способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, включающий в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, отличающийся тем, что осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов производят с временным сдвигом между импульсами потока плазмы и ионного пучка, который устанавливают больше времени рекомбинации плазмы в объеме камеры, при этом период следования импульсов T устанавливают из соотношения

T > +t_i+t_p,

где t_p и t_i - длительности импульсов потока плазмы и ионного пучка соответственно,

а для осуществления роста покрытия параметры процесса выбирают из условия



где I_A - импульсный ток ионов вещества A;

I_B - суммарный импульсный ток всех испарителей;

M_A и M_B - атомный вес веществ A и B соответственно;

_A и _B - плотность веществ A и B соответственно;

Fp и Fi - эффективные площади сечения соответственно потока плазмы и ионного пучка в месте расположения подложки;

- коэффициент электропереноса, фигурирующий в выражении g = I_B, где g - скорость дуговой эрозии материала катода испарителей;

_B - коэффициент аккомодации (прилипания) атомных частиц плазмы к поверхности;

S_BB и S_BA - коэффициенты распыления материала покрытия атомными частицами плазмы и ускоренными ионами вещества A;

- среднее зарядовое число в ионном пучке;

e - заряд электрона;

m_o - атомная единица массы,

причем для обеспечения эффективного перемешивания параметры процесса выбирают из условия



где Rp - средний проективный пробег ускоренных ионов в покрытии.

2. Устройство для импульсно-периодического нанесения покрытий, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположены держатель с подложкой, импульсно-дуговой испаритель вещества и импульсно-дуговой имплантор ускоренных ионов, включающий коаксиально расположенные катод, поджигающий электрод и анод, закрытый эмиссионной сеткой, источник вторичного электропитания, выходами соединенный с импульсно-дуговым испарителем, генератор импульсно-дугового разряда, выходы которого подключены к катоду, аноду и поджигающему электроду, и источник ускоряющего напряжения, гальванически связанный с генератором импульсно-дугового разряда, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит источник отрицательного напряжения и генератор управляющих парных импульсов, а импульсно-дуговой имплантор содержит дополнительно ускоряющую и защитную заземленные сетки и запирающую сетку, размещенную между упомянутыми заземленными сетками и подключенную к источнику отрицательного напряжения, причем генератор управляющих парных импульсов выходами подключен к источнику вторичного электропитания и к генератору импульсно-дугового разряда и выполнен с возможностью перестройки по частоте и с возможностью регулировки временной задержки управляющих парных импульсов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит не менее трех импульсно-дуговых испарителей, расположенных с возможностью генерации потока плазмы коаксиально ионному пучку и с возможностью поворота осей плазменных потоков относительно оси ионного пучка.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник вторичного электропитания содержит зарядный блок, генератор поджигающих импульсов, соединенный по входу с генератором управляющих парных импульсов, группу накопительных конденсаторов и группу резисторов, одни концы которых объединены и подключены к зарядному блоку, а другие концы каждого из них подключены к соответствующим накопительным конденсаторам группы, при этом резисторы выполнены с сопротивлением R (U_н.макс - 2Uк)/(i_к - I_макс/N), зарядный блок выполнен с возможностью обеспечения стабилизации напряжения E = U_н.макс + RI_макс/N при изменении тока внутри пределов от I_макс до I_мин с автоматическим переходом на стабилизацию тока в интервале уставок от I_макс до I_мин при изменении напряжения внутри пределов от U_к до E, а поканальные накопительные конденсаторы выполнены в виде коммутируемых конденсаторных батарей с дискретными значениями емкости, выбранной из соотношения:

C = I/Nf(Uн - Uк),

где U_н.макс - максимально допустимое значение начального напряжения дуги Uн;

Uк - среднестатистическое значение критического напряжения дуги;

i_к - среднестатистическое значение критического тока дуги;

I_макс < Ni_к и I_мин - заданные максимальное и минимальное значения суммарного среднего тока разряда I;

N 3 - число импульсно-дуговых испарителей;

f = I/T - частота следования импульсов.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник вторичного электропитания содержит группу зарядных блоков, выполненных с регулируемой уставкой среднего тока заряда-разряда, группу подключенных к ним своими входами пороговых элементов, выполненных с регулируемой уставкой начального напряжения разряда, группу генераторов поджигающих импульсов, входы которых соединены и подключены к выходу генератора парных управляющих импульсов, выполненного с внешним запуском, а также элемент логического ИЛИ и элемент логического И, соответствующие входы которых взаимно соединены и подключены к соответствующим выходам пороговых элементов, а выходы подключены к аналоговым входам двух замыкающих ключей SWM, при этом цифровые входы последних подключены к прямому и инверсному выходам Т-триггера, а его информационный вход соединен с выходами ключей SWM и подключен к входу внешнего запуска генератора парных управляющих импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технике, предназначенной для нанесения покрытий при их одновременном облучении ускоренными ионами и используемой для модификации поверхностей материалов и изделий в машино- и приборостроении, в инструментальном производстве и других областях.

Известны способ импульсно-периодического ионно-плазменного нанесения покрытий и устройство для его осуществления. Данный способ предусматривает в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, а устройство, реализующее этот способ, содержит импульсно-дуговой генератор плазмы с ускоряющей секцией, работающий в импульсно-периодическом режиме таким образом, что импульс ускоряющего высокого напряжения подается в начале импульса плазмы, а его продолжительность меньше продолжительности импульса плазмы [1].

Однако такие устройства имеют ряд недостатков: 1) имеются большие потери распыляемого вещества в ускоряющем зазоре и, как следствие, запыление электроизоляторов в ускоряющей секции и тем самым снижение их электропрочности; 2) большие тепловые нагрузки на разрядный промежуток и сложность его охлаждения, т.к. он находится на высоком потенциале ( 100 кВ); 3) громоздкость и сложность системы электропитания, что снижает надежность устройства, увеличивает его стоимость, снижает его КПД (из-за наличия трансформаторной развязки), а также имеется ограничение по длительности импульсов из-за насыщения магнитного сердечника импульсного трансформатора; 4) невозможность независимого управления апертурами пучка и потоков плазмы; 5) невозможность использования в плазменном потоке и в ионном пучке атомных частиц разных веществ; 6) ограниченная возможность варьирования отношением числа частиц, падающих на подложку из плазменного потока и ионного пучка.

Для устранения этих недостатков необходимо, чтобы генератор плазмы (испаритель) и источник ускоренных ионов (имплантор) являлись отдельными устройствами, работающими автономно.

Задачей изобретения является увеличение производительности процесса нанесения покрытий, радиационной безопасности, повышение надежности работы устройства и расширение его функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, включающем в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов производят с временным сдвигом между импульсами потока плазмы и ионного пучка, который устанавливают больше времени рекомбинации плазмы в объеме камеры, при этом период следования импульсов T устанавливают из соотношения T > + t_i + t_p, где t_p и t_i - длительности импульсов потока плазмы и ионного пучка соответственно, а для осуществления роста покрытий параметры процесса выбирают из условия



где I_A - импульсный ток ионов; I_B - суммарный импульсный ток всех испарителей; M_A и M_B - атомный вес веществ A и B соответственно; _A и _B - плотности веществ A и B соответственно; Fp и Fi - эффективные площади сечения соответственно потока плазмы и ионного пучка в месте расположения подложки; - коэффициент электропереноса, фигурирующий в выражении g = I_В, где g - скорость дуговой эрозии материала катода испарителей; _B - коэффициент аккомодации (прилипания) атомных частиц плазмы к поверхности; S_BB и S_BA - коэффициенты распыления материала покрытия атомными частицами плазмы и ускоренными ионами вещества A соответственно; - зарядовое число; е - заряд электрона; m_o - атомная единица массы, причем для обеспечения эффективности перемешивания параметры процесса выбирают из условия



где Rp - средний проективный пробег ускоренных ионов в покрытии.

Задача также достигается за счет того, что устройство для импульсно-периодического нанесения покрытий, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположены держатель с подложкой, импульсно-дуговой испаритель вещества, импульсно-дуговой имплантор ускоренных ионов, включающий коаксиально расположенные катод, поджигающий электрод и анод, закрытый эмиссионной сеткой, источник вторичного электропитания, выходами соединенный с импульсно-дуговым испарителем, генератор импульсно-дугового разряда, выходы которого подключены к катоду, аноду и поджигающему электроду, и источник ускоряющего напряжения, гальванически связанный с генератором импульсно-дугового разряда, дополнительно содержит источник отрицательного напряжения и генератор управляющих парных импульсов, а импульсно-дуговой имплантор содержит дополнительно ускоряющую и защитную заземленные сетки и запирающую сетку, размещенную между упомянутыми заземленными сетками и подключенную к источнику отрицательного напряжения, причем генератор управляющих парных импульсов выходами подключен к источнику вторичного электропитания и к генератору импульсно-дугового разряда и выполнен с возможностью перестройки по частоте и с возможностью регулировки временной задержки управляющих парных импульсов.

Кроме того, задача достигается дополнительно за счет того, что устройство содержит не менее трех (N3) импульсно-дуговых испарителей, расположенных с возможностью генерации потока плазмы коаксиально ионному пучку и с возможностью поворота осей плазменных потоков относительно оси ионного пучка, и за счет того, что источник вторичного электропитания содержит зарядный блок, генератор поджигающих импульсов, соединенный по входу с генератором управляющих парных импульсов, группу накопительных конденсаторов и группу резисторов, одни концы которых объединены и подключены к зарядному блоку, а другие концы каждого из них подключены к соответствующим накопительным конденсаторам группы, при этом резисторы выполнены с сопротивлением R (U_н.макс - 2U_к)/(i_к - I_макс/N), зарядный блок выполнен с возможностью обеспечения стабилизации напряжения E = U_н.макс + RI_макс/N при изменении тока внутри пределов от I_макс до I_мин с автоматическим переходом на стабилизацию тока в интервале уставок от I_макс до I_мин при изменении напряжения внутри пределов от U_к до E, а поканальные накопительные конденсаторы выполнены в виде коммутируемых конденсаторных батарей с дискретными значениями емкости, выбранной из соотношения:

C = I/Nf(U_н - U_к),

где U_н.макс - максимально допустимое значение начального напряжения дуги U_н; U_к - среднестатистическое значение критического напряжения дуги; i_к - среднестатистическое значение критического тока дуги; I_макс < Ni_к и I_мин - заданные максимальное и минимальное значения суммарного среднего тока разряда I; N 3 - число импульсно-дуговых испарителей, f = 1/T.

На фиг. 1 изображено устройство, выполненное согласно данному изобретению; на фиг. 2 - циклограмма работы устройства, причем фиг. 2а - 2в - циклограммы работы испарителей; фиг. 2г - 2ж - циклограммы работы имплантора; фиг. 2г и 2д соответствуют случаю импульсной подачи высокого напряжения на ускоряющий промежуток имплантора; фиг. 2г и 2ж соответствуют случаю дежурящего высокого напряжения на ускоряющем промежутке; на фиг. 3 - схема источника вторичного электропитания, на фиг. 4 - вольтамперные характеристики источника вторичного электропитания: а) нагрузочная характеристика отдельного разрядного промежутка, б) семейство нагрузочных характеристик совокупности испарителей для различных моментов заряда накопительных конденсаторов, в) семейство внешних характеристик зарядного блока для различных значений уставки тока; на фиг. 5 - циклограмма работы импульсно-дугового испарителя (временные зависимости тока зарядного блока, последовательности поджигающих импульсов, напряжения на накопительных конденсаторах, импульсных токов дугового разряда); на фиг. 6 - диаграмма сопряженных параметров источника вторичного электропитания для типичного импульсно-дугового испарителя.

Устройство для импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, изображенное на фиг. 1, содержит вакуумную камеру 1, внутри которой расположен держатель 2 с подложкой 3 и импульсно-дуговой испаритель 4 (испарители 4.1 . . . 4.N), размещенный рядом или размещенные вокруг импульсно-дугового имплантора 5 ускоренных ионов, включающего коаксиально расположенные катод 6, поджигающий электрод 7 и анод 8, эмиссионную сетку 9, ускоряющую заземленную сетку 10, защитную заземленную сетку 11 и запирающую сетку 12, источник 13 вторичного электропитания испарителя, генератор 14 импульсно-дугового разряда, источник 15 ускоряющего напряжения, источник 16 отрицательного напряжения и генератор 17 управляющих парных импульсов. Испаритель 4 (испарители 4.1 ... 4.N) генерируют потоки плазмы вещества A или B, направляемого на подложку коаксиально пучку ионов вещества A. Импульсно-дуговой испаритель 4 содержит катод 18, анод 19, поджигающий электрод 20, а источник 13 вторичного электропитания, изображенный на фиг. 3, содержит зарядный блок 21, группу резисторов 22.1 ... 22.N, группу накопительных конденсаторов 23.1 ... 23.N, генератор 24 поджигающих импульсов.

Устройство работает следующим образом.

При включении генератора 17 управляющих парных импульсов подается сигнал на источник 13 вторичного электропитания, при этом возникает дуга (дуги) и горит в течение времени t_p, а сформировавшийся поток плазмы достигает подложки 3 и осаждается на ней в виде тонкого слоя. После прекращения горения дуг осуществляется выдержка на время , за которое происходит рекомбинация плазмы в объеме камеры. Далее возможно два варианта работы устройства.

По первому варианту генератор 17 управляющих парных импульсов осуществляет запуск генератора 14 импульсно-дугового разряда и генератора 15 высоковольтного ускоряющего напряжения, в результате чего формируется пучок высокоэнергетических ионов продолжительностью t_i, которые облучают растущее покрытие, осуществляя его ионное перемешивание. Данный процесс повторяется периодически с частотой f.

По второму варианту генератор 15 обеспечивает питание постоянным высоким напряжением, которое "дежурит" на ускоряющем промежутке во время всей работы имплантора 5. После запуска генератора 17 управляющих парных импульсов и соответственно генератора 14 импульсно-дугового разряда дежурящее на ускоряющем промежутке напряжение вытягивает ионы из плазмы, образовавшейся в разрядной камере имплантора 5, и формирует пучок ионов, который, как и в первом случае, облучает растущее покрытие на подложке 3. Процесс также повторяется периодически с частотой f.

Во втором варианте удается существенно упростить и увеличить надежность системы высоковольтного питания имплантора 5, а также повысить ее среднюю и импульсную мощность, так как при этом исключаются импульсный высоковольтный трансформатор и импульсные силовые устройства запитки первичной цепи данного трансформатора, по сравнению с прототипом. Однако, в этом случае возникают ограничения, связанные с возникновением паразитного электронного тока I_e, вытягиваемого из плазмы, генерируемой испарителями 4 в течение времени t_p, высоким напряжением, дежурящим на ускоряющем промежутке. Этот электронный ток создает дополнительную нагрузку на систему электропитания имплантора 5. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо выполнение условия

I_it_i >> I_et_p,

где I_i - ток ионов, вытягиваемых через ускоряющий промежуток; I_i пропорционален концентрации плазмы вблизи ускоряющего промежутка со стороны разрядной камеры; I_e пропорционален концентрации плазмы вблизи ускоряющего промежутка со стороны рабочего объема.

Однако, реально вышеприведенное условие выполняется не всегда. Поэтому для предотвращения электронного тока на имплантор 5 предлагается ввести дополнительно запирающую сетку 12 и защитную заземленную сетку 11, причем на сетку 12 подается отрицательное напряжение от источника 16 отрицательного напряжения, что не дает возможность потоку электронов высаживаться на имплантор 5. Защитная сетка 11 предотвращает возможность пробоя на запирающую сетку 12. Таким образом, при использовании запирающей сетки 12 эффективным становится второй вариант работы устройства, когда высокое напряжение "дежурит" на ускоряющем промежутке.

Для того, чтобы импульсы не накладывались друг на друга, необходимо выполнение условия

T > +t_i+t_p, (1)

где T = 1/f.

Временной сдвиг , равный времени рекомбинации плазмы, зависит от размера камеры, начальной плотности плазмы, типа вещества плазмы и определяется чаще всего экспериментально.

Эксперименты на установке, макетирующей предлагаемое устройство, позволили определить временные параметры, фигурирующие в условии (1). Характерные значения этих параметров: t_i = 0,1 - 0,6 мс; t_p = 0,6 - 2,2 мс; > 1 - 5 мс; f 50 Гц.

При нанесении покрытий с одновременным облучением ускоренными ионами в поверхностном слое подложки происходят следующие процессы:

1) осаждение на подложку вещества B из потока плазмы со средней скоростью в импульсе

Vp = ((_B-S_BB)/_B)(I_B/Fp),

здесь учтено, что атомные частицы из плазменного потока осаждаются на поверхность с коэффициентом _B аккомодации (прилипания) и в то же время происходит распыление растущего покрытия потоком плазмы с коэффициентом S_BB; I_B - суммарный импульсный ток всех испарителей вещества B; _B - плотность вещества B; Fp - эффективная площадь сечения потока плазмы в месте расположения подложки; - коэффициент электропереноса, фигурирующий в выражении g = I_B, где g - скорость дуговой эрозии материала катода испарителей;

2) имплантация ускоренных ионов вещества A и сопутствующее этому ионное распыление растущего покрытия с коэффициентом S_BA; средняя (в импульсе) скорость роста покрытия, связанная с этими двумя процессами, равна

Vi = (m_oI_A/Fie)(M_A/_A-S_BAM_B/_B),

где I_A - импульсный ток ионов вещества A; - среднее зарядовое число в ионном пучке; е - заряд электрона; m_o - атомная единица массы; Fi - площадь сечения ионного пучка в месте расположения подложки; M_A и M_B - атомный (молекулярный) вес вещества A и B соответственно; _A - плотность вещества A.

За период толщина покрытия увеличивается на величину



Для того, чтобы покрытие росло, необходимо выполнение условия

> 0,

отсюда



Для того, чтобы покрытие во время роста эффективно перемешивалось, необходимо выполнение условия

Rp > , (3)

где Rp - средний проективный пробег ускоренных ионов в покрытии.

В качестве примера конкретного осуществления предлагаемого способа рассмотрим нанесение Ni покрытия с облучением ионами Ni с энергией 40 кэВ; в этом случае _A= _B = 8,7 г/см³; M_A = M_B = 58,7; = 10^-4 Кл/г; _B = 0,7; S_BB = 0,1; S_BA = 3; = 2; e/m₀ = 10⁵ Кл/г; Rp = 0,013 мкм; выбраны следующие параметры процесса; I_A = 1 A; I_B = 500 A; t_i = 0,3 мс; t_p = 1 мс; T = 20 мс; = 1 мс; Fi = Fp = 600 см².

Численные оценки показали, что = 5,7510^-5 мкм, средняя скорость роста покрытия = f = 2,875 10^-3 мкм/с, а условия (1), (2) и (3) сводятся к соотношениям 20 мс > 2,3 мс; 1670 > 1,13 и 1,310^-2 мкм > 5,7510^-5 мкм. Таким образом, требуемые условия выполняются.

Источник 13 вторичного электропитания обеспечивает возможность независимой уставки частоты поджига и суммарного среднего тока разряда и исключает возможность самопроизвольного перехода частотно-периодического дугового разряда в непрерывный дуговой. Работа источника 13 определяется спецификой зарядного блока 21 и его реальной нагрузки, которую, в свою очередь, образуют как элементы, показанные на фиг. 3, так и совокупность разрядных промежутков нагрузки, и которая содержит как емкостные, так и активные (линейные и нелинейные) элементы, причем нелинейные активные элементы (разрядные промежутки) к тому же меняются во времени; они периодически и синхронно включаются и выключаются во всех каналах.

Нагрузочная характеристика разрядного промежутка в области дугового разряда представляет S-образную кривую. Нижний изгиб и соответствующий ему потенциал зажигания в частотно-периодических нагрузках с управляемым разрядом лежит далеко за пределами рабочих режимов. Верхнему изгибу (неустойчивая точка нагрузочной характеристики) соответствует потенциал гашения дуги. Рабочая область нагрузочной кривой разрядного промежутка лежит между максимально допустимым, с точки зрения технологических критериев, начальным напряжением дуги U_н.макс и критическим напряжением дуги U_к, при котором происходит ее самогашение.

