DE3023672C2

DE3023672C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Verdampfung eines Kathodenmaterials mittels eines Lichtbogens

Info

Publication number: DE3023672C2
Application number: DE19803023672
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Dr. 7022 Leinfelden Mailänder
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-06-25
Filing date: 1980-06-25
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE3023672A1

Description

—J— > ^L i (Pf+Pk) ,
Pf+Pk a

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wobei a und ρκ Materialkonstanten des Kathodenmaterials sind und γ eine Konstante der verwendeten Anodengeometrie ist.

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60

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdampfung eines Kathodenmaterials mittels eines Lichtbogens, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.

Für viele Anwendungen, beispielsweise in bestimmten Lasertypen und in der Lichtbogenchemie, erzeugt man mittels eines zwischen einer Anode und einer Kathode brennenden Lichtbogens Metallatom- und Metallionenplasmen. Die Metallatome und Metallionen werden dabei durch den Lichtbogen aus der Kathode freigesetzt.

Bei bekannten Anordnungen ist der Kontaktbereich zwischen Kathode und Lichtbogen jedoch sehr begrenzt, so daß die Erzeugung des Metallatom- und Metallionenplasmas nur in einem räumlich sehr eng begrenzten Bereich erfolgt

Es ist eine Vorrichtung bekannt bei welcher zwischen einer ringförmigen Anode und einer diese konzentrisch umgebenden Kathode ein Lichtbogen brennt, der durch ein achsparalleles Magnetfeld und bei geeigneter Wahl der Lichtbogenstromstärke und des Gasdrucks entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft abgelenkt wird, der also eine sogenannte «retrograde motion« erfährt.

Der Lichtbogen bildet sich dabei im wesentlichen in radialer Richtung zwischen Anode und Kathode aus und hat somit keinen großen Berührungsbereich mit der Kathode. Eine solche Anordnung ist daher zur effektiven Verdampfung des Kathodenmaterials wenig geeignet (AIAA Journal, VoI. 7, Nr. 8, 1969, Seiten 1430 bis 143/).

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe mittels eines Lichtbogens in wesentlich effektiverer Weise aus einer Kathode Metallatome und Metallionen zur Erzeugung entsprechender Plasmen freigesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Der kathodenseitige Ansatzpunkt bewegt sich bei einer Magnetfeldausbildung, bei der die Magnetfeldlinien auf der Kathodenoberfläche einen sogenannten »magnetischen Tunnel« ausbilden, längs dieses Tunnels in seinem Inneren, so daß der gesamte Lichtbogen im Inneren des Tunnels unmittelbar angrenzend an die Kathodenoberfläche geführt ist, falls der magnetische Tunnel sich ebenfalls parallel zur Kathodenoberfläche erstreckt. Auf diese Weise erhält man sehr lange Bereiche des Lichtbogens in unmittelbarer Nachbarschaft des Kathodenmaterials, und die Freisetzung von Metallatomen und Metallionen aus der Kathodenoberfläche kann über einen erheblichen Teil der Bogenlänge erfolgen, also über einen räumlich wesentlich größeren Bereich als bei bisher bekannten Vorrichtungen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kathode die Form eines Ringes hat, der magnetische Tunnel längs des Umfanges verläuft und die Anode im Innenraum der Kathode außer der Mitte angeordnet sind.

Die Anode kann bei einer solchen Anordnung für alle, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Kathodenringe ein einziger, parallel zur Längsachse der Anordnung verlaufender Stab sein.

Günstig ist es, wenn die Ringkathoden von Ringmagneten umgeben sind, die in axialer Richtung permanent magnetisiert sind, und wenn das Streufeld benachbarter Ringmagnete durch die zugeordnete: Ringkathode hindurchtritt und den magnetischen Tunnel bildet.

Bei einem Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß man das Magnetfeld B, die Lichtbogenstromstärke /' und/oder den Gasdruck pf am kathodenseitigen Ansatzpunkt derart wählt, daß die folgende Beziehung gilt:

Pf⁺Pk

> — / (Pf+Pk) ,

wobei a und ρκ Materialkonstanten des Kathodenmaterials sind und γ eine Konstante der verwendeten Anodengeometrie ist

Bei einer bestimmten Elektrodenanordnung mit bestimmten Materialkonstanten müssen daher lediglich das Magnetfeld B, die Stromstärke des Lichtbogens i und der Gasdruck pr im kathodennahen Bereich so aufeinander abgestimmt werden, daß die retrograde motion auftritt Man erreicht dann, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt bei der genannten Ausbildung des Magnetfeldes in Form eines magnetischen Tunnels in der beschriebenen Form längs der Kathodenoberfläche verläuft, und zwar bewegt er sich ausgehend vom kleinsten Abstand zwischen Anode und Kathode an der Kathode entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdampfung eines Kathodenmaterials im Längsschnitt und

F i g. 2 eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in F i g. 1.

Die in der Zeichnung dargestellte Plasmaquelle umfaßt eine Anzahl ringförmiger Kathoden 1, die koaxial nebeneinander angeordnet und durch zwischen ihre jeweiligen Stirnseiten eingelegten Isolierscheiben 2 elektrisch voneinander isoliert sind. Die Kathoden 1 und die Isolierscheiben 2 bilden zusammen ein rohrförmiges Gefäß.

Auf der Außenseite sind die ringförmigen Kathoden 1 von ringförmigen Permanentmagneten 3 umgeben, dip in axialer Richtung magnetisiert sind. Die Permanentmagnete haben in axialer Richtung etwa dieselbe Ausdehnung wie die Kathoden, sind jedoch diesen gegenüber versetzt angeordnet, so daß sich ein Luftspalt 4 zwischen benachbarten Permanentmagneten etwa in der Mitte einer ringförmigen Kathode ausbildet. Durch die axiale Magnetisierung und den Luftspalt zwischen benachbarten Permanentmagneten befindet sich so die Kathode im Streufeld 5 benachbarter Permanentmagnete. Die Feldlinien dieses Streufeldes verlaufen bogenförmig nach innen und bilden auf der Innenseite der ringförmigen Kathoden 1 einen magnetischen Tunnel 6 aus, der an der Innenseite der Kathoden 1 in einer Axialebene vollständig umläuft. Ein solcher magnetischer Tunnel 6 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldlinien aus der Oberfläche der Kathode austreten, oberhalb der Kathodenoberfläche bogenförmig verlaufen und an anderer Stelle wieder in die Kathodenoberfläche eintreten. Der Raum zwischen den Magnetfeldlinien und der Kathodenoberfläche kann dann als magnetischer Tunnel bezeichnet werden.

Ferner befindet sich in dem durch die Kathoden und die Isolierscheiben gebildeten rohrförmigen Innenraum 7 eine parallel zur Längsachse desselben verlaufende stabförmige Anode 8, die allen Kathodenringen 1 gemeinsam ist

Im Betrieb der Plasmaquelle werden die Anode 8 und alle Kathoden 1 in nicht dargestellter Weise mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden. Dadurch entsteht zwischen der Anode 8, die im Innenraum 7 außer der Mitte angeordnet ist, und der jeweiligen Ringkathode 1 ein Lichtbogen 9, und zwar an der Stelle des kleinsten Abstandes zwischen Anode und Ringkathode.

Bei geeigneter Wahl des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes B, des Lichtbogenstromes / und des Gasdruckes prim Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes des Lichtbogens tritt der Effekt der retrograde motion auf, d. h. der kathodenseitige Ansatzpunkt wandert entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft an der Innenwand der jeweiligen Kathode 1 entlang. Die Wanderung erfolgt dabei im Inneren des magnetischen Tunnels 6. Dieser führt nicht

ίο nur an den kathodenseitigen Ansatzpunkt des Lichtbogens, sondern er zwingt den sich daran anschließenden Bereich des Lichtbogens ebenfalls in das Innere des magnetischen Tunnels. Aufgrund dieser Effekte erhält man schließlich eine Lichtbogenkonfiguration, wie sie in Fig.2 dargestellt ist. Der Lichtbogen geht von der Anode aus, nähert sich bald der Innenfläche der Kathode 1 und verläuft dann an dieser Kathodeninnenfiäche entlang über einen erheblichen Teil des Kathodenumfanges. Die Länge dieses Lichtbogens hängt von der Spannung zwischen Anode und Kathode ab, denn bei Überschreiten einer bestimmten Länge des Lichtbogens reißt dieser ab.

