УСТАНОВКА ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ
ION-PLASMA PROCESSING UNIT

Изобретение относится к вакуумным пучково-плазменным технологиям и может быть использовано для модификации поверхностного (приповерхностного) слоя различных пространственных объемных изделий, наприме, кардиоимплантатов в виде зонтичных устройств (окклюдеров) для улучшения их, например, биосовместимых, коррозионно-стойких, нетоксичных свойств перед их имплантаций в организм человека.
Известное устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники (RU 2277934, A61L 2/00, A61L 2/14, опубл. 20.06.2006) содержит источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру. В стенке вакуумной камеры выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов. В торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей для обрабатываемых изделий. Каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры для обрабатываемых изделий. Известное устройство позволяет при более высокой производительности проводить равномерное ионное легирование (ионную имплантацию) поверхностного слоя множества одновременно обрабатываемых изделий с достижением необходимой глубины проникновения и концентрации имплантированных ионов.
Недостатком известного устройства является невозможность получения чистого вакуума, так как при смене обрабатываемых изделий в рабочую камеру при напуске атмосферного воздуха попадают пары воды, газов и других веществ, адсорбирующихся в камере и принимающих участие в имплантации поверхности медицинских изделий, что может вызвать осложнения после имплантации их во внутренние органы человека.
Недостатком известного устройства также является невозможность охвата ионной имплантацией всей поверхности пространственных изделий, что обусловлено двумя степенями свободы, причем вращение происходит вокруг параллельных осей, что еще более сужает возможности устройства.
Наиболее близким по технической сущности является плазменная установка "Яшма-3" (Приборы и техника эксперимента. 2004 г., №4, стр. 137-141; сайт Лаборатории 23 НИИЯФ ТПУ), содержащая реверсивную камеру; рабочую камеру; ионный имплантер; регуляторы расхода газа; вакуумный затвор; шлюзовую камеру; нижний и верхний источники света; монохроматор; фотоэлектрический усилитель (ФЭУ); трехгранный магнетрон; преобразователь частоты системы сканирования; затвор вакуумный электромеханический; турбомолекулярные высоковакуумные насосы.
Недостатком известной установки является наличие только одной степени свободы - перемещения рабочего стола вдоль продольной оси установки, что обеспечивает обработку только одной поверхности и не подходит для ионной имплантации всей поверхности пространственных (объемных) изделий.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка установки ионно-плазменной обработки изделий, преимущественно пространственной (объемной) формы.
Предлагаемая установка позволит обрабатывать изделия, например кардиоимплантаты в виде устройств зонтичных (окклюдеров) объемной формы, например, потоками ионов кремния с целью модификации их поверхностного слоя для улучшения их, например, биосовместимых свойств путем получения заданной структуры и состава химических элементов приповерхностного слоя изделий.
Также предлагаемая установка расширяет ассортимент известных устройств аналогичного назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемая установка, как и известная, содержит рабочую камеру с источником ионов (имплантером), причем рабочая камера имеет три зоны: две реверсивные и посередине рабочую зону; шлюзовую камеру, при этом шлюзовая камера может быть отделена от рабочей вакуумным затвором; систему вакуумирования, систему прогрева и охлаждения рабочей и шлюзовых камер, пневмосистему, систему управления и систему электропитания.
Новым является то, что установка содержит систему позиционирования обрабатываемых изделий, состоящую: из механизма перемещения рабочего стола, выполненного с возможностью перемещения по направляющим рабочей и шлюзовой камер; каретки с тросовым приводом перемещения, механизмом зацепления и механизмом расцепления с рабочим столом, при этом тросовый привод перемещения состоит из барабана для намотки троса, направляющих блоков, вала, на котором барабан закреплен стяжными хомутами в положении, обеспечивающим наименьшее отклонение ветвей троса при его перематывании, причем вал барабана закреплен в двух радиально-сферических подшипниках, расположенных вне вакуумной зоны, с реверсивным электромеханическим приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное движение рабочего стола, на котором расположены несколько вертикальных шпинделей со звездочками, соединенными между собой замкнутой цепью, а один из шпинделей с нижней стороны рабочего стола оснащен звездочкой или шестерней, которая выполнена с возможностью при движении стола катиться по закрепленной на основании рабочей камеры рейке, на которой расположена цепь или соответственно зубчатая рейка, и вращать вертикальные шпиндели стола, в посадочные отверстия которых установлены легкосъемные поводки, на которые установлены малые шпиндели, выполненные с возможностью при вращении вертикальных шпинделей катиться своим шкивом по поверхности стола и вращаться вместе с установленными на них изделиями вокруг собственной оси, наклоненной под углом к поверхности стола.
