陰極等離子源對太陽選擇性吸收涂層金屬基材表面清潔的研究

威海藍膜光熱科技有限公司 ■ 陳剛 裴宏偉 祝明

0 引言

現今，隨著我國全面建設小康社會目標的不斷推進，傳統能源的弊端日益凸顯，霧霾、酸雨現象頻現，再加之各地能源供給緊張，嚴重影響了國民健康及國家發展。太陽能作為大自然饋贈給人類的清潔能源，日益受到關注。特別是在太陽能光熱領域，太陽能集熱器、太陽能熱發電等技術不斷得到發展與完善，正日益改善著人們的生活。太陽選擇性吸收涂層作為光熱利用的關鍵薄膜涂層，越來越受到重視，若要得到高質量的太陽選擇性吸收涂層，基材的清潔處理至關重要，因其直接關系到涂層的使用壽命。傳統的基材清洗方式主要是采用酸堿洗劑的刷洗，容易因化學試劑的殘留而造成基材的二次污染，為此，我公司進一步研發出了等離子源清潔技術，提高了基材表面的清潔程度。

等離子源是使氣體中的中性原子或分子發生電離，并從中引出等離子源電子束的裝置。而等離子源電子束在真空鍍膜中的一項重要應用就是對鍍膜基體進行真空內在線清潔處理。采用等離子源電子束清潔，可在無外部環境污染的條件下對鍍膜基材表面殘留的水分子、碳氫化合物分子進行高能激發，使其脫離被鍍基體或在高能條件下發生分解反應，進而提高基體表面的清潔程度。同時，由于高能粒子的激發作用，基體表面分子處于一種受激的活躍狀態，其表面勢能得到明顯提升，使鍍膜材料能夠更好地與基材表面結合，提高其分子間范德華力，在特殊膜系中，其薄膜本身的硬度與耐磨耐蝕特性也會得到改善。本文主要研發出一種適用于大型基材的、具有匯聚作用的新型等離子源，以改善太陽選擇性吸收涂層基材鍍膜前的清潔狀態及表面活性。

1 實驗原理

本研究主要利用磁控濺射原理及磁場對電子的束縛作用，配合電磁場壓縮作用，制造出一種陰極等離子源，并且該陰極等離子源的工作壓強可在10-4～10-3Torr (1 Torr=133.322 Pa)之間，其放電電壓在100 V左右。

2 實驗過程

為使太陽選擇性吸收涂層獲得更好的膜層結合力，本文主要研究一種可以清洗太陽選擇性吸收涂層基材的陰極等離子源。此研究主要是在真空磁控濺射陰極的基礎上，探究如何利用電磁場壓縮理論來改善放電條件；并在放電條件得到改善的基礎上，通過研發等離子源電子束匯聚導出結構，得到高能匯聚等離子源電子束，以便清洗太陽選擇性吸收涂層基材。

本文在本底值為9.2×10-6Torr時進行了3次實驗：實驗1為標準磁控陰極放電實驗；實驗2是在實驗1的基礎上利用電磁場壓縮原理來改善真空放電條件；實驗3是在實驗2的基礎上獲得高能匯聚等離子源電子束，以便在真空下對基材進行清洗。

2.1 實驗1

制作標準磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場為230～250 Gs，除正面磁場可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用標準的120 mm，如圖1所示。在不同真空度條件下，對實驗裝置分別充入50、70、90、110 sccm的氬氣，以形成不同的等離子體，并觀察其放電現象。

圖1 標準磁控陰極實驗示意圖

電源功率為0.5 kW時，實驗1參數如表1所示。

表1 實驗1參數

由表1可知，在標準磁控濺射條件下，充入氬氣后，當真空度低于9.8×10-4Torr時，電壓極大，無法起輝光；當真空度大于或等于9.8×10-4Torr時，陰極起輝，且輝光穩定，起輝電壓在240 V左右，起輝電流為2 A。由此可知，當真空度大于或等于9.8×10-4Torr時，無論是電壓，還是電流，均處于標準磁控濺射范圍內，輝光處于陰極表面附近。

2.2 實驗2

如圖2所示，制作標準磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場為230～250 Gs，除正面磁場可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用標準的120 mm，陰極四周采用凸起結構，L1為磁場壓縮寬度。該架構的目的是利用電磁場壓縮原理來改善放電條件。在相同真空度條件下往實驗裝置充入90 sccm的氬氣，在電源功率為0.5 kW時進行放電實驗。

圖2 磁場壓縮實驗示意圖

實驗2參數如表2所示。

表2 實驗2參數

由表2可知，隨著L1的增大，整個實驗裝置的放電電壓在逐步降低，放電電流逐步增大，即電子在裝置內得到匯聚，使得裝置更容易放電。由此可見，電子的匯聚是由凸起引起的。裝置中的凸起結構的目的是為了在裝置周邊構成一個小的負電位等勢場，該等勢場同陰極處于同一電位水平，當磁控濺射陰極開始激發等離子濺射時，其空間內的原子被大量電離，電子在磁場的作用下進行螺旋運動，從而造成“雪崩”效應，進入二次放電階段。但陰極區域電離產生的電子在等電位凸起部位，由于其受到負電位的排斥作用而將此區域的電子進行向內螺旋壓縮，這就造成陰極中心區域出現高密度電子群，該區域內電子與氣體碰撞概率加大，使放電條件得到改善。

當L1在30 mm以內時，其壓縮的電子無法進入到磁感線范圍內，其壓縮的電子并未獲得充分的二次碰撞機會(如圖3所示) ，此時放電電壓基本保持在240 V左右，依舊屬于標準磁控濺射范圍內。

圖3 L1＜30 mm時的輝光效果圖

如圖4所示，當L1在30～40 mm時，部分被壓縮的電子開始有切割磁感線的趨勢，該趨勢破壞了原有的放電條件，此時輝光出現不穩定狀態，有向兩邊散射趨勢，該趨勢可理解為輝光線路上獲得了密度更高的電子，而放電電壓開始逐漸下降。由此可見，在不改變真空環境的條件下，放電條件得到改善。

當L1在50～60 mm時，此時被壓縮進入磁場范圍內的電子增多，原有在陰極附近的輝光完全消失，出現兩條明顯向外發射的輝光，且輝光較為穩定。該輝光可以看作是由于壓縮區間電子密度急劇上升引起的，此時放電電壓降低到110 V左右。可見，放電條件得到明顯改善，且放電電壓低于磁控濺射的電壓，即可稱其為“類磁控濺射”。

圖4 L1≥30mm時的輝光效果圖

2.3 實驗3

圖5 陰極等離子源裝置示意圖

如圖5所示，制作標準磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場為230～250 Gs，除正面磁場穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料；基距L采用標準的120 mm，陰極四周采用凸起結構，凸起上設有觀察窗，以便觀察內部放電情況；陰極前端采用屏蔽材料覆蓋，且中間開有5 mm空隙；基材置于陰極前端，且處于陽極電位；基材后安裝磁鐵，其表磁強度為200～220 Gs(除正面磁場穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料)；在電源功率為0.5 kW時，90 sccm氬氣直接通入陰極內部。

該實驗的目的是將陰極產生的電子大量匯聚到基材表面，通過高能電子束達到清潔基材表面、提高表面材料活性的目的。

實驗3參數如表3所示。

表3 實驗3參數

在實驗3中，當在陰極前部安裝屏蔽罩板后，類磁控濺射產生的濺射物質很難從陰極內沉積到基材上，同時由于外部磁場的引入，使得內部向內聚集的等離子束只能通過孔隙向陽極基材涌出，而外部磁場起到對等離子體的束縛作用，如圖6所示。

在氫氣中通入一定的氧氣，氧氣分子在等離子體作用下成為激活的氧分子或原子氧，活性氧與基材表面的油(碳－氫分子)作用，形成易揮發物，如二氧化碳，再由真空泵抽走，由此起到清潔基材的功能。

圖6 陰極等離子源輝光效果圖

由表3可知，在該實驗中，當L1＜30 mm時，由于屏蔽罩板已經切入陰極磁感線范圍，阻斷了電子沿磁感線方向的螺旋運動軌跡，造成其無法與更多的氬原子碰撞產生“雪崩效應”，無法產生大量等離子體，因此，透過觀察窗可以看到陰極內部無輝光產生，也就是不存在大量電離現象；當L1逐漸增大到30～40 mm時，磁場的束縛作用突顯，大量電離現象產生，這與實驗2類似；當L1達到50～60 mm，內部輝光穩定，同時由于外部磁場的作用，使得等離子電子束通過孔隙向外匯聚，形成一定密度等離子電子束。

3 實驗結果

采用實驗3的陰極等離子源裝置對太陽選擇性吸收涂層的鋁質基材進行清潔測試。一組未做真空陰極等離子源電子束轟擊清潔，一組采用真空陰極等離子源電子束轟擊清潔，并采用SEM形貌進行分析。未做真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的太陽選擇性吸收涂層的鋁質基材及其SEM形貌圖如圖7所示，其表面存在大量的大顆粒物質，切面結構明顯粗糙。采用真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的太陽選擇性吸收涂層的鋁質基材及其SEM形貌圖如圖8所示，其表面大顆粒物質明顯減少，切面更加細膩。同樣，在達因筆張力測試過程中，未經過真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的基材表面選用低標準38號達因筆進行測試，測試結果如圖9所示，由圖可知，線條出現明顯收縮，證明其表面存在油脂物質；而經過真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的基材表面使用高標準58號達因筆進行測試，如圖10所示，由圖可知，其線條仍未出現收縮現象，由此可見，在被陰極等離子源電子束轟擊過程中，其表面油脂類物質被分解。

圖7 未經過真空陰極等離子源轟擊清潔的基材及其SEM圖

圖8 經過真空陰極等離子源轟擊清潔的基材及其SEM圖

圖9 38號達因筆測試結果

圖10 58號達因筆測試結果

4 結論

通過本文的分析可知，在相同條件下，實驗3放電最為容易，可獲得較大放電電流，同時獲得高匯聚的高能等離子源電子束。通過陰極等離子源的高能電子束的轟擊，可有效去除太陽選擇性吸收涂層基材金屬表面的碳氫化合物成分，并能達到提高基材表面活性的效果。