Nach dem Acreißen bildet sich sofort an der Stelle des kleinsten Abstandes zwischen Kathode und Anode erneut ein Lichtbogen aus, der wieder im magnetischen Tunnel über einen wesentlichen Teil des Kathodenumfanges geführt wird.

Ein solcher an die Innenseite der Ringkathode angeschmiegter Lichtbogen bildet sich zwischen der

3d Anode und jeder Kathode aus. Auf diese Weise erhält man im Inneren des durch die Kathodenringe und die Isolierscheiben gebildeten rohrförmigen Gefäßes eine Vielzahl von Bereichen, in denen die Lichtbogen in engem Kontakt mit der Kathodenfläche stehen. Längs

π dieser Bereiche erfolgt die Verdampfung des Kathodenmaterials, d. h. man erzielt mit dieser Anordnung eine wesentlich effektivere Erzeugung des Metallatom- und Metallionenplasmas im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen der Lichtbogen lediglich im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes mit der Kathode in Berührung trat.

Um statt der üblicherweise erreichten Lorentz-Verschiehung des Lichtbogens im kathodenseitigen Ansatzpunkt die gewünschte retrograde motion zu erreichen,

·»> müssen das Magnetfeld im kathodenseitigen Ansatzpunkt, der Gasdruck im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes und der Strom des Lichtbogens bestimmte Bedingungen erfüllen. Wenn zwischen dem Magnetfeld B, der Lichtbogenstromstärke / und dem Gasdruck pp im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes die Beziehung

_JL_ > L ι (p_f+_Plc)
Pf⁺Pk a

gilt, dann bewegt sich der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft, man erhält also eine retrograde motion.

In dieser Beziehung sind a und ρκ Materialkonstanten des Kathodenmaterials, die Größe γ ist im wesentlichen eine Konstante der verwendeten Geometrie und umfaßt unter anderem den Elektrodenabstand sowie den Strömungswiderstand des Lichtbogens im Gas.

Im folgenden werden für einige Werte von γ die zugehörigen Werte der Materialkonstanten a und ρκ für verschiedene Kathodenmateriaiien angegeben:

Tabelle a

10^s ¹Yf

Metall

5,51 117 38,5 706 181 416 415 445

r>

Tabelle 2
Pk !1O⁵Pa]

Metall

Hg
Zn
Pb

Al Sn Ni Ti Mo

0,041

2,03

0,445

3,81

1,10

1,95

2,34

1,61

Bei einer gegebenen Anordnung mit gegebenem Kathodenmaterial genügt es also, entweder das Magnetfeld B groß genug und/oder den Lichtbogenstrom / und/oder den Gasdruck p/.- klein genug zu wählen, um den Effekt der retrograde motion zu erzielen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verdampfung eines Kathodenmaterials mittels eines Lichtbogens mit einer Anode und einer flächig ausgedehnten Kathode, die sich in einem Magnetfeld befindet, bei welcher am kathodenseitigen Ansatzpunkt des Lichtbogens das Magnetfeld B und/oder die Lichtbogenstromstärke / und/oder der Gasdruck Pf derart gewählt wird, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft verschoben wird (retrograde motion), dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld längs eines Oberflächenabschnittes der Kathode (1) einen sich parallel zu der Kathodenoberfläche erstreckenden magnetischen Tunnel (6) ausbildet, bei welchem die Magnetfeldlinien aus der Oberfläche der Kathode austreten, oberhalb der Kathode bogenförmig verlaufen und an anderer Stelle wieder in die Kathodenoberfläche eintreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) die Form eines Ringes hat, der magnetische Tunnel (6) längs des Umfanges verläuft und die Anode (8) im Innenraum (7) der Kathode (1) außer der Mitte angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kathodenringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- ω zeichnet, daß die Anode (8) für alle Kathodenringe ein einziger parallel zur Längsachse der Anordnung verlaufender Stab ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkathoden (1) von Ringmagneten (3) umgeben sind, die in axialer Richtung permanent magnetisiert sind, und daß das Streufeld benachbarter Ringmagnete (3) durch die zugeordnete Ringkathode (1) hindurchtritt und den magnetischen Tunnel (6) bildet.

6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Magnetfeld B, die Lichtbogenstromstärke i und/oder den Gasdruck pf am kathodenseitigen Ansatzpunkt derart wählt, daß die folgende Beziehung gilt: