способ транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ транспортировки вакуумно-дуговой катодной плазмы в плазмооптической системе, содержащей источник плазмы с катодом и анодом, плазмовод и электромагнитные катушки, включающий создание посредством источника плазмы потока катодной плазмы и его перемещение под действием транспортирующего магнитного поля, которое создают с использованием электромагнитных катушек плазмооптической системы, отличающийся тем, что в процессе транспортирования потока катодной плазмы осуществляют ее фильтрование от макрочастиц материала катода, при этом создают транспортирующее магнитное поле, состоящее из постоянного магнитного поля и изменяемых по напряженности дополнительных магнитных полей, отклоняющих потоки плазмы от поверхностей конструктивных элементов плазмооптитческой системы, причем дополнительные магнитные поля создают с помощью дополнительных электромагнитных катушек, при этом напряженность соответствующего дополнительного магнитного поля увеличивают при приближении плазменного потока к поверхности соответствующего конструктивного элемента и уменьшают при удалении плазменного потока от поверхности этого элемента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при транспортировке плазменных потоков в прямолинейной плазмооптической системе с плазмоводом постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью двух электромагнитных катушек, одна из которых охватывает катод, а другая - плазмовод вблизи выходного отверстия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при транспортировке плазменных потоков в криволинейной плазмооптической системе с плазмоводом постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью электромагнитных катушек, которые соответственно охватывают катод, анод и криволинейную часть плазмооптической системы.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что при транспортировке плазменных потоков внутри анода дополнительное магнитное поле внутри него создают с помощью охватывающей его дополнительной электромагнитной катушки, при условии, что это магнитное поле сонаправлено с постоянным транспортирующим магнитным полем, при этом напряженность этого дополнительного магнитного поля изменяют так, чтобы для заданной разности потенциалов между катодом и анодом ее величина была прямо пропорциональна току дуги, который течет через анод, или для заданного тока дуги, который течет через анод, она была обратно пропорциональна анодному падению потенциала.

5. Способ по п.2 или 4, отличающийся тем, что в источнике плазмы, который имеет внутри анода для отражения макрочастиц электропроводящий отрезок трубы, расположенный на его оси и электрически связанный с ним, закрытый с торца, обращенного к катоду, при этом транспортировку плазменного потока в промежутке между внешней поверхностью этого отрезка трубы и внутренней поверхностью анода осуществляют при воздействии на плазменный поток дополнительным магнитным полем, создаваемым с помощью отклоняющей электромагнитной катушки, расположенной внутри этого отрезка трубы коаксиально ему при условии, что это магнитное поле направлено противоположно постоянному транспортирующему магнитному полю на оси плазмооптической системы, при этом напряженность магнитного поля, создаваемого этой катушкой, увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока дуги, который течет через этот отрезок трубы.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, внутри которого на плазменный поток действуют сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей плазмовод, причем напряженность дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через плазмовод.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, внутри которого на плазменный поток действуют, сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем, дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей плазмовод, причем напряженность дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через плазмовод.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выходной частей, электроизолированных друг от друга и от анода, при этом на плазменный поток действуют сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей входную часть плазмовода, при условии, что напряженность этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через выходную часть плазмовода.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выходной частей, электроизолированных друг от друга и от анода, при этом на плазменный поток действуют сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей входную часть плазмовода, при условии, что напряженность этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через выходную часть плазмовода.

10. Прямолинейная плазмооптическая система для вакуумно-дуговой катодной плазмы, содержащая источник плазмы с катодом и анодом, плазмовод для транспортировки плазмы, электромагнитные катушки, охватывающие катод, анод и плазмовод, и источник электропитания вакуумной дуги, отличающаяся тем, что она снабжена отражателями макрочастиц, одни из которых расположены внутри анода, а другие - внутри плазмовода, и электропроводящим отрезком трубы с коаксиально расположенной в нем отклоняющей электромагнитной катушкой, который коаксиально размещен внутри анода, электрически связан с ним и закрыт с торца, обращенного к катоду, при этом источник электропитания вакуумной дуги подключен к аноду через обмотку электромагнитной катушки, которая его охватывает, начальный виток обмотки отклоняющей электромагнитной катушки внутри вышеупомянутого отрезка трубы электрически соединен с ним, а вывод последнего витка этой катушки соединен с положительным полюсом источника электропитания вакуумной дуги.