Кроме того, шлюзовая камера имеет загрузочную дверцу, выполненную с возможностью при ее открытии поворачивать дверцу вокруг двух цапф, расположенных на горизонтальной оси ниже загрузочной дверцы на боковых планках и перемещать их (цапфы) по «C»-образным пазам, причем при открытии-закрытии они (цапфы) расположены в нижних горизонтальных пазах, а при перемещении цапф вверх по вертикальным пазам и переводе их в верхние горизонтальные пазы и закреплении укосин внутренняя плоскость загрузочной дверцы (в этом положении) становится продолжением плоскости дна шлюзовой камеры, при этом на расположенные на ней направляющие из шлюзовой камеры возможно выкатывать рабочий стол, который после замены обрабатываемых изделий возможно легко перемещать внутрь шлюзовой камеры.
Кроме того, каретка выполнена с возможностью перемещения рабочего стола в сторону шлюзовой камеры двумя подпружиненными упорами, а в обратную сторону зацепом, выполненным в виде крюка с наклонной передней гранью, служащей для автоматического зацепления с планкой рабочего стола.
Кроме того, механизм расцепления с рабочим столом содержит шатунно-кривошипный механизм с ползуном, выполненный с возможностью при его (ползуна) движении навстречу каретке отжимать зацеп вниз за его передний скос и отделять зацеп от рабочего стола верхней пластиной ползуна, а при движении каретки от шлюзовой камеры рабочий стол остается в шлюзовой камере, так как зацеп выполнен с возможностью скользить по внутренней поверхности ползуна и освобождаться позади стола вне зоны зацепления с рабочим столом.
Предлагаемая установка ионно-плазменной обработки (УИПО) изделий представляет собой блок камер, установленный на трубчатый каркас. Блок камер собран в следующем порядке: шлюзовая камера, вакуумный затвор, рабочая камера с передней реверсивной, активной и задней реверсивной зонами (камерами). Все камеры имеют водяные рубашки для нагрева и охлаждения их. Нагрев и охлаждение камер осуществляется автоматически по программе, управляющей рабочим циклом от включения до остановки УИПО. Нагрев и охлаждение камер необходимы для получения более глубокого вакуума, что повышает качество обрабатываемых изделий.
Камеры выполняют следующие функции.
Шлюзовая камера служит для загрузки и выгрузки в установку обрабатываемых деталей при сохранении высокого вакуума в рабочей зоне. Загрузочная дверца шлюзовой камеры открывается вокруг горизонтальной оси. Она может быть опущена вниз, а при загрузке и выгрузке деталей занимает горизонтальное положение так, что образует продолжение основания шлюзовой и рабочей камер. На внутренней поверхности загрузочной дверцы расположены продолжения направляющих рабочего стола, на которые он может перемещаться, что сокращает время на перезагрузку. Сверху на шлюзовой камере устанавливается турбомолекулярный насос с затвором, клапаны вакуумной системы, обеспечивающие форвакуумную и высоковакуумную откачку шлюзовой камеры. В нижней части шлюзовой камеры располагается механизм расцепления рабочего стола и каретки.
Вакуумный затвор сохраняет высокий вакуум в рабочей камере при атмосферном или форвакуумном давлении в шлюзовой камере.
Передняя реверсивная зона рабочей камеры служит для выведения обрабатываемых изделий из зоны воздействия пучка ионного источника. Это необходимо для получения равномерной обработки всех изделий. Сверху передней реверсивной зоны рабочей камеры устанавливается главный турбомолекулярный насос с затвором и арматурой для подключения форвакуумного насоса.
Далее следует активная зона рабочей камеры, где непосредственно и происходит ионная имплантация. Сверху активной зоны рабочей камеры устанавливается источник ускоренных ионов, например кремния (имплантер) с энергией от 30 до 100 кэВ.
Рабочая камера завершается задней реверсивной зоной, которая помимо выведения обрабатываемых изделий из активной зоны служит местом размещения привода перемещения каретки. Заканчивается блок камер дверцей, предназначенной для ремонтно-профилактического обслуживания. Устанавливается блок камер на каркас из квадратных труб или стального проката. Внутри каркаса устанавливаются мало шумящие форвакуумные насосы, система подогрева воды и комплект клапанов для автоматического переключения горячей и холодной воды (от постороннего источника).
В УИПО входят также следующие системы: вакуумная система, система перемещения и позиционирования обрабатываемых деталей с механизмом зацепления, механизмом расцепления рабочего стола и каретки, система нагрева и охлаждения рабочей и шлюзовых камер, пневматическая система, система управления и система электропитания.
Установка ионно-плазменной обработки иллюстрируется фигурами 1-10.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой установки, на котором: рабочая камера - 1, источник ионов (имплантер) - 2; шлюзовая камера - 3; вакуумный затвор - 4.
На фиг. 2 отмечены зоны рабочей камеры: активная зона - 1а, передняя реверсивная зона - 1б, задняя реверсивная зона - 1в, источник ионов (имплантер) - 2; шлюзовая камера - 3; вакуумный затвор - 4.
На фиг. 3 представлена система позиционирования с механизмом перемещения, на котором рабочий стол - 5, направляющие рабочей камеры - 6, направляющие шлюзовой камеры - 7; каретка с тросовым приводом - 8, механизм зацепления - 9, механизм расцепления - 10, барабан - 11, направляющие блоков - 12, вал - 13, реверсивный электромеханический привод - 14, рабочая рейка - 19, цепь - 20.
На фиг. 4 представлены: вертикальные шпиндели - 15, рабочий стол - 5.
На фиг. 5 представлены: звездочки - 16, замкнутая цепь - 17.
На фиг. 6 представлены: нижняя звездочка - 18, планка рабочего стола - 31.
На фиг. 7 представлены: легкосъемные вильчатые поводки - 21, малые шпиндели - 22, на которые устанавливают обрабатываемые изделия.
На фиг. 8,а представлены: загрузочная дверь - 23, шлюзовая камера - 3, цапфы - 25, планки с «С»-образные пазами - 26, планки укосин - 27, направлявшие шлюзовой камеры - 7, направляющие загрузочной двери - 28.
На фиг. 8,б представлены: загрузочная дверь - 23, смотровое окно - 24.
На фиг. 9 представлены: каретка - 8, подпружиненные упоры - 29, зацеп - 30
На фиг. 10 представлены: шатунно-кривошипный механизм - 32, ползун - 33, рукоятка - 34, приводящая в действие весь механизм.
Предлагается установка работает следующим образом.
Исходное положение - в рабочей зоне (1а) высокий вакуум; вакуумный затвор (4) закрыт, дверца (23) шлюзовой камеры (3) в положении приемного столика, рабочий стол (5) на приемном столике.
Устанавливаются легкосъемные вильчатые поводки (21) в шпиндели (15) рабочего стола, на них устанавливаются малые шпиндели (22) и обрабатываемые изделия, например устройства зонтичные (окклюдеры). Рабочий стол (5) перемещается в шлюзовую камеру (3). Закрывается дверца (23) шлюзовой камеры (3). В шлюзовой камере (3) достигается высокий вакуум, вакуумный затвор (4) открывается и рабочий стол (5) перемещается в рабочую зону (1а), где совершает возвратно-поступательные движения под контролем датчиков положения. Количество проходов определяется технологическим процессом и задается в программе. В процессе перемещения рабочего стола (5), на котором расположены несколько вертикальных шпинделей (15) со звездочками (16), соединенными между собой замкнутой цепью (17), если их больше одного. Один из шпинделей (ведущий) с нижней стороны стола оснащен звездочкой (18) или шестерней, которая при движении стола катится по закрепленной на основании камеры рейке (19). На ней расположена цепь (20) или, соответственно, зубчатая рейка, которая приводит во вращение шпиндели (15) стола. В посадочные отверстия с пазом сначала устанавливают легкосъемные поводки (21), на которые затем устанавливают малые шпиндели (22). При вращении вертикальных шпинделей (15) они катятся своим шкивом по поверхности рабочего стола (5) и вращаются вместе с установленными на них изделиями вокруг собственной оси, наклоненной под углом к поверхности рабочего стола.
Таким образом, обрабатываемые изделия совершают:
- продольное перемещение с рабочим столом,
- орбитальное вращение вокруг оси вертикального шпинделя,
- и вокруг собственной наклонной оси,
занимая оптимальное положение относительно пучка и обеспечивая наиболее равномерную обработку всей поверхности обрабатываемого изделия.
При необходимости, для более полного воздействия на все участки поверхности обрабатываемых изделий малые шпиндели (22) могут заменяться другими, которые позволяют позиционировать обрабатываемые изделия иным образом, для достижения необходимого результата, то есть провести обработку изделия с нескольких установок.
После завершения обработки рабочий стол (5) переводится в шлюзовую камеру (3), производится расцепление его с кареткой (8), которая отводится в заднее положение. Вакуумный затвор (4) закрывается, следует напуск воздуха в шлюзовую камеру (3). Дверца (23) шлюзовой камеры (3) открывается и переводится в положение загрузочного столика. Обработанные изделия заменяются на необработанные.
В конструкции УИПО предусмотрены блокировки на случаи ошибочных команд, которые могут привести к нарушению технологического процесса и другим нежелательным последствиям.