметрии технологического канала.
Узел ввода СВЧ поля может быть выполнен в виде поворотной втулки и петли, размещенной в тороидальной полости корпуса и с длиной, равной  длины волны вводимого СВЧ поля.
Корпус технологической головки может иметь муфту крепления для связи с механизмом регулировки зазора устройства для обработки поверхности лазерной плазмой с наложенным СВЧ полем.
Технологическая головка может иметь поглощающее кольцо, вмонтированное в корпус со стороны его нижней плоскости с частичным перекрытием входа дроссельной проточки.
Технологический канал для лазерного излучения и рабочего газа может быть выполнен сужающимся в направлении от входа к выходу.
На фиг. 1 изображена предлагаемая технологическая головка, где:
1 - корпус головки;
2 - технологический канал;
3 - тороидальная полость;
4 - узел ввода;
5 - узел контроля;
6 - дроссельная проточка;
7 - поглощающее кольцо;
8 - муфта крепления к механизму регулировки зазора;
9 - проводящая поверхность;
10 - сквозная щель;
11 - лазерное излучение;
12 - поток рабочего газа;
13 - рабочий зазор;
14 - приповерхностная лазерная плазма;
15 - элемент дросселя;
16 - петля связи ввода;
17 - поворотная втулка;
18 - петля связи контроля.
Корпус технологической головки 1 включает технологический канал 2, тороидальную полость 3, узлы ввода 4 и контроля 5 СВЧ поля, дроссельную проточку 6, поглощающее кольцо 7 и муфту крепления к механизму регулировки зазора 8.
Работа технологической головки предполагает наличие плоской проводящей поверхности 9, отделенной от корпуса головки сквозной щелью 10. Через технологический канал 2 подается сфокусированное лазерное излучение 11 и поток рабочего газа 12, с помощью которых в области рабочего зазора 13 создается лазерная плазма 14. Для предотвращения потерь электромагнитного излучения через сквозную щель 10 расстояние между тороидальной полостью и дроссельной проточкой вдоль щели выбрано равным четверти длины волны, так что эта часть сквозной щели выполняет функцию элемента дросселя 15. Вторым элементом четвертьволнового дросселя является дроссельная проточка 6 глубиной в четверть длины волны подводимой СВЧ мощности и образующая со сквозной щелью 10 прямой угол. В корпусе головки, вблизи края сквозной щели 10, частично перекрывая дроссельную проточку 6, установлено поглощающее кольцо 7, на котором выделяется энергия, прошедшая через образованное элементом дросселя 15 и дроссельной проточкой 6 дроссельное соединение. Поступление в тороидальную полость 3 электромагнитной энергии осуществляется через узел ввода 4, включающий петлю связи 16 и поворотную втулку 17. Контроль энергии электромагнитного поля в тороидальной полости 3 осуществляется при помощи аналогичного узла контроля 5 с петлей связи контроля 18.
Технологическая головка работает следующим образом.
Сфокусированное лазерное излучение 11 и поток рабочего газа 12 через технологический канал 2 направляется на проводящую поверхность 9, формируя в рабочем зазоре 13 приповерхностную лазерную плазму 14. В качестве проводящей поверхности может служить как поверхность самой обрабатываемой детали, так и подложка, на которой размещается обрабатываемая пластина из непроводящего или слабо проводящего материала толщиной меньше величины рабочего зазора 13. С регулируемой задержкой относительно импульса лазерного излучения осуществляется ввод электромагнитного СВЧ поля через узел ввода 4, петля связи 16 которого в тороидальной полости 3 возбуждает кольцевое магнитное поле. Переменное магнитное поле на поверхности тороидальной полости 3 возбуждает электрические токи, которые создают переменное электрическое поле в рабочем зазоре 13, где инициирована приповерхностная лазерная плазма 14. В результате действия электрического поля возникает электрический ток в плазме, который приводит к перераспределению пространственного заряда и формированию между лазерной плазмой 14 и проводящей поверхностью 9 дополнительного падения напряжения, которое может существенно превышать выраженную в единицах электрического потенциала температуру плазмы, что в конечном итоге приводит к увеличению энергии идущих на поверхность ионов и росту эффективности взаимодействия лазерной плазмы с обрабатываемой поверхностью. Вращение поворотной втулки 17, оканчивающейся петлей связи 16, позволяет согласовать цепи внешнего СВЧ тракта с тороидальным резонатором, образованным тороидальной полостью 3 и проводящей поверхностью 9. Поскольку появление лазерной плазмы, в силу ее высокой проводимости, изменяет эффективный размер рабочего зазора, определяющего величину укороченной емкости тороидального резонатора, то предусмотрен механизм оперативной регулировки рабочего зазора, позволяющий подстраивать собственную частоту резонатора, оставляя ее для выбранной фазы формирования лазерной плазмы близкой к частоте внешнего источника. Кроме того, наличие щели обеспечивает свободное перемещение корпуса головки 1 вдоль проводящей поверхности 9, благодаря чему можно менять локализацию лазерной плазмы с наложенным на нее электрическим полем, что дает возможность обрабатывать поверхности большой площади. Четвертьволновой дроссель, образованный частью щели (элементом дросселя 15) и перпендикулярной к ней дроссельной проточкой 6, вместе с поглощающим кольцом 7, существенно уменьшают потери на излучение через сквозную щель 10, позволяя сформироваться в резонаторе устойчивым колебаниям достаточной амплитуды, одновременно исключая облучение персонала выше допустимой нормы.
Устройство позволяет обрабатывать поверхности деталей как из проводящего, так и непроводящего материалов. В последнем случае это может быть пластина, размещенная на проводящей поверхности, с толщиной не более величины рабочего зазора.
13
17
-3
Технологическая головка создавалась для осуществления лазерно-плазменных технологий с плотностью приповерхностной плазмы порядка 10-10 см, однако она может использоваться в любых других технологиях промышленного производства, основанных на применении микроволновых источников энергии дециметрового или сантиметрового диапазонов, где требуется локализация СВЧ воздействия на обрабатываемую поверхность, с масштабами, существенно меньшими длины волны внешнего источника.
Головка локализует область ввода СВЧ энергии, Объединяя собой воздействие приповерхностной лазерной плазмы и СВЧ поля на обрабатываемый образец. Поскольку для работы технологической головки не требуется размещения обрабатываемого изделия в вакуумный объем, это дает возможность осуществлять технологический процесс при атмосферном давлении. В предлагаемой технологической головке поверхность обрабатываемой детали является составной частью резонаторной полости и отделена от ее корпуса сквозной щелью; в процессе обработки поверхности детали корпус технологической головки перемещается вдоль обрабатываемой детали. Это позволяет обрабатывать большие площади и легко встраивать лазерно-плазменный модуль модификации поверхности в существующие технологические линии.