11. Плазмооптическая система по п.10, отличающаяся тем, что отклоняющая электромагнитная катушка внутри вышеупомянутого отрезка трубы выполнена из водоохлаждаемой трубки.

12. Плазмооптическая система по п.10 или 11, отличающаяся тем, что плазмовод охвачен дополнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электрически соединен с плазмоводом, а другой конец - подключен к положительному полюсу отдельного источника электропитания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.

13. Плазмооптическая система по п.10 или 11, отличающаяся тем, что плазмовод выполнен из двух электрически изолированных друг от друга и от анода входной и выходной частей, при этом входная часть плазмовода охвачена электромагнитной катушкой, один конец которой электрически соединен с выходной частью плазмовода, а другой конец - подключен к положительному полюсу отдельного источника электропитания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике формирования потоков эрозийной вакуумно-дуговой катодной плазмы для получения высококачественных покрытий различного назначения: износостойких, антифрикционных, декоративных и других, а также для поверхностного модифицирования материалов путем облучения потоками ионов и/или электронов.

Известно, что транспортировку с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы осуществляют в скрещенных электрическом и магнитном полях, когда электроны замагничены, а ионы не замагничены. В этих условиях фокусировка ионов в плазме осуществляется по законам оптики, а системы, в которых обеспечивается такая фокусировка, называют плазмооптическими системами.

Вакуумно-дуговая катодная плазма генерируется катодными пятнами вакуумной дуги при электродуговом испарении в виде высокоскоростных плазменных струй и потоков макрочастиц, образованных из жидкой фазы катодных пятен вакуумной дуги. Потоками плазмы можно управлять с помощью магнитного и электрического полей. Макрочастицы, которые выходят из катодных пятен дуги, движутся независимо от наличия магнитного или электрического полей, практически, по прямолинейным траекториям, т.к. они имеют большую массу по сравнению с ионами плазмы и малый заряд на единицу их массы. В связи с этим макрочастицы можно только отражать с помощью соответствующих средств в виде экранов или улавливать с помощью специальных ловушек. Наличие средств, которые отражают или улавливают макрочастицы, приводит к значительному уменьшению плазменного потока на выходе транспортирующей системы, поскольку значительная часть плазмы высаживается на этих средствах.

Известен способ [1] транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием криволинейного постоянного транспортирующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнитных катушек.

Известна плазмооптическая система [1] для транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы, включающая плазмовод. Для создания транспортирующего магнитного поля используются электромагнитные катушки, которые охватывают катод, анод и плазмовод. В этой системе плазмовод изогнут в виде четверти тора и электроизолирован от анода.

Для уменьшения потерь плазмы при ее транспортировке в таких изогнутых плазмооптических системах нужны сильные магнитные поля или большие поперечные размеры плазмовода и анода. Это является недостатком, как известного способа, так и устройства для его осуществления. Еще одним недостатком является значительная неоднородность интенсивности плазменного потока по его сечению на выходе из плазмовода. Поток плазмы, усредненный по времени, на выходе источника плазмы с такой плазмооптической системой распределяется на осаждаемой поверхности неравномерно из-за больших потерь плазмы, когда она эмитируется из периферийной области рабочей (торцевой) поверхности расходуемого катода. Поэтому получение равных по толщине покрытий на площади с диаметром пятна большим, чем диаметр катода без вращения подложки вокруг оси, которая должна быть смещена относительно оси плазменного потока, является достаточно проблематичным.

В качестве прототипа патентуемого способа рассматривается способ [2] транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием транспортирующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнитных катушек.

В качестве прототипа патентуемого устройства рассматривается известная прямолинейная плазмооптическая система [2] с плазмоводом для транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы. Эта плазмооптическая система содержит анод и плазмовод с отражателями макрочастиц, а также электромагнитные катушки для создания постоянного транспортирующего магнитного поля. Эти катушки охватывают катод, анод и плазмовод. Внутри анода на его оси установлен отражатель макрочастиц, выполненный в виде электропроводящего отрезка трубы, закрытого с торца, обращенного к катоду. Внутри этого отрезка трубы коаксиально ему расположена отклоняющая электромагнитная катушка для создания магнитного поля, направленного встречно магнитному полю, создаваемому электромагнитными катушками охватывающими катод, анод и плазмовод. Для питания электродугового испарителя служит специальный источник электропитания.

При использовании этого способа и устройства плазменные потоки, которые выходят из катодных пятен дуги в вакуумном электродуговом разряде, движутся вдоль транспортирующего магнитного поля и огибают отрезок трубы внутри анода. В результате потери плазмы из-за осаждения на этом участке несколько уменьшаются.

Однако, несмотря на некоторое уменьшение таких потерь этот способ, принятый за прототип, и плазмооптическая система, в которой этот способ осуществляется, имеют недостатки, приводящие все еще к значительным потерям плазменных потоков при их транспортировке. Одним из таких недостатков является образование в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной боковой поверхностью вышеупомянутого отрезка трубы магнитного зеркала 'за счет роста напряженности магнитного поля в продольном направлении. Из-за этого электроны плазмы, которые имеют энергию движения поперек магнитного поля большую, чем вдоль него, оказываются запертыми в магнитной ловушке, ограниченной участками с максимумами магнитного поля. Причем один из этих максимумов находится вблизи торцевой испаряемой поверхности катода, а другой - в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной боковой поверхностью вышеупомянутого отрезка трубы. Эти электроны, двигаясь вдоль магнитного поля и многократно отражаясь от магнитных пробок, образуемых в областях с максимумами магнитного поля, быстро уходят из плазменного потока на внутреннюю поверхность анода. Такой уход электронов происходит, как за счет их диффузии поперек магнитного поля в результате столкновений, так и за счет дрейфа электронов в сторону внутренней поверхности анода под действием электрического поля поперечной поляризации плазменной струи в магнитном поле. Такая поляризация вызывается дрейфовыми движениями замагниченных электронов относительно незамагниченных ионов поперек магнитного поля и внешнего электрического поля. Наличие поперечного градиента магнитного поля, направленного в сторону внешней поверхности вышеупомянутого отрезка трубы, также приводит к дрейфу электронов поперек магнитного поля и его поперечному градиенту. В таких условиях оба этих фактора будут суммироваться, что приведет к увеличению напряженности электрического поля поперечной поляризации плазменной струи, в котором электроны будут дрейфовать в сторону внутренней стенки анода. В соответствии с условием квазинейтральности плазмы, плазменную струю покинет такое же количество ионов. В результате уменьшается ионный ток на выходе из анода.

Второй недостаток, приводящий к уменьшению среднего выходного ионного тока из источника плазмы, обусловлен следующими причинами. При фиксированном токе дуги разница потенциалов между плазменной струей и анодом или между плазменной струей и плазмоводом постоянно изменяется через непрерывные изменения положений катодных пятен дуги, которые перемещаются по рабочей (торцевой) поверхности катода. Если катодные пятна перемещаются в периферийной области рабочей (торцевой) поверхности катода, то плазменные струи, которые выходят из этих пятен, проходят вблизи внутренних поверхностей анода и плазмовода (или отражающих макрочастицы экранов, которые прикреплены к аноду и к плазмоводу). Чем ближе плазменная струя приближается к внутренним поверхностям анода и плазмовода, тем большая часть плазменного потока попадает на эти поверхности и, как следствие, уменьшается ионный ток из источника плазмы. Этот недостаток свойственен всем существующим электродуговым источникам плазмы, в которых транспортировка с фильтрованием от макрочастиц катодной плазмы осуществляется подобным способом в подобной системе, как в прототипе, так и в других аналогах.

Задачей, на решение которой направлено изобрегение, являются усовершенствования, как способа транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы, так и устройства для его осуществления. Эти усовершенствования должны уменьшить потери плазмы при ее транспортировке. Для этого необходимо обеспечить такие условия транспортировки плазменных потоков, чтобы при разных положениях катодных пятен дуги на торцевой поверхности катода плазменные потоки эффективно огибали конструкционные элементы на поверхностях источника плазмы, которые отражают и улавливают макрочастицы.

Поставленная задача решается в предложенном способе транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы, в котором, также как и в способе, принятым за прототип, транспортировку плазменных потоков осуществляют под действием транспортирующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнитных катушек.

В отличие от прототипа, транспортирующее магнитное поле создают путем суперпозиции постоянного магнитного поля и, изменяемых по напряженности, дополнительных магнитных полей, отклоняющих потоки плазмы от поверхностей конструктивных элементов источника плазмы. При этом дополнительные магнитные поля создают с помощью дополнительных электромагнитных катушек. Напряженность соответствующего дополнительного магнитного поля увеличивают при приближении плазменного потока к поверхности соответствующего конструктивного элемента источника плазмы и уменьшают при удалении плазменного потока от поверхности этого элемента.

При транспортировке плазменных потоков в прямолинейной плазмооптической системе постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью двух электромагнитных катушек, одна из которых охватывает катод, а другая - плазмовод вблизи выходного отверстия.

При транспортировке плазменных потоков в криволинейной плазмооптической системе постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью катушек, которые, соответственно, охватывают катод, анод и криволинейную часть плазмооптической системы.

Как в прямолинейной, так и в криволинейной плазмооптических системах, при транспортировке плазменных потоков внутри анода, дополнительное магнитное поле создают с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей его. Магнитное поле этой катушки должно быть сонаправлено с постоянным транспортирующим магнитным полем на оси плазмооптической системы. При этом напряженность этого дополнительного магнитного поля изменяют так, чтобы для заданной разности потенциалов между катодом и анодом ее величина была прямо пропорциональна току дуги, который течет через анод, или для заданного тока дуги, который течет через анод, она была обратно пропорциональна анодному падению потенциала.

В прямолинейной плазмооптической системе, которая имеет внутри анода расположенный на его оси электрически связанный с ним отражатель макрочастиц в виде элеетропроводящего отрезка трубы, закрытого с торца, обращенного к катоду, транспортировку плазменного потока в промежутке между внешней поверхностью этого отрезка трубы и внутренней поверхностью анода осуществляют при воздействии на плазменный поток дополнительным магнитным полем, которое создают с помощью отклоняющей электромагнитной катушки, коаксиально расположенной внутри отрезка трубы, при условии, что оно направлено противоположно постоянному транспортирующему магнитному полю на оси плазмооптической системы. При этом напряженность этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока дуги, который течет через этот отрезок трубы.

Дальнейшую транспортировку плазменных потоков, которые выходят из анодного участка, осуществляют в плазмоводе, внутри которого на плазменный поток действуют дополнительным магнитным полем, сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем. Это дополнительное магнитное поле генерируют с помощью дополнительной электромагнитной катушки, которая охватывает плазмовод. Причем его напряженность увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через этот плазмовод при подаче на него положительного относительно анода потенциала.

В другом варианте транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выходной частей, электроизолированных друг от друга и от анода. При этом на плазменный поток действуют дополнительным магнитным полем, сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем. В этом случае его генерируют с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей входную часть плазмовода. Причем напряженность его увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через выходную часть плазмовода при подаче на нее положительного относительно анода потенциала.

Поставленная задача реализуется в предложенной прямолинейной плазмооптической системе с плазмоводом для транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы. Эта система также как и система, принятая за прототип, включает отражатели макрочастиц, электромагнитные катушки, охватывающие катод, анод и плазмовод, электропроводящий отрезок трубы, коаксиально размещенный внутри анода, электрически связанный с ним, закрытытый с торца, обращенного к катоду и, имеющий внутри коаксиально расположенную отклоняющую электромагнитную катушку.

В отличие от прототипа в предлагаемой системе источник питания электродугового испарителя подключен к аноду через обмотку электромагнитной катушки, которая его охватывает. Начальный виток обмотки отклоняющей электромагнитной катушки внутри отрезка трубы электрически соединен с ним, а вывод последнего витка этой катушки соединен с положительным полюсом источника питания дуги.

В этой плазмооптической системе отклоняющая электромагнитная катушка внутри отрезка трубы может быть выполнена из водоохлаждаемой трубки.

Плазмовод в такой плазмооптической системе может быть охвачен дополнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электрически соединен с плазмоводом, а другой конец - подключен к положительному полюсу отдельного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.

В другом варианте плазмооптической системы плазмовод может быть выполнен из двух, электрически изолированных друг от друга и от анода, частей (входной и выходной). При этом входная часть плазмовода охвачена дополнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электрически соединен с выходной частью плазмовода, а другой конец - подключен к положительному полюсу. отдельного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.

Рассмотрим как отклоняющее действие дополнительных магнитных полей па плазменные потоки при их приближении к поверхностям конструктивных элементов источника плазмы с отражателями макрочастиц, осуществляемое при изложенных выше условиях позволяет уменьшить потери плазменных потоков при их транспортировке.

В прямолинейной плазмооптической системе для этого необходимо, чтобы постоянная составляющая транспортирующего магнитного поля имела выпуклую от оси конфигурацию, которая реализуется, как указано выше, за счет двух электромагнитных катушек, охватывающих, соответственно, катод и выходную часть плазмовода. Поперечный градиент этой составляющей магнитного поля направлен к оси плазмооптической системы. Под действием этого градиента внутри плазменной струи происходит разделение электрических зарядов, создающих электрическое поле поляризации, которое направлено поперек к магнитному полю и его градиенту. Это электрическое поле вызывает дрейф электронов поперек магнитного поля и электрического поля. поляризации, т.е. в сторону внутренней поверхности анода, что приводит к некоторому уменьшению осаждения плазмы на отражающий макрочастицы отрезок трубы с закрытым торцом, размещенный внутри анода. Чтобы усилить это действие вышеупомянутый поперечный градиент должен быть достаточным, чтобы скорость градиентного дрейфа электронов плазмы была, по крайней мере, не меньше, чем скорость противоположно направленного дрейфа электронов во внешнем электрическом поле между плазменной струей и отрезком трубы, находящемся внутри анода под его потенциалом. Это обеспечивается, благодаря действию дополнительного магнитного поля, создаваемого с помощью электромагнитной катушки, коаксиально размещенной внутри отрезка трубы, находящейся внутри анода. Напряженность этого поля увеличивается или уменьшается прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока дуги, который течет через этот отрезок трубы, так как он электрически соединен с одним концом обмотки отклоняющей электромагнитной катушки, второй конец которой соединен с положительным полюсом источника питания вакуумной дуги. Вследвие этого плазменные потоки, которые выходят из катодных пятен вблизи оси катода, с большей эффективностью отклоняются от внешней поверхности вышеупомянутой отрезка трубы в сторону внутренней поверхности анода, что приводит к значительному уменьшению потерь ионов из плазменной струи на этом отражающем макрочастицы конструктивном элементе.

Однако, когда катодные пятна при электродуговом испарении перемещается на периферии торцевой поверхности катода, плазменные потоки, эмитируемые этими катодными пятнами, приближается на близкое расстояние к поверхностям отражателей макрочастиц на аноде и плазмоводе. Для уменьшения диффузных потерь плазменных потоков на эти поверхности на плазменные потоки воздействуют соответствующими дополнительными магнитными полями, сонаправленными с постоянным транспортирующим магнитным полем. Эти поля создаются электромагнитными катушками, охватывающими, соответственно, анод и плазмовод и подсоединенными соответствующим образом, как указано выше, к источникам электропитания. Поэтому напряженности этих полей увеличиваются, когда необходимо отклонить плазменные потоки от соответствующих поверхностей и уменьшаются, когда плазменные потоки удаляются от них. Это и обеспечивает уменьшение потерь плазменных потоков при их транспортировке.

Сущность изобретения поясняется схемой устройства для реализации предложенного способа.

В качестве примера реализации патентуемого изобретения вначале рассмотрим предлагаемое устройство. Это прямолинейный вариант плазмооптической системы для транспортировки вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрованием от макрочастиц. Эта система (см. схему) содержит катод 1 и анод 2, с расположенными внутри пего отражателями макрочастиц в виде кольцеобразных экранов 3. Плазмовод в этой системе выполнен из двух частей входной 4 и выходной 5, которые электроизолированы друг от друга и от анода 2. Внутри этих частей плазмовода расположены отражатели макрочастиц в виде наборов кольцеобразных экранов 6 и 7. Для формирования постоянной составляющей транспортирующего магнитного поля 8 служат электромагнитные катушки 9 и 10, которые охватывают, соответственно, катод 1 и выходную часть плазмовода 5. Внутри анода 2 соосно с ним расположен отражатель макрочастиц в виде отрезка трубы 11 с закрытым торцом, обращенным к катоду 1. Внутри этого отрезка трубы расположена электромагнитная катушка 12, с витками из трубки для охлаждения водой. Эта электромагнитная катушка предназначена для генерирования дополнительного отклоняющего, магнитного поля 13, направленного на оси системы противоположно направлению постоянной части транспортирующего магнитного поля 8. Узел 14 предназначен для поджига вакуумной дуги. Источник питания вакуумной дуги 15 подключен к аноду 2 через обмотку электромагнитной катушки 16, которая его охватывает. Отрезок трубы 11 электрически соединен с одним концом обмотки отклоняющей электромагнитной катушки 12, второй конец которой соединен с положительным полюсом источника питания вакуумной дуги 15. Плазмовод подключен к отдельному источнику питания 17, отрицательный полюс которого соединен с анодом 2, а положительный полюс через обмотку катушки 18, которая охватывает входную секцию 4 плазмовода, соединен с его выходной секцией 5.

Пример реализации способа рассмотрим, описывая работу устройства.

Поджиг дуги осуществляется путем подачи на узел поджига дуги 14 (см. схему) высоковольтного импульса, который инициирует возбуждение катодного пятна дуги на боковой поверхности катода 1, которое выталкивается магнитным полем на торцевую (рабочую), поверхность катода. В зависимости от тока дуги на торцевой поверхности катода 1 могут образовываться несколько катодных пятен, которые, перемещаясь по ней, эмитируют струи катодной плазмы с высокой ионизацией вместе с макрочастицами материала катода. Макрочастицы, двигаясь по прямолинейным траекториям, задерживаются отражателями 3, 6, 7 и торцевой поверхностью отрезка трубы 11. Плазменные струи, ионизация которых близка к 100%, двигаясь вдоль транспортирующего магнитного поля 8 выпуклой конфигурации, которое огибает отрезок трубы 11, проходят через все отверстия отражателей 3, 6 и 7 на выход плазменного источника. В зависимости от положения катодного пятна дуги на торцевой поверхности катода с помощью электромагнитных катушек 16 и 18, которые охватывают анод 2 и входную секцию плазмовода 4, соответственно, создают изменяемые по напряженности электромагнитные поля. Эти поля изменяют конфигурацию и напряженность результирующего транспортирующего магнитного поля, постоянная составляющая которого создается с помощью электромагнитных катушек 9 и 10. На плазменный поток также действуют дополнительным отклоняющим магнитным полем 13 внутри анода 2. Это отклоняющее магнитное поле направлено противоположно постоянному транспортирующему магнитному полю на оси системы и создается с помощью отклоняющей электромагнитной катушки 12, расположенной коаксиально внутри трубной секции фильтрующего элемента 11.

Если источник питания 15 работает в режиме фиксированного тока дуги, напряженности дополнительных магнитных полей внутри анода 2 будут пропорциональные токам дуги, которые текут через анод 2 и отрезок трубы отражателя макрочастиц 11. Напряженности этих полей будут также обратно пропорциональны анодному падению потенциала. Если источник 15 работает в режиме фиксированного напряжения, тогда при приближении плазменных потоков к внутренней поверхности анода 2 или к внешней поверхности отрезка трубы 11, увеличится анодный ток на эти электроды. Вследствие этого увеличится ток, который течет через соответствующую катушку 16 или 12 и увеличится напряженность соответствующего магнитного поля, которое отклонит плазменный поток от стенки соответствующего конструктивного элемента источника плазмы.

Благодаря тому, что положительный полюс источника питания 17 соединен с выходной частью 5 плазмовода через дополнительную электромагнитную катушку 18, напряженность дополнительного магнитного поля внутри входной части 4 плазмовода при заданном постоянном потенциале относительно анода, подаваемом на электромагнитную катушку 18, будет пропорциональна величине тока, который течет через выходную часть 5 плазмовода.

При изложенных выше условиях при любых перемещениях катодных пятен на торцевой поверхности катода обеспечивается динамическое равновесие плазменных потоков в той области их транспортировки вдоль магнитного поля, в которой потери плазмы поперек магнитного поля будут минимальны. Причем устойчивость такого динамического равновесия плазменных потоков и стабилизация падения напряжения на дуге, растет пропорционально току дуги.

Как показали эксперименты, предложенный способ и устройство для транспортировки вакуумнодуговой катодной плазмы в прямолинейной фильтрующей плазмооптической системе, обеспечивает увеличение среднего выходного ионного потока при токе дуги 100 А не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом. При этом минимальное и максимальное значения выходного ионного тока составили 3,5 А и 4 А, соответственно. При увеличении тока дуги до 110 А минимальное и максимальное значения выходного ионного тока возрастают до 4 А и 5 А, соответственно.

Вариант осуществления предложенных способа и устройства в случа криволинейной плазмооптической системы отличается от варианта для случая прямолинейной плазмооптической системы тем, что постоянная составляющая транспортирующего магнитного поля создается электромагнитными катушками, охватывающими катод, анод и плазмовод. Внутри анода в криволинейной системе отсутствует отрезок трубы с размещенной внутри него отклоняющей электромагнитной катушкой. Работа криволинейной плазмооптической системы в режиме постоянного тока дуги отличается способом возбуждения дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей анод. Это отличие, в частности, заключается в том, что возбуждение этой катушки осуществляют от отдельного управляемого источника питания, который представляет собой усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью по анодному падению напряжения U_a на дуге, которое соответствует соотношению: U _a=U_д-U_к, где

U _к и U_д - соответственно, катодное падение напряжения на дуге и полное падение напряжения на дуге.

В данном частном случае U_a определяется с помощью компоратора, в котором задается постоянное, выбранное для данного материала катода, значение величины U_к. При отсутствии дугового разряда U_д=U_x.x, где

U _x.х - напряжение холостого хода источника питания дуги. При таком условии источник питания дополнительной электромагнитной катушки заперт и ток в этой катушке равен нулю. При поджиге дуги U_a уменьшается и источник питания этой катушки отпирается. В результате через катушку будет протекать ток обратно пропорциональный анодному падению потенциала U_a, генерируя соответствующее дополнительное магнитное поле.

Когда плазменные струи приближаются к внутренней поверхности анода, U_a уменьшается и напряженность дополнительного магнитного поля внутри анода, соответственно, увеличивается. Когда же плазменные струи удаляются от внутренней поверхности анода в сторону его оси, U_a увеличивается и, соответственно этому, уменьшается напряженность этого поля внутри анода. В результате такого воздействия на плазменные потоки дополнительным магнитным полем стабильность дугового разряда не ухудшается, а потери плазмы при ее транспортировке внутри анода в среднем уменьшаются. При дальнейшей транспортировке плазменных потоков в плазмоводе подача положительного потенциала относительно анода на криволинейный плазмовод осуществляется через дополнительную электромагнитную катушку, охватывающую этот плазмовод.

Источники информации:

1. И.И. Аксенов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших. Устройство для очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц // ПТЭ, № 5, 1978, с.236-237.

2. Патент Украины № 87880. МПК С23С 14/00. Вакуумно-дуговой источник плазмы, 2009 (прототип).