RU116686U1

RU116686U1 - CATHODE ASSEMBLY OF A PULSE ARC PLASMA GENERATOR

Info

Publication number: RU116686U1
Application number: RU2012105062/07U
Authority: RU
Inventors: Олег Иосифович Обрезков; Вячеслав Сергеевич Петров; Антон Александрович Морозов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИНАПЛАТЕК" (ООО "ИНАПЛАТЕК")
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-05-27

Abstract

1. Катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, включающий катод, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор, поджигающий электрод, отличающийся тем, что катод выполнен в виде съемной кольцевой шайбы с центральным отверстием, в котором установлены поджигающий электрод и охватывающий поджигающий электрод дополнительный кольцевой цилиндрический изолятор, при этом катод контактирует с электропроводящим основанием. ! 2. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что поджигающий электрод выступает над торцевой поверхностью катода. ! 3. Катодный узел по п.2, отличающийся тем, что на выступающей поверхности поджигающего электрода выполнены равномерно нанесенные по окружности насечки. ! 4. Катодный узел по п.2, отличающийся тем, что на конце поджигающего электрода закреплены не менее трех элементов поджига в виде проволоки, концы которых выгнуты в сторону торцевой поверхности катода. ! 5. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительный изолятор выполнен из не менее двух коаксиальных трубок, при этом примыкающая к поджигающему электроду трубка установлена с возможностью перемещения вдоль оси. ! 6. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что поджигающий электрод установлен с возможностью перемещения вдоль оси. ! 7. Катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, включающий катод, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор, поджигающий электрод, отличающийся тем, что катодный узел содержит коаксиально расположенный и установленный с зазором к катоду с кольцевым цилиндрическим изолятором дополнительный изолятор, в торцевой поверхности которого закреплен поджигающий электрод с ц 1. Cathode unit of a pulsed arc plasma generator, including a cathode, a circular cylindrical insulator that surrounds it, an ignition electrode, characterized in that the cathode is made in the form of a removable annular washer with a central hole in which the ignition electrode is installed and an additional annular cylindrical insulator covering the ignition electrode, the cathode is in contact with the electrically conductive base. ! 2. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the ignition electrode protrudes above the end surface of the cathode. ! 3. The cathode assembly according to claim 2, characterized in that on the protruding surface of the ignition electrode there are notches uniformly applied around the circumference. ! 4. The cathode assembly according to claim 2, characterized in that at least three wire-like ignition elements are fixed at the end of the ignition electrode, the ends of which are bent towards the end surface of the cathode. ! 5. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the additional insulator is made of at least two coaxial tubes, while the tube adjacent to the ignition electrode is installed with the ability to move along the axis. ! 6. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the ignition electrode is movable along an axis. ! 7. Cathode unit of a pulsed arc plasma generator, including a cathode, covering its annular cylindrical insulator, an ignition electrode, characterized in that the cathode unit contains an additional insulator coaxially located and installed with a gap to the cathode with an annular cylindrical insulator, in the end surface of which an igniting electrode is fixed with c

Description

Полезная модель относится к области ионно-лучевого оборудования, а именно, к дуговым генераторам плазмы, используемым для получения покрытий из различных металлов.The utility model relates to the field of ion-beam equipment, namely, to plasma arc generators used to produce coatings of various metals.

Известен, например, катодный узел ионного источника, (патент на полезную модель №29805, оп. 27.05.2003), состоящий из поджигающего электрода, изолятора, составного катода, состоящего из основного и вспомогательного элемента.Known, for example, the cathode assembly of an ion source, (utility model patent No. 29805, op. May 27, 2003), consisting of a firing electrode, an insulator, a composite cathode, consisting of a main and auxiliary element.

Известен также катодный узел импульсного дугового генератора плазмы источника ионов металлов, состоящий из электропроводного цилиндрического плазмообразующего стержня-катода, кольцевого цилиндрического изолятора, одетого на стержень и поджигающего электрода, размещенного снаружи изолятора - прототип. (Ионный источник с вакуумной дугой в парах металла. Я.Браун. Гл.16 в кн. Физика и технология источников ионов под ред. Я.Брауна, Мир, Москва, 358-381 (1998).Also known is the cathode assembly of a pulsed arc generator of a plasma of a metal ion source, consisting of a conductive cylindrical plasma-forming rod-cathode, an annular cylindrical insulator, dressed on a rod and an ignition electrode placed outside the insulator - a prototype. (An ion source with a vacuum arc in metal vapors. J. Braun. Chapter 16 in the book Physics and technology of ion sources edited by J. Braun, Mir, Moscow, 358-381 (1998).

При подаче на поджигающий электрод импульса положительной полярности напряжением несколько киловольт по отношению к катоду возникает электрический пробой по поверхности изолятора и образуется первичная электронная лавина электрической дуги. Из катодного пятна дуги генерируется пар испаренного металла, который ионизируется вблизи катода и заполняет область между катодом и анодом, поддерживая протекание тока между электродами. Питание дуги производится от источника с емкостным накопителем энергии, который разряжается на дугу, снижая напряжение питания до параметров дугового погасания. Дуга в описанном импульсно-дуговом генераторе плазмы существует в течение времени приблизительно 100…300 мкс. Далее происходит зарядка емкостного накопителя и процесс по джига дуги повторяется многократно.When a pulse of positive polarity is supplied to the ignition electrode with a voltage of several kilovolts relative to the cathode, an electrical breakdown occurs on the surface of the insulator and a primary electronic avalanche of an electric arc is formed. Vaporized vapor is generated from the cathode spot of the arc, which is ionized near the cathode and fills the region between the cathode and anode, maintaining the flow of current between the electrodes. The arc is powered from a source with a capacitive energy storage device, which is discharged into an arc, reducing the supply voltage to the parameters of arc extinction. An arc in the described pulse-arc plasma generator exists for a time of approximately 100 ... 300 μs. Next, the capacitive storage is charged and the arc jig process is repeated many times.

Принципиальная схема включения катодного узла в электрическую цепь содержит следующие элементы: катод, анод, поджигающий электрод, источник инициации пробоя (искры), источник питания дуги, генерируемая плазма. Катод размещается таким образом, что генерируемая плазма контактирует с анодом с достаточно большой контактной поверхностью.A schematic diagram of the inclusion of a cathode assembly in an electric circuit contains the following elements: a cathode, an anode, an ignition electrode, a breakdown initiation source (spark), an arc power source, and a generated plasma. The cathode is placed so that the generated plasma is in contact with the anode with a sufficiently large contact surface.

Недостатки прототипа:The disadvantages of the prototype:

- быстрое насыщение торцевой поверхности изолятора металлом из пара или расплава, создаваемого дугой. Этот эффект наиболее ярко проявляется на металлах легко и среднеплавких и хорошо диффундирующих в керамику (алюминий, медь, никель и т.п.). При этом высоковольтный пробой по поверхности изолятора прекращается и на катоде не загорается дуга. Для восстановления зажигания дуги необходимо очистить поверхность изолятора от металла, что уменьшает время непрерывной работы катодного узла.- fast saturation of the end surface of the insulator with metal from steam or melt created by the arc. This effect is most pronounced on metals that are easily and medium-melting and that diffuse well into ceramics (aluminum, copper, nickel, etc.). In this case, the high-voltage breakdown on the surface of the insulator ceases and the arc does not light up at the cathode. To restore arc ignition, it is necessary to clean the surface of the insulator from metal, which reduces the time of continuous operation of the cathode assembly.

Для тугоплавких металлов этот эффект проявляется не так интенсивно и позволяет возбуждать достаточно стабильно пробой по изолятору в течение 100000 и более импульсов горения дуги;For refractory metals, this effect is not so intense and allows you to excite quite stably breakdown through the insulator for 100,000 or more pulses of arc burning;

- неравномерное выгорание катода.- uneven burnout of the cathode.

Причиной такого эффекта является то, что катодное пятно движется от точки поджига на поверхности катода случайным образом, но в среднем вектор ее движения направлен от центра катода к внешнему краю.The reason for this effect is that the cathode spot moves randomly from the ignition point on the cathode surface, but on average its motion vector is directed from the cathode center to the outer edge.

Начальное катодное пятно возникает на месте искры, инициирующей дугу, которая также возникает у боковой поверхности катода при пробое по наружному трубчатому изолятору. По этой причине, простое увеличение диаметра катода не приводит к повышению продолжительности работы катода и равномерности его износа. Таким образом, для импульсного генератора металлической плазмы для ионного источника, при применении наружного поджига дуги, оптимальным диаметром катода является размер в несколько миллиметров и дальнейшее увеличение размера не эффективно.The initial cathode spot occurs at the place of the spark initiating the arc, which also occurs at the side surface of the cathode during breakdown along the outer tubular insulator. For this reason, a simple increase in the diameter of the cathode does not increase the duration of the cathode and the uniformity of its wear. Thus, for a pulsed generator of metal plasma for an ion source, when using external arc ignition, the optimal diameter of the cathode is a few millimeters in size and a further increase in size is not effective.

Технический результат, на который направлена полезная модель - увеличение ресурса непрерывной работы катодного узла путем уменьшения скорости металлизации изоляторов и увеличения рабочего объема распыляемого плазмообразующего стержня-катода.The technical result that the utility model is aimed at is increasing the resource of continuous operation of the cathode assembly by reducing the metallization rate of insulators and increasing the working volume of the sprayed plasma-forming cathode rod.

Для достижения этого результата предложен катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, содержащийTo achieve this result, a cathode assembly of a pulsed plasma arc generator containing

катод 1, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор 8, поджигающий электрод 3, при этом, катод выполнен в виде съемной кольцевой шайбы с центральным отверстием, в котором установлены поджигающий электрод 3 и охватывающий поджигающий электрод дополнительный кольцевой цилиндрический изолятор 7, при этом катод контактирует с электропроводящим основанием 9.the cathode 1, encircling its annular cylindrical insulator 8, ignition electrode 3, while the cathode is made in the form of a removable annular washer with a Central hole, which sets the ignition electrode 3 and covering the ignition electrode additional annular cylindrical insulator 7, while the cathode is in contact with the electrically conductive base 9.

Кроме того, поджигающий электрод выступает над торцевой поверхностью катода.In addition, the ignition electrode protrudes above the end surface of the cathode.

Кроме того, на выступающей поверхности поджигающего электрода выполнены равномерно нанесенные по окружности насечки.In addition, on the protruding surface of the firing electrode made evenly applied around the circumference of the notch.

Кроме того, на конце поджигающего электрода закреплены не менее трех элементов поджига 11 в виде проволоки, концы которых выгнуты в сторону торцевой поверхности катода.In addition, at least three ignition elements 11 in the form of a wire are fixed at the end of the ignition electrode, the ends of which are curved towards the end surface of the cathode.

Кроме того, дополнительный изолятор выполнен из не менее двух коаксиальных трубок 7 и 12, при этом примыкающая к поджигающему электроду трубка 12 установлена с возможностью перемещения вдоль оси.In addition, the additional insulator is made of at least two coaxial tubes 7 and 12, while the tube 12 adjacent to the ignition electrode is mounted to move along the axis.

Кроме того, поджигающий электрод установлен с возможностью перемещения вдоль оси.In addition, the ignition electrode is mounted to move along the axis.

Для достижения этого же технического результата предложен катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, содержащий катод 1, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор 8, поджигающий электрод 3, при этом, катодный узел содержит коаксиально расположенный и установленный с зазором к катоду 1 с кольцевым цилиндрическим изолятором 8 дополнительный изолятор 19, в торцевой поверхности которого закреплен поджигающий электрод 3 с центральным отверстием, катод 1 установлен с возможностью перемещения вдоль оси, между катодом 1 и изолятором 8 установлена направляющая керамическая втулка 18, а на выступающем за изолятор 8 конце катода установлен с зазором по отношению к нему дугогаситель 16.To achieve the same technical result, a cathode assembly of a pulsed arc plasma generator is proposed, comprising a cathode 1, an annular cylindrical insulator 8 covering it, an ignition electrode 3, while the cathode assembly contains an additional coaxially located and installed with a gap to the cathode 1 with a circular cylindrical insulator 8 an insulator 19, in the end surface of which a firing electrode 3 with a central hole is fixed, the cathode 1 is mounted to move along the axis between the cathode 1 and the insulator with a core 8, a ceramic guide sleeve 18 is installed, and on the end of the cathode protruding beyond the insulator 8, an arrester 16 is installed with a gap with respect to it.

Таким образом, предложенные варианты катодного узла реализуют следующие способы поджига дуги с пробоем:Thus, the proposed cathode assembly options implement the following methods of arc ignition with breakdown:

- по изолятору (использован внутренний поджиг дуги с поджигающим электродом и его изолятором, размещенном во внутреннем отверстии катода);- along the insulator (internal ignition of the arc with the ignition electrode and its insulator located in the inner hole of the cathode is used);

- по вакууму (использован регулируемый без разборки пробиваемый зазор).- on vacuum (the punched gap regulated without disassembly is used).

При реализации этих способов поджига дуги можно использовать приблизительно в 10 раз большую поверхность распыляемого материала катода, чем у прототипа, уменьшить скорость металлизации изоляторов и увеличить стабильность поджига до приблизительно 10⁶ импульсов и, тем самым, увеличить ресурс катодного узла до замены или ремонта приблизительно в 10 раз по сравнению с прототипом.When implementing these methods of arc ignition, you can use about 10 times the surface of the sprayed cathode material than that of the prototype, reduce the metallization speed of insulators and increase the stability of ignition to about 10 ⁶ pulses, and thereby increase the resource of the cathode assembly before replacing or repairing approximately 10 times compared to the prototype.

На фигуре 1 дана принципиальная схема включения катодного узла в электрическую цепь, которая содержит следующие элементы:The figure 1 is a schematic diagram of the inclusion of the cathode assembly in an electrical circuit, which contains the following elements:

1 - катод,1 - cathode,

2 - анод,2 - anode,

3 - поджигающий электрод,3 - ignition electrode,

4 - источник инициации пробоя (искры),4 - source of initiation of breakdown (spark),

5 - источник питания дуги,5 - arc power source,

6 - генерируемая плазма.6 - generated plasma.

Катод размещается таким образом, что генерируемая плазма контактирует с анодом с достаточно большой контактной поверхностью.The cathode is placed so that the generated plasma is in contact with the anode with a sufficiently large contact surface.

На фигурах 2, 3 и 4 даны различные варианты выполнения катодного узла, гдеIn figures 2, 3 and 4 are given various embodiments of the cathode assembly, where

7 - дополнительный кольцевой цилиндрический изолятор - керамическая трубка,7 - additional annular cylindrical insulator - ceramic tube,

8 - кольцевой цилиндрический изолятор,8 - annular cylindrical insulator,

9 - электропроводящее основание,9 - conductive base,

10-изолятор,10 insulator

11 - элементы поджига,11 - elements of ignition,

12 - дополнительный подвижный изолятор- керамическая трубка,12 - additional movable insulator - ceramic tube,

13 - удлинитель,13 - extension cord,

14 - вакуумная камера,14 - vacuum chamber,

15 - вакуумное уплотнение,15 - vacuum seal,

16 - дугогаситель,16 - arrester,

17 - механизм подачи катода,17 - cathode feed mechanism,

18 - направляющая керамическая втулка,18 - guide ceramic sleeve,

19 - дополнительный изолятор.19 - additional insulator.

На фигуре 2 дана схема конструкции катодного узла с внутренним (осевым) расположением поджигающего электрода с пробоем по керамическому изолятору 7.Figure 2 shows a diagram of the design of the cathode assembly with an internal (axial) location of the ignition electrode with a breakdown in the ceramic insulator 7.

Катод 1 выполнен в виде съемной кольцевой шайбы из распыляемого материала с отверстием в центре. В это отверстие установлен поджигающий электрод 3, изолированный от катода 1 при помощи дополнительного изолятора - керамической трубки 7. Поджигающий электрод 3 выступает над шлифованным торцом керамической трубки 7. Выступающая часть - головка поджигающего электрода снабжена насечками, равномерно расположенными по окружности для усиления напряженности электрического поля, что обеспечивает надежный электрический пробой и равномерное выгорание катода.The cathode 1 is made in the form of a removable annular washer of the sprayed material with a hole in the center. A firing electrode 3 is installed in this hole, isolated from the cathode 1 by means of an additional insulator — a ceramic tube 7. The firing electrode 3 projects above the polished end of the ceramic tube 7. The protruding part — the head of the firing electrode is provided with notches uniformly spaced around the circumference to enhance the electric field , which ensures reliable electrical breakdown and uniform burnout of the cathode.

Катод 1 по внешнему контуру снабжен кольцевым цилиндрическим керамическим изолятором 8 и прикреплен гальванически к электропроводящему основанию 9.The cathode 1 along the external circuit is equipped with an annular cylindrical ceramic insulator 8 and is galvanically attached to the electrically conductive base 9.

В развитии этой конструкции на выступающем за торец катода 1 конце поджигающего электрода 3 могут быть закреплены не менее трех элементов поджига 11 в виде проволоки, концы которых выгнуты в сторону торцевой поверхности катода 1 (см. фигура 3).In the development of this design, at least three ignition elements 11 in the form of a wire, the ends of which are curved towards the end surface of the cathode 1 (see figure 3), can be fixed on the end of the ignition electrode 3 protruding beyond the end of the cathode 1.

Между поверхностью катода 1 и концами элементов поджига 11 имеется зазор δ, величина которого выбирается из условия электрического пробоя зазора в вакууме.Between the surface of the cathode 1 and the ends of the ignition elements 11 there is a gap δ, the value of which is selected from the condition of the electrical breakdown of the gap in vacuum.

Для возможности подстройки пробойного зазора δ без снятия катода и разуплотнения вакуумной рабочей камеры 14 предложено дополнительный изолятор выполнить из двух керамических трубок - 7 и 12. Удлинитель 13 позволяет перемещать поджигающий электрод 3 вдоль своей оси без разуплотнения вакуумной камеры 14. Таким образом, здесь реализована конструкция катодного узла с пробоем зазора в вакууме.To enable adjustment of the breakdown gap δ without removing the cathode and decompression of the vacuum working chamber 14, an additional insulator is proposed to be made of two ceramic tubes - 7 and 12. The extension cord 13 allows the ignition electrode 3 to be moved along its axis without decompression of the vacuum chamber 14. Thus, the construction is implemented here cathode assembly with a breakdown of the gap in vacuum.

Другой вариант выполнения катодного узла представлен на фигуре 4.Another embodiment of the cathode assembly is shown in FIG. 4.

На фигуре 4 дана схема конструкции катодного узла с наружным расположением поджигающего электрода с пробоем по вакуумному зазору и подаваемым в зону распыления катодом.Figure 4 shows a diagram of the design of the cathode assembly with the external location of the ignition electrode with breakdown along the vacuum gap and the cathode supplied to the spray zone.

Катодный узел состоит из катода 1, выполненного из распыляемого материала. Катод окружен изоляторами, выполненными из двух керамических трубок 18 и 8. На выступающем за изолятор 8 конце катода установлен с зазором по отношению к нему дугогаситель 16. Катод установлен с возможностью перемещения вдоль оси устройства. Для этого он соединен с механизмом подачи 17 через вакуумное уплотнение 15. Изолятор 18 в этом случае выполняет роль направляющей втулки.The cathode assembly consists of a cathode 1 made of a spray material. The cathode is surrounded by insulators made of two ceramic tubes 18 and 8. At the end of the cathode protruding beyond the insulator 8, an arrester 16 is installed with a gap relative to it. The cathode is mounted to move along the axis of the device. For this, it is connected to the feed mechanism 17 through a vacuum seal 15. The insulator 18 in this case acts as a guide sleeve.

С зазором по отношению к катоду 1 и изоляторам 18 и 8 коаксиально установлен дополнительный изолятор 19, во внешнем торце которого закреплен поджигающий электрод 3 с центральным отверстием.With a gap in relation to the cathode 1 and insulators 18 and 8, an additional insulator 19 is coaxially mounted, in the outer end of which an ignition electrode 3 with a central hole is fixed.

Поверхности изоляторов 8 и 19 могут иметь развитую поверхность, например, ребристую, для увеличения длины пути поверхности электрического пробоя.The surface of the insulators 8 and 19 may have a developed surface, for example, ribbed, to increase the path length of the surface of electrical breakdown.

Скорость движения катода 1 подбирается такой, что пробойный зазор δ поджигающего промежутка в вакууме между распыляемым катодом и поджигающим электродом остается неизменным. Это достигается тем,, что производится постоянный контроль среднего тока, проходящего через катод и подстройкой скорости движения катода. Алгоритм движения стержня катода следующий:The speed of movement of the cathode 1 is selected such that the breakdown gap δ of the firing gap in vacuum between the sprayed cathode and the firing electrode remains unchanged. This is achieved by the fact that constant monitoring of the average current passing through the cathode is performed and the speed of the cathode is adjusted. The cathode rod movement algorithm is as follows:

- непрерывное движение стержня, при котором скорость перемещения катода прямо пропорциональна величине протекающего тока. Коэффициент пропорциональности определяется при настройках и для каждого материала свой.- continuous motion of the rod, at which the cathode velocity is directly proportional to the magnitude of the flowing current. The proportionality coefficient is determined at settings and for each material.

При этом необходимо обеспечить перемещение катодного стержня со скоростью порядка несколько микрон в минуту;It is necessary to ensure the movement of the cathode rod with a speed of the order of several microns per minute;

- перемещение стержня катода с большей скоростью и на достаточные длины шагами длиной несколько десятков микрон через определенные промежутки времени. При этом величина шага прямо пропорциональна электрическому заряду прошедшему через катод за время между шагами.- moving the cathode rod with greater speed and sufficient length in steps of a few tens of microns in length at certain intervals. In this case, the step size is directly proportional to the electric charge passing through the cathode during the time between steps.

Расположение катодного узла в вакуумной камере и крепление отдельных элементов может отличаться от представленных вариантах выполнения на фигурах 2…4.The location of the cathode assembly in the vacuum chamber and the fastening of individual elements may differ from the presented embodiments in figures 2 ... 4.

Таким образом, устройство позволит увеличить время непрерывной работы катода до замены или ремонта приблизительно в 10 раз по сравнению с прототипом путем уменьшения скорости металлизации изоляторов 7 и 8.Thus, the device will increase the time of continuous operation of the cathode to replace or repair approximately 10 times compared with the prototype by reducing the metallization rate of the insulators 7 and 8.

Claims

1. The cathode assembly of a pulsed arc plasma generator, comprising a cathode, an annular cylindrical insulator surrounding it, an ignition electrode, characterized in that the cathode is made in the form of a removable annular washer with a central hole in which an ignition electrode is installed and an additional annular cylindrical insulator surrounds the ignition electrode, while the cathode is in contact with an electrically conductive base.

2. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the ignition electrode protrudes above the end surface of the cathode.

3. The cathode assembly according to claim 2, characterized in that on the protruding surface of the ignition electrode are made evenly applied around the circumference of the notch.

4. The cathode assembly according to claim 2, characterized in that at least three ignition elements in the form of a wire are fixed at the end of the ignition electrode, the ends of which are curved towards the end surface of the cathode.

5. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the additional insulator is made of at least two coaxial tubes, while the tube adjacent to the ignition electrode is mounted to move along the axis.

6. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the ignition electrode is mounted to move along the axis.

7. The cathode assembly of a pulsed arc plasma generator, comprising a cathode, an annular cylindrical insulator covering it, an ignition electrode, characterized in that the cathode assembly comprises an additional insulator coaxially located and installed with a gap to the cathode with an annular cylindrical insulator, in which an ignition electrode is fixed with a central hole, while the cathode is mounted to move along the axis, a ceramic guide is installed between the cathode and the insulator sleeve, and on the end of the cathode protruding beyond the insulator, an arrester is installed with a gap.