HU202021B

HU202021B - Vacuum-erosion plasma accelerator

Info

Publication number: HU202021B
Application number: HU853501A
Authority: HU
Inventors: Aleksandr Fedorovich Isakov; Mikhail Danilovich Kiselev; Nikolajj Andreevich Arkhipov; Sergejj Matveevich Vasilev; Vladimir Egorovich Zavojjkin; Rudolf Rudolfovich Lutts
Original assignee: Nii T Avtomobilnojj Promy Niit
Priority date: 1984-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1991-01-28
Also published as: BG46740A1; HUT39037A; SU1358114A1; DD268374A3

Abstract

Die Erfindung betrifft Plasmatrone und Erosionsplasmabeschleuniger und kann fuer physikalische Untersuchungen und Beschichtungstechnologien benutzt werden. Ziel der Erfindung sind die Erhoehung der Zuverlaessigkeit bei der Anregung eines Plasmabeschleunigers und die Verringerung der Spannung und der Elektronenleistung der Startentladung. Zum Vakuum-Erosionsplasmabeschleuniger gehoeren die Katode 1, die in den Plasmazustand ueberfuehrt wurde, die Anode 2 in Form eines konischen Stutzens, die Gleichstromquelle 3, die mit der Katode 1 und der Anode 2 verbunden ist. Fluchtend mit dem Spiel gegenueber der Katode 1 ist die zylindrische Abschirmung 4 angeordnet, die durch den Isolator 5 gegenueber der Katode 1 elektrisch entkoppelt ist. Die Abschirmung ist ueber den Isolator 6 mit der Anode 2 verbunden. An der Anode 2 ist mit Hilfe des Isolators 7 die Ausloeseelektrode 8 befestigt, die als Ring ausgefuehrt ist. FigurThe invention relates to plasmatrons and erosion plasma accelerators and can be used for physical examinations and coating technologies. The aim of the invention is to increase the reliability in the excitation of a plasma accelerator and to reduce the voltage and the electron power of the starting discharge. For the vacuum erosion plasma accelerator, the cathode 1, which has been brought into the plasma state, includes the anode 2 in the form of a conical nozzle, the DC source 3, which is connected to the cathode 1 and the anode 2. Escaping with the game against the cathode 1, the cylindrical shield 4 is arranged, which is electrically decoupled from the cathode 1 by the insulator 5. The shield is connected via the insulator 6 to the anode 2. At the anode 2, the Ausloeseelektrode 8 is fixed by means of the insulator 7, which is designed as a ring. figure

Description

A találmány tárgya vákuum-eróziós plazmagyorsító, amely a műszaki fizikai kutatások területén, ezen belül a plazmatechnikában és különböző kutatási területeken alkalmazható.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a vacuum erosion plasma accelerator for use in the field of technical physical research, including plasma technology, and in various research fields.

Ismertek olyan vezérelt vákuumkisülésen alapuló eszközök, amelyek vákuumban létrehozott ívkisülés felhasználásával műkődnek. Ilyen eszközöket ismertet például K. W. Hull: „Time delay in triggerd vákuum gap” (IEEE, Trans Electron devices, ED-13, N. 6, 1966.529. o.).Devices based on controlled vacuum discharge which operate using a vacuum arc generated device are known. Such devices are described, for example, in K. W. Hull, "Time Delay in Trigger Vacuum Gap" (IEEE, Trans Electron Devices, ED-13, N. 6, 1966-529).

Az ilyen vezérelt vákuum-ívkisülés alapján működő eszközöknél az elektródák közötti villamos ív gyújtásának elősegítése céljából plazmaágyú alkalmazható, amellyel az elektródák közötti térbe plazmacsomagot juttatnak Az elektródákra kapcsolt üzemi feszültség értéke általában több tízezer kV, ami a plazmán keresztül létrejövő ívkisülés gyújtásához elegendő.In such controlled vacuum arc discharge devices, a plasma gun can be used to facilitate the ignition of the electric arc between the electrodes to deliver a plasma package to the electrode space. The operating voltage applied to the electrodes is generally tens of thousands of kV, which is sufficient to discharge through the plasma.

Az eróziós plazmagyorsítóknál az elektródák közötti üzemi feszültség lényegesen alacsonyabb, stacioner és váltóáramú gyorsítók esetében általában ΙΟΙ 00 V nagyságrendű. Ez az üzemi feszültség nem alkalmas a plazmaágyúval létrehozott plazmacsomagban az átütés létrehozására, ezért a fenti gyújtási mód itt nem használható.In the case of erosion plasma accelerators, the operating voltage between the electrodes is significantly lower, and in the case of stationary and alternating current accelerators, the order of magnitude is ΙΟΙ 00 V. This operating voltage is not suitable for creating a breakthrough in a plasma package created with a plasma cannon, so the above ignition mode cannot be used here.

Eróziós gyorsítókban a kisülés gyújtása leghatékonyabban és legegyszerűbben egy kiegészítő gyújtóelektróda segítségével, a gyújtóelektróda és a gyorsító katódja között létrehozott impulzusszerű átütés által biztosítható. A katód anyaga ennek során részben elgőzölög, izzó katódfolt közvetlen kialakulásához kedvező feltételek jönnek létre, és lehetővé válik a villamos átütés viszonylag alacsony üzemi feszültség mellett történő kialakulása. Az impulzusszerű átütés teljesítményének csökkentése és feszültségének mérsékelése érdekében a gyújtóelektróda és a katód közötti hézagot célszerű segédközeggel kitölteni. Az átütés ily módon általában egy gyújtóelektródát a katódtól elválasztó szigetelőn lévő vezetőrétegen, vagy az elektródák közötti térbe az átütés pillanatában bevezetett gáz vagy gőz alakú közegen keresztül jön létre.In erosion accelerators, the ignition of the discharge is most efficiently and simply accomplished by the use of a pulse-to-pulse break between the ignition electrode and the accelerator cathode by means of an additional ignition electrode. During this process, the material of the cathode is partially vaporized, favorable conditions are created for the direct formation of a glowing cathode spot, and it is possible to produce an electric shock at a relatively low operating voltage. In order to reduce the power of the impulse-like breakdown and to reduce its voltage, it is expedient to fill the gap between the ignition electrode and the cathode with an auxiliary medium. The breakthrough is thus generally created through a conductive layer on the insulator separating the ignition electrode from the cathode, or through a gas or vapor medium introduced into the space between the electrodes at the time of the breakthrough.

I.G. Blinov és társai „Vakuum-Starkstrom-Plasmaeinrichtungen und dérén Anwendung in dér technologischen Ausrüstung dér Mikroelektronik”, c. közleményükben (Teil Π, 40. o., Elektronik, 1974) olyan elrendezést ismertetnek, amelynek katód és anód elektródái, továbbá gázszállító kollektora és gyújtóelektródája van, ahol a katód plazmaállapotba hozható anyagból készül. A gyorsítót vagy a katód gyújtóelektródával való érintkeztetésével, vagy a kollektoron keresztül történő gázbevezetés útján indítják, ami először a katód és a gyújtóelektróda között, majd a katód és az anód között is átütést eredményez.I.G. Blinov et al., "Vacuum-Starkstrom-Plasmaeinrichtungen und dereen Anwendung in dere technologischen Ausrüstung dere Microelectronics", c. (Teil Π, p. 40, Elektronik, 1974) disclose an arrangement comprising a cathode and anode electrodes, as well as a gas transport collector and an ignition electrode, wherein the cathode is made of a plasma-capable material. The accelerator is triggered either by contacting the cathode with the ignition electrode or by introducing gas through the collector, which first causes a break between the cathode and the ignition electrode, and then between the cathode and the anode.

A fenti megoldás hátránya, hogyThe disadvantage of the above solution is that

- a katód és a gyújtóelektróda érintkezésekor fokozott olvadásveszéllyel kell számtűni, aminek hatása a gyújtóelektróda működésképtelenné válhat;- there is an increased risk of melting when the cathode and the ignition electrode are contacted, the effect of which may render the ignition electrode inoperative;

- gázbevezetés útján megvalósított gyújtás r 'etében a villamos átütéshez szükséges nyomás eléréséhez meglehetősen nagy gázmennyiségre van szükség, így a kívánt nyomás kialakítása a vákuumtérben viszonylag időigényes művelet; a kollektornak a katód közvetlen közelében való elrendezése, és ezáltal a gázmennyiség csökkentése sem jelent kielégítő megoldást, hiszen a gáz a kollektorból felfelé és lefelé is kiáramlik, aminek következtében a kisülés létrejöttéhez a katód homlokfelűletén és oldalfelületein azonos körülmények alakulnak ki, ami nem megengedett.in the case of ignition by gas injection, a considerable amount of gas is required to achieve the pressure required for electric shock, so that the desired pressure in the vacuum space is a relatively time-consuming operation; positioning the collector in the immediate vicinity of the cathode and thereby reducing the amount of gas is not a satisfactory solution, since the gas flows out of the collector up and down, which results in unacceptable conditions on the front and side surfaces of the cathode.

A találmánnyal célunk vákuum-eróziós plazmagyorsító gyújtásbiztonságának növelése, és a gyújtást iniciáló kisülés villamos teljesítményének csökkentése.The object of the invention is to increase the ignition safety of a vacuum erosion plasma accelerator and to reduce the electrical power of the ignition initiating discharge.

A kitűzött feladat megoldására olyan vákuum-eróziós plazmagyorsítót alakítottunk ki, amely vákuumkamrában elrendezett anódot és katódot, valamint gázbevezető kollektort és gyújtóelektródát foglal magában, ahol a katód plazmaállapotba vihető anyagból van kialakítva, ahol - a találmány szerint - a katód koaxiálisán elrendezett gyorsító fémernyővel és azon belül elrendezett szigetelővel van körülvéve úgy, hogy a gyorsító fémernyő a katód palástfelületével a gázbevezető kollektort valósítja meg, amely a katód gyújtóelektróda felé néző homlokfelületének magasságában a gyorsító fémernyő szűkülete révén szűkített kimenőkeresztmetszettel rendelkezik A szűkített kimenőkeresztmetszet biztosítja az intenzív ívkisüléshez szükséges gáznyomás kialakulását.To accomplish this object, a vacuum erosion plasma accelerator is provided which comprises an anode and cathode arranged in a vacuum chamber, and a gas inlet collector and ignition electrode, wherein the cathode is formed of a plasma-capable material which, according to the invention, surrounded by an insulator arranged inside so that the accelerating metal shroud provides a gas inlet manifold with a cathode peripheral surface which, at the height of the front surface of the cathode facing the ignition electrode, has a narrowed outlet to provide a gas outlet.

A gyújtóelektródát a találmány szerint előnyösen a vákuumkamra háza valósítja meg.The ignition electrode according to the invention is preferably implemented in the housing of a vacuum chamber.

A találmányt a továbbiakban a rajz alapján ismertetjük, ahol az 1. ábrán a találmány szerinti vákuum-eróziós plazmagyorsító példakénti kiviteli alakjának vázlatát tüntettük fel, blokkvázlat, illetve hosszmetszet formájában.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic block diagram and a longitudinal section, respectively, of a vacuum erosion plasma accelerator according to the invention.

Amint a rajzból kitűnik, a találmány szerinti vákuum-eróziós plazmagyorsítónak 1 katódja van, amely plazmaállapotba vihető anyagból készül. Az 1 katód körül 2 anód van elrendezve, amely felül 7 szigeteléssel van ellátva. A 7 szigetelés fölött gyűrű alakú 8 gyújtóelektróda van elrendezve. A 8 gyújtóelektróda kialakítható a plazmagyorsító vákuumkamrájának a rajzon nem ábrázolt házaként is.As shown in the drawing, the vacuum erosion plasma accelerator according to the invention has a cathode 1 which is made of a plasma-convertable material. Anode 2 is provided around the cathode 1 and is provided with insulation 7 at the top. An annular ignition electrode 8 is provided above the insulation 7. The ignition electrode 8 may also be formed as a housing of a plasma accelerator vacuum chamber (not shown).

A találmány szerinti plazmagyorsító az 1 katódra és a 2 anódra csatlakozó 3 egyenáramú tápforrással, valamint az 1 katódra és a 8 gyújtóelektródára csatlakozó 9 egyenáramú tápforrással rendelkezik.The plasma accelerator according to the invention has a DC power supply 3 connected to the cathode 1 and anode 2 and a DC power supply 9 connected to the cathode 1 and the ignition electrode 8.

A hengeres 1 katód koaxiális elrendezésű 4 gyorsító fémernyővel és azon belül elrendezett 5 szigetelővel van körülvéve. Az 5 szigetelőbe 10 bevezetőcsonk van beépítve.The cylindrical cathode 1 is surrounded by a coaxial accelerator metal shield 4 and an insulator 5 arranged therein. Inlet 5 is provided with an inlet connection 10.

A 4 gyorsító fémernyő és az 5 szigetelő az 1 katód palástfelületével gázbevezető kollektort valósít meg. A 4 gyorsító fémernyőt a 2 anódtól 6 szigetelés választja el.The accelerator metal shield 4 and the insulator 5 form a gas inlet manifold with a cathode 1 peripheral surface. The accelerator metal shield 4 is separated from the anode 2 by insulation 6.

A találmány szerinti plazmagyorsító a következőképpen működik:The plasma accelerator according to the invention functions as follows:

A 3 és 9 egyenáramú tápforrások üzembe helyezése után a 10 bevezetőcsonkon keresztül szükséges mennyiségű gázt juttatunk a gázbevezető kollektorba. Mivel a gázbevezető kollektor kimenő-keresztmetszete a 4 gyorsító fémernyő felső szűkületének köszönhetően jelentős mértékben leszűkül, a gáznyomás az 1 katód és a 4 gyorsító fémernyő közötti térben megnövekszik, eléri az intenzív glimmkisűlés kialakulásához szükséges értéket. A glimmkisülést a térrészben világos parázsfény-jelenség kíséri, ami a gázplazma - 11 plazmasugár - magas ionizációfokára utal. Mivel aAfter commissioning the DC power supplies 3 and 9, the required amount of gas is introduced through the inlet 10 into the gas inlet manifold. As the outlet cross-section of the gas inlet collector is significantly reduced due to the upper constriction of the accelerator metal shield 4, the gas pressure increases in the space between the cathode 1 and the accelerator metal shield 4, reaching the value necessary for the intense glimmer discharge. The glimmer discharge in the space is accompanied by a clear glow phenomenon, which indicates a high degree of ionization of the gas plasma - 11 plasma jets. Because the

HU 202021 Β plazma az 1 katóddal közvetlenül érintkezik, az 1 kátéd és a 8 gyújtóelektróda között a 9 egyenáramú tápforrás közreműködésével, majd ezt követően az 1 kátéd és a 2 anód között a 3 egyenáramú tápforrás közreműködésével létrejön az átütés, kialakul az ívki- 5 sfilés. A 9 egyenáramú tápforrást ezután kikapcsol juk.Plasma is in direct contact with cathode 1, a breakdown is formed between the cathode 1 and the ignition electrode 8 with the DC power supply 9, and then with the cathode 1 and the anode 2 with the DC power supply 3. . The DC power supply 9 is then turned off.

A 8 gyújtóelektróda vákuumkamraház fámájában történő megvalósítása a gyújtás biztonságát növeli, mivel a 8 gyújtóelektróda és az 1 katód közötti feszültség a gyújtás pillanatáig állandó értéken tartható, 10 miközben a gáznyomás viszonylag tág határok között folyamatosan változik, így előbb-utóbb nagy megbízhatósággal kialakulnak a glimmkisűlés szépiára kedvező viszonyok Előnyös, hogy a glimmkisűlés számára kedvező feltételek a 11 plazmasugárral érintkező 1 15 katód közvetlen környezetében alakulnak ki, ami a villamos átütés kialakulásának valószínűségét ugyancsak növeli.The implementation of the ignition electrode 8 in the vacuum chamber wood increases the safety of the ignition, since the voltage between the ignition electrode 8 and the cathode 1 can be kept constant until the moment of ignition 10, while the gas pressure varies continuously over a relatively wide range. Advantageous conditions It is advantageous that conditions favorable to glimmer discharge occur in the immediate vicinity of the cathode 1 15 which is in contact with the plasma beam 11, which also increases the likelihood of electric shock.

A gyújtást iniciálé kisülés közben tapasztalható feszültségesés és elektromosteljesítmény-csökkenés arra vezethető vissza, hogy az átütés ionizált közegben játszódik le.The voltage drop and electrical power drop during the ignition initiation discharge is due to the breakdown occurring in an ionized medium.

Claims

PATENT CLAIMS

A vacuum erosion plasma accelerator comprising an anode and a cathode arranged in a vacuum chamber, and a gas inlet collector and an ignition electrode, wherein the cathode is made of a plasma-capable material, α ,αζζ characterized in that the accelerator (4) and the accelerator surrounded by an insulator (5) arranged inside a metal mine (4) such that the accelerating metal shield (4) forms a gas inlet manifold with the peripheral surface of the cathode (1), which at the height of the face of the cathode (1) facing the ignition electrode (8) (4) has a narrowed outlet cross section due to its constriction.

Vacuum erosion plasma accelerator according to claim 1, characterized in that the ignition electrode (8) is designed as a housing for a vacuum chamber.