Нагрузочная характеристика совокупности модулей для различных моментов времени описывается уравнением

U = IR_рез(t) + U_с(t)

где R_рез(t) - активная составляющая комплексной нагрузки в момент времени t, U_c(t) - напряжение на накопительных конденсаторах в момент времени t, и имеет вид прямой, наклон которой и координата пересечения с осью напряжений зависят от времени. При включении зарядного блока 21 она исходит из начала координат (поскольку конденсатор еще разряжен и U_c = 0) и имеет наклон, определяемый параллельным соединением только зарядных резисторов (т.к. дуги еще не горят), т.е. сопротивлением R_рез = R/N.

По мере заряда конденсаторов 23 U_c(t) растет, и она перемещается параллельно самой себе вправо и останавливается в точке, определяемой напряжением холостого хода U_xx (режим ожидания). При включении генератора 24 и поступлении поджигающих импульсов зажигаются поканальные дуги с малым сопротивлением r << R, на которые конденсаторы 23 почти мгновенно разряжаются, U_c падает, и это сопровождается быстрым перемещением нагрузочной прямой влево и некоторым уменьшением ее наклона. Завершается этот процесс в точке, которой соответствует напряжение U_к, при котором дуги гаснут. И если они гаснут одновременно, то в последний момент наклон нагрузочной прямой соответствует последовательно-параллельному сопротивлению зарядных резисторов и дуг, т.е. R_рез = (R + r_к)/N. Далее возобновляется перемещение прямой вправо.

Внешняя характеристика зарядного блока 21 Id(Ud) подтверждает, что оно работает в режиме стабилизации тока с автоматическим переходом (в момент, когда импеданс комплексной нагрузки нарастает и превышает некоторый предел I_макс/E) в режим стабилизации напряжения. Зарядные устройства такого типа общеизвестны и широко представлены в продукции электропромышленности.

Из фиг. 4 видно, что стабилизация тока обеспечивается в интервале уставок от I_макс до I_мин и сохраняется при изменении напряжения на выходе зарядного блока внутри интервала U_к ... E, где: I_макс и I_мин - соответственно, заданные максимальное и минимальное значения суммарного среднего тока нагрузки (т. е. суммы средних токов отдельных каналов), U_к - критическое напряжение дуги в момент самогашения (среднестатистическое значение), E - напряжение уставки, определяемое вышеприведенной формулой, численно промежуточное между максимально допустимым начальным напряжением горения дуги U_н.макс и напряжением холостого хода U_xx и близкое к последнему (при этом номинальное напряжение U_с.ном применяемых накопительных конденсаторов должно быть выше напряжения холостого хода).

А стабилизация напряжения уставки E сохраняется при изменении тока на выходе зарядного устройства от I_макс до i_к, т.е. внутри пределов I_макс - I_мин.

Обращает на себя внимание, что минимальное значение среднего тока разряда I_мин может быть меньше критического тока дуги i_к, что является известным преимуществом импульсно-периодического режима работы дугового источника плазмы перед непрерывным дуговым разрядом, а максимальное значение I_макс должно быть менее N-кратного критического тока дуги.

Совместное использование вольтамперных характеристик, изображенных на фиг. 4, позволяет продолжить описание работы схемы фиг. 3 следующим образом. Упомянутое выше возобновленное перемещение нагрузочной прямой вправо прерывается в момент поступления очередных поджигающих импульсов, и действующее на этот момент напряжение на конденсаторах 23 является начальным напряжением последующего разряда U_н, и далее описанный процесс повторяется циклически с частотой f, выставленной в генераторе 24. Всякий раз при разряде рабочая точка на нагрузочной кривой разрядного промежутка перемещается влево-вниз и в неустойчивой точке на верхнем сгибе срывается скачком на нижнюю ветвь S-образной кривой.

Происходящие процессы иллюстрируются циклограммой на фиг. 5, где изображены (сверху вниз) временные зависимости тока зарядного блока 21, последовательности поджигающих импульсов, напряжения на накопительных конденсаторах 23, импульсных токов дугового разряда.

Нетрудно показать, что времена заряда и разряда накопительных конденсаторов 23 определяются формулами

t_зар = NC(U_н - U_к)/I;

t_разр = rC ln ((U_н - U_к)/U_к).

При этом, как показывают численные оценки, отношение этих величин t_зар/t_разр > 50, откуда следует, что период процесса практически равен времени заряда, т.е. T = t_зар + t_разр = t_зар = 1/f.

Первый из технических результатов работы источника 13 обосновывается следующим образом.

В силу закона сохранения количества электричества Q в одиночном цикле заряда-разряда для одного модуля

Q_зар= Q_разр= Q = CU = C(U_н-U_к).

В частотно-периодическом режиме работы источника 13

I_зар = I_разр = I = NQf = NCf((U_н - U_к)

или

U_н = U_к + I/NCf.

Ток I при всех значениях уставки стабилизирован. Следовательно, частота поджига f действительно может выставляться независимо от тока. При этом необходимо иметь в виду, что регулировка частоты сопровождается изменением начального напряжения разряда U_н, и, если его вариации оказываются неприемлемыми, необходимо коммутировать емкость конденсаторных батарей C, руководствуясь формулой C = I/Nf(U_н - U_к).

Сказанное иллюстрируется на фиг. 6, где I_макс - I_мин = 20 - 2 А; f_макс - f_мин = 30 - 3 Гц; C = 30000 мкФ.

"Запрещенными" областями вариации начального напряжения дуги являются U_н > 60 В, при которых недопустимо возрастает "капельность" распыления, и U_н < 20 В, при которых возможен пропуск поджига или отсутствует горение дуги.

Если желательно, например, работать при токе 2 A с частотой 20 Гц, необходимо уменьшить накопительные емкости, а при токе 15 A с частотой 10 Гц - увеличить.

Если бы зарядный блок 21 не имел участка стабилизации тока, а имел падающую внешнюю характеристику, как у обычного неуправляемого выпрямителя, описываемую выражением

U_d = U_xx-I_d,

где - внутреннее сопротивление выпрямителя, U_xx - напряжение холостого хода, регулируемое, например, с помощью входного автотрансформатора, то, как можно показать, средний ток разряда



а начальное напряжение разряда

U_н = U_xx[1-(1-U_к/U_xx)/exp(1/f(R+)C)].

Эти соотношения показывают, что в данном случае независимая уставка среднего тока и частоты разряда была бы невозможна, и требуемый режим мог быть установлен только последовательным приближением с использованием дополнительной регулировки напряжения холостого хода.

Второй из технических результатов работы источника 13 подтверждается следующими соображениями.

Приведенное выше описание работы схемы фиг. 3 в части, касающейся завершения разряда конденсаторов и гашения дуг, неявно предполагало полную идентичность параметров поканальных разрядных резисторов, накопительных конденсаторов и разрядных промежутков. На самом деле сопротивления R поканальных резисторов 22 и емкости C поканальных конденсаторов 23 имеют производственный разброс, а гашение поканальных дуг представляет флуктуационный процесс, характеризующийся среднестатистическими значениями и дисперсией поканальных токов и напряжений гашения дуг во временном разрезе.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что в конце разряда дуги гаснут не одновременно, и в некотором канале всегда имеется последняя горящая дуга. При этом активная составляющая комплексной нагрузки увеличивается в N раз и равна R_рез = R + r_к, наклон нагрузочной прямой резко увеличивается, и она пересекается с внешней характеристикой зарядного устройства не на участке стабилизации тока, а на участке стабилизации напряжения (см. фиг. 4). Необходимо, чтобы это падение было достаточно глубоким, и новое значение тока зарядного устройства, приходящееся на один-единственный канал нагрузки, не превосходило критического тока дуги. Тогда единственная горящая дуга нагрузки не будет подпитываться зарядным устройством и гарантированно погаснет. Приведенному на фиг. 4 граничному положению нагрузочной прямой соответствует формула для выбора сопротивления зарядного резистора

R (U_н.макс - 2U_к)/(i_к - I_макс/N),

при условии, что уставка стабилизированного напряжения выбрана по формуле E = U_н.макс + RI_макс/N.

Последняя же формула гарантирует, что в начале разряда при наибольшем допустимом напряжении разряда рабочая точка зарядного устройства еще находится на участке стабилизированного тока.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Pogrebnjak A. D. and Tolopa A.M. A review of high-dose implantation and production of ion mixed structures. - Nucl. Instrum. and Methods in Phis. Res. B, v. 52, N 1, 1990, s. 25 - 43.

2. Авторское свидетельство СССР N 1412517, кл. H 01 J 37/317, 1987.