вакуумно-дуговой источник плазмы
Классы МПК: | H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном |
Автор(ы): | Ветров Н.З., Кузнецов В.Г., Лисенков А.А., Радциг Н.М., Сабуров И.В. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество закрытого типа "СЕД-СПб", Институт проблем машиноведения РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-02-07 публикация патента:
10.03.2002 |
Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии. Технический результат - создание безаварийного вакуумно-дугового источника плазмы протяженной конструкции с прямолинейным характером движения катодных пятен по рабочей поверхности и надежным дугогашением. Вакуумно-дуговой источник плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода, размещенного внутри тонкостенного цилиндрического дополнительного экрана, превышающего длину катода и имеющего вдоль оси катода окно, за счет которого по длине катода от поджигающего электрода до дугогасящего экрана формируется рабочая поверхность. Дугогасящий экран с зазором расположен у токового ввода по срезу цилиндрического катода. Вакуумная камера выполняет функции анода. Протяженная магнитная система выполнена в виде петлевой обмотки, которая расположена с внешней стороны камеры. Данное условие позволяет устранить влияние ее теплового воздействия в процессе работы на величину достигаемого вакуума 5
10-5 мм рт.ст. В рабочем объеме расположено обрабатываемое изделие, установленное на электрически изолированном диске, вращение которого обеспечивает электродвигатель. 1 ил.
Рисунок 1
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180004/8226.gif)
Формула изобретения
Вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод, дугогасящий экран, поджигающий электрод, анод и протяженную магнитную систему, выполненную таким образом, что составляющие вектора магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси, отличающийся тем, что протяженный катод снабжен дополнительным экраном, охватывающим поверхность катода, с образованием продольного окна, формирующего рабочую поверхность на катоде от поджигающего электрода до дугогасящего экрана, установленного у токового ввода по срезу катода.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области вакуумно-плазменной технологии и может быть использовано для нанесения покрытий. В последнее время широкое применение получила технология нанесения покрытия, основанная на применении вакуумно-дуговых устройств с интегрально-холодным катодом. Использование данной технологии позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию. Вакуумно-дуговой разряд горит в парах материала катода. Разряд привязан к поверхности катода микропятнами, в зоне которых температура материала катода, как правило, превышает температуру кипения. Плотность тока в катодных пятнах имеет порядок 109...1010 А/м2, что и вызывает интенсивное испарение катода, обеспечивающее высокую эффективность процесса горения разряда [1, 2] . Вакуумно-дуговой разряд является устойчивым, если поддерживается динамическое равновесие между процессами распада и возникновением катодных пятен. Время жизни отдельной ячейки является величиной случайной, поэтому и продолжительность горения дуги также оказывается случайной величиной. О стационарном горении дуги можно говорить тогда, когда величина тока и общее количество элементарных ячеек достаточно велики. Поддержание разряда осуществляется напряжением, превышающим потенциал ионизации материала катода [3]. Основную часть этого напряжения составляет его катодное падение. Получаемые осциллограммы напряжения показывают наличие постоянной составляющей и большого числа флуктуаций, связанных с колебаниями разрядного тока. Уменьшение разрядного тока ведет к уменьшению постоянной составляющей с сопутствующим ростом амплитуды шумов. При горении дугового разряда наблюдаемые физические процессы определяются исключительно поведением катодных пятен, которые являются принципиально неустойчивыми плазменными образованиями и характеризуются некоторым среднестатистическим временем жизни. В промежуток времени от образования катодного пятна до его гибели оно постоянно находится в хаотическом перемещении по поверхности катода, скорость которого лежит в диапазоне от десятков долей до нескольких десятков метров в секунду. Технологическое вакуумно-дуговое устройство выполняет свое функциональное предназначение лишь в том случае, если зоной вероятного существования пятна является исключительно рабочая поверхность катода. Управление катодными пятнами и повышение надежности их удержания в заданной зоне эрозии является одной из самых актуальных проблем при разработке вакуумно-дуговых генераторов плазмы с интегрально-холодным катодом. По способу решения процесса стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода дуговые источники плазмы можно разделить на источники: без применения специальных мер по удержанию катодного пятна [3] и источники с магнитной стабилизацией катодного пятна [4]. Одиночное катодное пятно хаотически перемещается по поверхности катода. Если пятен несколько, то они взаимно отталкиваются, что проявляется в их движение к краям рабочей поверхности. Скорость движения пятен к периферии катода с ростом тока дуги увеличивается. Расхождение пятен после акта деления хорошо наблюдается на плоской поверхности протяженного катода. Взаимное отталкивание катодных пятен противоречит правилу Ампера. Этому же правилу противоречит и движение катодных пятен в магнитном поле. Как известно, на любой проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, поверхностная плотность которой связана с величиной плотности тока и магнитной индукции![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/2180472-2t.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/2180472-3t.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/2180472-4t.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/2180472-5t.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180039/964.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180039/964.gif)
1. Повысить надежность работоспособности источника плазмы. 2. Обеспечить равномерность толщины формируемого покрытия на обрабатываемых изделиях. Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем протяженный катод, дугогасящий экран, поджигающий электрод, анод и протяженную магнитную систему, выполненную таким образом, что составляющие вектора магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси, протяженный катод снабжен дополнительным экраном, охватывающим поверхность катода, с образованием продольного окна, формирующего рабочую поверхность на катоде от поджигающего электрода до дугогасящего экрана, установленного у токового ввода по срезу катода. Предлагаемое устройство отличается от известного следующим: в известном устройстве перемещение катодных пятен от поджигающего электрода к токовому вводу осуществляется в магнитном поле протяженной магнитной системы, что не обеспечивает надежной их стабилизации на рабочей поверхности, и, кроме того, произвольно расположенный дугогасящий экран не обеспечивает надежного гашения разряда. В заявляемом устройстве движение катодных пятен от поджигающего электрода к токовому вводу осуществляется в магнитном поле протяженного соленоида по рабочей поверхности катода, сформированной дополнительным экраном, полностью исключающего возможность отклонения катодных пятен от прямолинейной траектории при любых режимах работы испарителя. Расположение дугогасящего экрана у токового ввода по нижнему срезу цилиндрического катода обеспечивает надежное гашение дугового разряда. Для известного и предлагаемого устройств указанные отличия принципиальны. Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам неизвестна. Вся заявляемая совокупность признаков позволила достичь технических результатов, указанных выше. На чертеже представлена конструкция вакуумно-дугового источника плазмы. Конструкция вакуумно-дугового источника плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода 1, размещенного внутри тонкостенного цилиндрического дополнительного экрана 2, превышающего длину катода и имеющего вдоль оси катода окно 3, за счет которого по длине катода от поджигающего электрода 4 до дугогасящего экрана 5 формируется рабочая поверхность. Дугогасящий экран 5 с зазором расположен у токового ввода 6 по срезу цилиндрического катода 1. Вакуумная камера 7 выполняет функции анода. Протяженная магнитная система выполнена в виде петлевой обмотки 8, которая расположена с внешней стороны камеры. Данное условие позволяет устранить влияние ее теплового воздействия в процессе работы на величину достигаемого вакуума 5-10-5 мм рт.ст. В рабочем объеме расположено обрабатываемое изделие 9, установленное на электрически изолированном диске 10, вращение которого обеспечивает электродвигатель 11. Принцип действия предлагаемого источника плазмы протяженной конструкции основан на устранении возможности ухода катодных пятен на боковую, нерабочую, поверхность катода за счет установки дополнительного экрана, ориентированного вдоль катода и расположенного с внешней его стороны. Окно на боковой поверхности дополнительного экрана формирует на поверхности катода от поджигающего электрода до дугогасящего экрана прямолинейный участок рабочей поверхности, с которого и происходит эрозия плазмообразующего материала. Дополнительный экран выполнен в виде тонкостенного цилиндра из немагнитного материала, который электрически изолирован от катода. При горении дугового разряда экран приобретает плавающий потенциал. Источник плазмы работает следующим образом: на поверхности катода 1 от поджигающего устройства 4 формируются катодные пятна, которые в магнитном поле петлевой обмотки 8 перемещаются к токовому вводу 6 по рабочей поверхности катода, сформированной дополнительным экраном 2. При попадании катодных пятен в зазор катод 1 - дугогасящий экран 5 происходит погасание вакуумно-дугового разряда. Интервал между поджигающими импульсами больше или равен среднестатистическому времени жизни катодного пятна на поверхности катода. Осаждение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии 9, расположенном на пути ее движения. Скорость роста наносимого покрытия связана с параметрами плазменного потока следующим образом:
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/2180472-6t.gif)
где ji - плотность тока ионов на изделие;
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/967.gif)
![вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2180472](/images/patents/290/2180472/958.gif)
1. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги. //ЖТФ. 1980. Т.50, 1. С.78-86. 2. Бейлис И.И., Любимов Г.А. О параметрах прикатодной области вакуумной дуги.//ТВТ. 1975, 6. С. 1137-1145. 3. Аксенов И.И., Хороших В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге: Обзор. М.: ЦНИИатоминформ, 1984. 4. Дороднов А.М., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. // ЖТФ. 1981. Т. 51. 3. С.504-524. 5. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968. 6. Саксаганский Г.Л. Вакуумные электрофизичекие насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с. 6. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуумной дуги. // УФИ. 1978. Т.125. 4. С.665-706. 7. Патент 2072642. Россия. МКИ3 Н 05 Н 1/50, С 23 С 14/35. Вакуумно-дуговой источник плазмы. //. Абрамов И.С., Быстров Ю.А., Лисенков А.А., Павлов Б. В. , Шаронов В.И. (Россия) - 94021421/25. Заявл. 07.06.94. Опубл. Бюл. 3. 27.01.97.
Класс H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги
Класс C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном