вакуумное дуговое устройство
Классы МПК: | C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги |
Автор(ы): | Буров И.В., Кузнецов В.Г., Лисенков А.А., Рыбников С.И. |
Патентообладатель(и): | Институт проблем машиноведения РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-08-07 публикация патента:
27.06.2003 |
Изобретение относится к области вакуумно-плазменной технологии и может быть использовано для обработки длинномерных и крупногабаритных изделий. Устройство содержит протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами, подключенными к электрической схеме включения ограничительных сопротивлений и к источнику питания, поджигающий электрод и анод, при этом электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению. Изобретение направлено на повышение работоспособности источника плазмы, эффективности использования материала катода, равномерности формируемого покрытия. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Вакуумное дуговое устройство, содержащее протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами, подключенными к электрической схеме включения ограничительных сопротивлений и к источнику питания, поджигающий электрод и анод, отличающееся тем, что электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области вакуумной плазменной технологии и может быть использовано для нанесения покрытий. В последнее время широкое применение получила технология нанесения покрытий, 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. Технологическое вакуумное дуговое устройство выполняет свое функциональное предназначение лишь в том случае, если зоной вероятного существования катодного пятна является исключительно рабочая поверхность катода. Управление движением катодных пятен 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 и источники с магнитной стабилизацией катодного пятна. Так в источниках с коаксиальной системой электродов используется внешняя магнитная система, создающая достаточно сильное магнитное поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом![вакуумное дуговое устройство, патент № 2207399](/images/patents/263/2207012/945.gif)
- расположение электростатических экранов на рабочей поверхности приводит к неравномерной эрозии с поверхности катода с явно выраженным максимумом по центру катода;
- подобное расположение экранов затрудняет осуществление их электрической изоляции от катода;
- в процессе работы наблюдается осаждение продуктов эрозии материала катода на электроизоляционные участки, что приводит к возрастанию вероятности ухода катодных пятен на нерабочие участки катода;
- электрическая схема управления имеет сложный характер фиксации катодных пятен. Задачей заявляемого изобретения является создание надежно управляемого вакуумного дугового источника плазмы протяженной конструкции, работающего в стационарном режиме. Решение поставленной задачи позволит обеспечить следующие технические результаты:
1. повысить надежность работоспособности источника плазмы;
2. наиболее эффективно использовать материал катода;
3. обеспечить равномерность толщины формируемого покрытия на обрабатываемых изделиях. Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумном дуговом устройстве, содержащем протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами с электрической схемой подключения ограничительных сопротивлений к источнику питания, поджигающим электродом и анодом, электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению. Предлагаемое устройство отличается от известного. В известном устройстве перемещение катодных пятен в рабочей зоне протяженного катода осуществляется в пределах, ограниченных электростатическими экранами. При этом, как показывает практика, их использование не предотвращает от ухода катодных пятен на нерабочую поверхность. Характер движения катодных пятен осуществляется случайным образом и зависит от величины протекающих токов в плечах. В заявляемом устройстве движение катодных пятен осуществляется по всей длине катода, что достигается как предложенным использованием экранов и магнитных систем, так и электрической схемой. Расположение дугогасящего экрана у токового ввода цилиндрического катода обеспечивает надежное удержание дугового разряда на рабочей поверхности и совместно с магнитными системами, формирующими аксиально-симметричное встречное магнитное поле, предотвращает уход катодных пятен на нерабочие участки испарителя. Даже при условии попадания катодных пятен в зазор экран - катод произойдет их погасание. Подобное расположение экрана исключает изменение дугогасящего зазора в процессе работы, тем самым повышая надежность работы устройства. Встречное магнитное поле при нахождении катодного пятна у одного из токовых вводов препятствует дальнейшему его перемещению и создает благоприятное условия для смены направления его движения. Устройство коммутации обеспечивает поочередное подключение источников питания. Частота коммутации меняется в диапазоне 1...20 Гц. При условии отключения одного из источников питания катодное пятно движется в направлении подключенного токового ввода. Чередование подключений источников питания обеспечивает перемещение катодных пятен от одного торца катода к другому, что обеспечивает высокую степень равномерности нанесения покрытия. Управляющее сопротивление повышает стабильность горения дугового разряда при условии разделения протекающих токов на I1 и I2. Для известного устройства и предлагаемого - указанные отличия принципиальны. Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам неизвестна. Вся заявляемая совокупность признаков позволила достичь технических результатов, указанных выше. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструкция вакуумно-дугового источника плазмы. Конструкция вакуумно-дугового источника плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода 1 с симметрично расположенными с торцов токовыми вводами 2, на которых расположены электрически изолированные дугогасящие экраны 3 и магнитные системы 4, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле величиной порядка 100 мТл. Поджигающий электрод 5 упирается в рабочую поверхность катода. Функции анода 6 обычно выполняют стенки вакуумной камеры. Электрическая схема включения состоит из коммутирующего устройства 7, подключающего источники питания 8 и 9 к управляющему сопротивлению Ryпp.
Принцип действия предлагаемого источника плазмы протяженной конструкции основан на управляемом характере горения вакуумной дуги на увеличенной рабочей поверхности катода при устраненной возможности ухода катодных пятен на нерабочую поверхность катода за счет совместного воздействия дополнительных экранов и магнитных систем, формирующих аксиально-симметричное встречное магнитное поле. Электростатические экраны 3, электрически изолированные от катода 1, выполнены из немагнитного материала. При горении дугового разряда они приобретают плавающий потенциал. Используемые магнитные системы 4 выполнены или в виде соленоидов, или постоянных магнитов с заданной намагниченностью. Источник плазмы работает следующим образом: на поверхности катода 1 у поджигающего устройства 5 формируются катодные пятна, которые перемещаются по рабочей поверхности катода, сформированной электростатическими экранами 3. При нахождении катодного пятна у одного из токовых вводов на него начинает оказывать воздействие магнитное поле соленоида, препятствующее дальнейшему его перемещению и создающее благоприятные условия для смены направления их движения. После смены включения источников питания катодное пятно движется в направлении подключенного токового ввода. Регулирование частоты следования импульсов позволяет управлять временем нахождения на заданных участках рабочей зоны катода. Осаждение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии, расположенном на пути ее движения. Распределение плотности ионного тока вдоль оси катода имеет равномерный характер, при этом неравномерность не превышает единиц процентов. Использование разработанных конструкций вакуумно-дуговых источников плазмы позволило обрабатывать крупногабаритные изделия высотой до 450 мм. Неравномерность толщины наносимого покрытия по высоте изделия при этом не превышала нескольких процентов. Практически предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства с протяженным цилиндрическим катодом длиной 500 мм была опробована в серийном производстве для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп. В этом случае неравномерность получаемого покрытия как по длине, так и по внешней стороне не превышала единиц процентов. Источники информации
1. Патент 2072642 России. МКИ 4 С 23 С 14/32. Вакуумно-дуговое устройство /И.С.Абрамов, Ю.А.Быстров, А.А.Лисенков и др. - 1996. - БИ 11. 2. Патент 2098512 России. МКИ 4 С 23 С 14/32. Вакуумно-дуговое устройство /Абрамов И.С., Быстров Ю.А., Лисенков А.А. - 1997. - БИ 34. 3. Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 277с. (152 стр.).
Класс C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном
Класс H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги