多功能全方位復合離子注入系統(tǒng)的研制

王晨曦

（核工業(yè)西南物理研究院，成都 610225）

市面上大多數(shù)牙種植體材料為純鈦、鈦合金或生物活性陶瓷等，形狀呈螺旋狀或葉狀。常規(guī)的等離子體表面處理可能造成等離子體注入不均勻和等離子體薄膜結合力較差的問題。為解決上述問題，采用等離子體基離子注入技術，研制了一套全方位復合離子注入機，目的是解決傳統(tǒng)束線離子注入的“視線”限制和保持劑量等問題，無須工件運動或束掃描，近似垂直注入，注入能量和劑量可在較大范圍調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)對牙種植體類外形尺寸復雜工件的全方位均勻注入，從而獲得優(yōu)異的材料特性，實現(xiàn)大規(guī)模批量化處理，適合目前的工業(yè)化應用。

1 設備組成

該設備主要由3部分組成，分別是真空獲得系統(tǒng)（提供真空運行環(huán)境）、計算機控制及通信系統(tǒng)（上位機控制和信號通信）和等離子體發(fā)生系統(tǒng)（處理工件）。

1.1 真空獲得系統(tǒng)

由于需要在8 h內(nèi)處理200個牙種植體，且考慮到等離子體覆蓋的范圍，真空室設計成Φ700 mm×700 mm圓柱型結構。既能保證一定功率下等離子體的密度，又能保證放置滿200個牙種植體時工件架的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)不受影響。真空室采用不銹鋼雙層水冷結構，可提高真空室的強度和滿足良好的散熱條件。真空室門設計成立式側(cè)開大門結構，以便真空室的清理與工件裝取。在真空室壁上開有大小不等的各種源法蘭接口，分別與真空抽氣機組、磁過濾脈沖等離子體源、霍爾離子源、氣路、高壓靶臺及真空測量規(guī)管等連接。

為獲得空載情況下30 min達到5×10-3Pa的真空度，且優(yōu)于1.5×10-4Pa極限真空，通過計算，抽氣泵組采用BSV-90直連泵（抽氣速率70 L·s-1）和BSJ70L羅茨泵（抽氣速率90 m3·h-1）作為預抽泵，選擇FF250/2000復合分子泵（抽氣速率2 000 L·s-1）作為前級泵。此外，抽到高真空停泵12 h后壓升率優(yōu)于5 Pa，即優(yōu)于0.45 Pa·h-1，以獲得滿足等離子體源工作時的真空環(huán)境。

1.2 控制及通信系統(tǒng)

1.2.1 上位機及操作系統(tǒng)

為實現(xiàn)電源控制、參數(shù)設定、故障報警、數(shù)據(jù)存儲和打印功能，該設備使用組態(tài)王作為工業(yè)自動化組態(tài)軟件，基于WINDOWS的人機控制界面，設計可全程進行自動與手動控制和操作，可以設置水、電和機械等聯(lián)鎖、報警和故障提示。在裝置自動運行過程中，均可以手動干預。既滿足了研究需求，又能達到工業(yè)自動化水平。

1.2.2 通信和信號發(fā)生系統(tǒng)

該設備通過脈沖陰極弧源放電獲得金屬離子。由于金屬離子從電離、雪崩到通過磁場聚焦、過濾、引出需要一定的時間（10 μs左右），需要脈沖負高壓與脈沖陰極弧源在工作時序上更好地配合[1]。因為該設備調(diào)頻、調(diào)寬單元較多，走線復雜，各電源若同時工作會帶來低頻干擾，所以設計了一種以數(shù)字通信為主的控制方式[2]。

上位機通過基于485總線的Modbus RTU通信協(xié)議將設定參數(shù)傳輸給單片機，一方面由單片機負責給復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）不同的指令，另一方面實現(xiàn)模擬量的采集和測量，同時在上位機和液晶屏上顯示參數(shù)內(nèi)容。CPLD電路主要負責產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動脈沖陰極弧電源和脈沖負高壓電源。此外，主電路獲得的過電流保護信號可以直接發(fā)送到CPLD。如果存在過電流，則下拉脈沖信號，并在設定時間后輸出脈沖信號。具體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 單片機控制總體框圖

在傳統(tǒng)的分離元件電路中，需要使用更多的電阻和電容來實現(xiàn)控制電壓與頻率之比（Voltage/Frequency，V/F）的變化和延遲，而印制板電路的復雜布線導致更多的寄生電容，使得最終輸出脈沖信號的上升沿變差。該系統(tǒng)脈沖信號由CPLD直接輸出，無須電阻-電容（Resistor-Capacitance，RC）電路實現(xiàn)延時，脈沖陰極弧源同步工作的上升沿曲線更好，且波形基本相同。

在傳統(tǒng)電路中，負高壓與脈沖陰極弧源延時不可修改，直接由CD4098芯片的RC電路決定，需通過選取合適的RC參數(shù)獲得固定的延時。在設備運行過程中，RC的值會發(fā)生變化，使得該延時有偏差。所以，該系統(tǒng)設計將脈沖參數(shù)由上位機設置并發(fā)送到單片機，再由單片機傳輸?shù)紺PLD，在CPLD中實現(xiàn)延時，不存在RC值的變化等問題，具有很好的重復性與精度。

1.3 等離子體發(fā)生系統(tǒng)

1.3.1 脈沖陰極弧源

多功能全方位復合離子注入機配置了4套磁過濾脈沖陰極真空弧等離子體源（以下簡稱脈沖陰極弧源），采用雙層水冷90 ℃彎管設計，脈沖寬度為200 μs～3 ms，頻率為0～50 Hz，弧壓為0～100 V，弧流大于150 A，可產(chǎn)生Mg、Ti、Zr、Cr、Mo、Cu、Ag、Zn、Al等金屬、合金和碳的等離子體，且可開展多種工藝的表面處理，如金屬離子注入、沉積梯度薄膜、離子注入+沉積薄膜等。實物如圖2所示。

圖2 脈沖陰極弧源

1.3.2 霍爾離子源

由于牙種植體表面存在加工毛刺或肉眼不可見的雜質(zhì)，需要使用霍爾離子源對其表面進行等離子體清洗。本文自主設計了一套霍爾離子源，采用圓形無燈絲和柵極結構，工作氣壓為0.01～1.00 Pa，放電電壓為200～1 000 V，放電電流為0.1～1.0 A，產(chǎn)生的離子束斑能大于150 mm，可長時間穩(wěn)定運行和生產(chǎn)，并在霍爾離子源頭部送氣。它具有結構簡單、可靠以及使用方便等特點，主要用于牙種植體表面的離子束濺射清洗、活化及輔助沉積。

1.3.3 負高壓脈沖電源

負高壓脈沖電源采用的是電子管剛性調(diào)制器，柵偏壓串聯(lián)饋電方式，由直流高壓電源[3]、儲能元件（脈沖電容）、旁通元件（高壓硅堆）、調(diào)制開關（電子管）以及脈沖信號發(fā)生器等部分構成。

高壓電源所有測量和驅(qū)動信號通過光纖進行傳輸，利用傳感器與主電路進行電氣隔離[4]。盡量縮短上位機、單片機、液晶屏的通信線路，且信號發(fā)生單元采用金屬盒進行屏蔽，可有效消除高壓擊穿和打火對信號的干擾。該電源的控制與信號產(chǎn)生都是以二進制為基礎的數(shù)字邏輯電路，電源電壓波動對其沒有影響。在設備實際調(diào)試運行的過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定且干擾小，能夠達到預期目的。

2 工藝實驗

待處理的牙種植體浸泡在等離子體中施加脈沖負高壓，使得牙種植體周圍形成離子陣鞘層。在強電場作用下，離子從各個方向同時垂直注入其表面。隨著離子不斷被注入到中心靶中，電子被排開，離子陣鞘層不斷擴展。如果離子陣鞘層與牙種植體形狀非常接近，離子可從各個方向垂直注入到工件表面。

配備的磁過濾陰極弧源可在真空室中同時產(chǎn)生金屬等離子體，如施加在工件上的脈沖負高壓幅值很高（10～30 kV），便可實現(xiàn)金屬離子注入或離子轟擊。配備的陽極層霍爾等離子體源還能起到工件表面清洗、輔助沉積的作用，從而在復雜形狀的零件表面形成具有強膜-基結合力、致密且均勻的化合物膜層。

3 市場應用

金屬及合金材料是最早被應用于生物醫(yī)學用途的材料之一，其中鈦及鈦合金是杰出代表。在眾多金屬生物材料中，鈦及鈦合金表現(xiàn)出了良好的生物兼容性、很好的抗腐蝕性、優(yōu)異的抗疲勞性，且密度相對較低、易加工，被廣泛應用于牙科種植體材料。但是，鈦的抗磨損性能不佳。通過多功能全方位復合離子注入系統(tǒng)實現(xiàn)等離子體浸沒離子注入與沉積技術，可以改善鈦的表面硬度，降低材料表面的摩擦系數(shù)。此外，可以進一步將表面改性，如在鈦中注入鈣離子，能夠加速在材料表面形成磷酸鈣，促進成骨細胞在材料表面的黏附生長，更有利于形成新的骨組織。鎳鈦合金由于具有記憶效應，被廣泛應用于畸齒矯正[5]。但是，因為鎳元素具有生物毒性，所以要盡可能減少鎳離子的釋放。研究表明，在鎳鈦合金中注入氮，能顯著減少鎳離子的釋放，在不影響其記憶功能的前提下降低生物毒性，可成功用于畸齒矯正。較高的摩擦力會讓使用貝塔鈦牙齒矯正器的患者感覺不適，通過多功能全方位復合離子注入系統(tǒng)進行離子注入降低材料表面的摩擦系數(shù)，可以大幅降低患者的不舒度。鎂合金材料是近幾年研究的熱點，但是鎂合金抗腐蝕性能不佳，可以通過多功能全方位復合離子注入系統(tǒng)在材料表面形成一定的抗腐蝕層，達到預期的抗腐蝕效果。此外，將等離子體浸沒離子注入技術應用于較早的鈷鉻組件整形外科產(chǎn)品，提高了現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品的抗磨損性能，延長了使用壽命，降低了關節(jié)松脫情況的發(fā)生概率。

4 結語

多功能全方位復合離子注入機設計合理、布局規(guī)范，能充分滿足科研開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的雙重需求。在長時間運行中，電氣系統(tǒng)供電穩(wěn)定，測控準確，保護可靠。各個等離子體源運行穩(wěn)定，技術指標高。尤其是在處理類似異形牙種植體類工件時優(yōu)越性明顯，具有很高的實用價值。