RU165688U1

RU165688U1 - Генератор газоразрядной плазмы с низким давлением зажигания разряда

Info

Publication number: RU165688U1
Application number: RU2016121434/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Петрович Борисов; Владимир Андреевич Слабодчиков; Владимир Михайлович Кузнецов
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Генератор газоразрядной плазмы с низким давлением зажигания разряда, содержащий цилиндрический полый катод с размещённым внутри него термоэмиссионным катодом, электрически соединенным одним из контактов с полым катодом, соленоид, охватывающий полый катод, вакуумную камеру-анод, подсоединенную к положительному полюсу источника электропитания разряда, отличающийся тем, что в его конструкцию введено «поджигающее» устройство, выполненное в виде контактора, имеющего возможность отсоединять полый катод от термоэмиссионного катода и кратковременно, на время порядка десятых долей секунды, соединять его с положительным полюсом источника электропитания вакуумной камеры-анода.

Description

МПК H05H 1/00, H05H 1/24, H01J 27/02

ГЕНЕРАТОР ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

С НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА

Полезная модель относится к технике получения низкотемпературной газоразрядной плазмы, в частности к устройствам генерации плазмы инертных и реакционных газов в вакуумных объемах технологических установок и может быть использовано в ионно-плазменных процессах очистки, активации, легирования поверхности изделий и ассистирования при напылении покрытий.

Известно устройство генерации объёмной плазмы (генератор газоразрядной плазмы), описанное, например, в [1. Борисов Д.П., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Генерация объёмной плазмы дуговым разрядом с накалённым катодом // Известия вузов. Физика. - 1994. - Т. 37. - № 3. - С. 115-120; 2. Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. Дуговые разряды низкого давления с полым катодом и их применение в генераторах плазмы и источниках заряженных частиц // Известия вузов. Физика. - 2001. - № 9. - С. 28-35.]. Данное устройство обладает преимуществами в эффективности создания газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах по сравнению со способами получения такой плазмы в тлеющем и в ВЧ разрядах. Оригинальная электродная схема описываемого генератора газоразрядной плазмы на основе комбинированного катода (полого и термоэмиссионного) позволяет создавать плазму относительно высокой концентрации и гибко её регулировать в широком диапазоне давлений, что выявляет превосходящую эффективность данного генератора над другими известными устройствами создания плазмы с использованием термокатода [3. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1992, с. 157; 4. Kaufman H.R. et all. Journal Vacuum Science and Technology, 1982, v.21, p.725; 5. Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. с.53; 6. Varga I.K. Journal Vacuum Science and Technology A, 1989, v.7(4), p.2639]. Высокие характеристики - относительная простота конструкции и эффективность указанного выше устройства создания газоразрядной плазмы делают его универсальным инструментом, позволяющим производить различные виды обработки поверхности материалов, такие как ионная очистка поверхности, азотирование, плазменно-ассистированное напыление функциональных покрытий [7. Ковальский С.С., Денисов В.В., Коваль Н.Н. и др. Исследование влияния тока накала на параметры плазмы плазмогенратора «Пинк» // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 9/2. - С. 166-169; 8. Крысина О.В., Лопатин И.В., Коваль Н.Н. и др. Исследование металлической и газовой плазмы дуговых разрядов низкого давления // Известия вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/2. - С. 146-149; 9. Крысина О.В., Лопатин И.В., Коваль Н.Н. и др. Влияние режимов горения дугового разряда низкого давления и генерируемой им газоразрядной плазмы на травление поверхности материалов // Известия вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/3. - С. 176-179; 10. Крысина О.В., Коваль Н.Н., Лопатин И.В. и др. Генерация низкотемпературной плазмы дуговых разрядов низкого давления для синтеза износостойких нитридных покрытий // Известия вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 11/3. - С. 89-92.].

В качестве прототипа полезной модели выбрано устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы [11. Пат. 2116707 Российская Федерация, МПК H05H1/24. Устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы / Д.П. Борисов, Н.Н. Коваль, П.М. Щанин; заявитель и патентообладатель Институт сильноточной электроники СО РАН. - № 97100106/25; заявл. 06.01.1997; опубл. 10.01.1998, Бюл. № 21. - 4 с.: ил.], являющееся принципиально полно описанным, воплощающем в себе основные конструкции всех представленных выше устройств данного типа и оформленное в виде патента.

В данном источнике раскрыты основы конструктивные элементы устройства, используемые в дальнейшем при той или иной масштабности его изготовления, такие, как отношение длины полого катода L к его диаметру D. Данные параметры, определённые в прототипе как L=(3ч4)D, являются критически важными в отношении эффективности генератора газоразрядной плазмы этого типа, обеспечивающими способность развития больших значений тока разряда и, следовательно, концентрации создаваемой плазмы при пониженных значениях напряжения горения. Суть сказанного состоит в том, что с увеличением длины полого катода при неизменном его диаметре возрастает ток разряда генератора плазмы, определяющий концентрацию этой создаваемой плазмы, что позволяет повысить эффективность вакуумно-плазменных процессов обработки изделий с применением данного генератора плазмы. Однако в прототипе увеличение длины полого катода генератора газоразрядной плазмы ограничено тем, что с увеличением длины катода требуется повышать давление в вакуумной камере для зажигания разряда (см. табл. в описании прототипа). Так, например, без полого катода разряд плазмогенератора в прототипе зажигается при давлении 0,01 Па, при длине полого катода 285 мм разряд зажигается уже при давлении 0,07 Па, а соответственно при длинах полого катода 310 и 340 мм зажигание разряда вызывается при давлениях 0,09 и 0,16 Па. При максимальной длине применяемого в прототипе полого катода равного 365 мм давление зажигания разряда достигает 1 Па.

Запуск в работу генератора газоразрядной плазмы при повышенном давлении зажигания разряда может привести к аварийным срывам осуществляемых с помощью этого плазмогенератора процессов вакуумно-плазменной обработки. Аварийными ситуациями могут быть, например, следующие. Запуск плазмогенератора может привести к срыву работы других плазменных устройств, функционирующих в одном технологическом цикле (электродуговых испарителей или магнетронно-распылительных систем) из-за вывода их из рабочего диапазона давлений; что приведет к образованию дефектов в обрабатываемой поверхности, особенно на нагретой поверхности, к срыву работы и возможному выходу из строя высоковакуумного насоса и т.д. Всё указанное выше выявляет большой недостаток конструкции прототипа, исключающий его применение в современных вакуумно-плазменных процессах с хорошим контролем вакуумных условий, обеспечивающих высокое качество конечного продукта.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение низкого давления зажигания и работы генератора газоразрядной плазмы в процессах вакуумно-плазменной обработки изделий.

Задача решается за счёт конструктивной модификации генератора, а именно, добавлением дополнительного контактора К с получением возможности запуска плазмогенератора при низких (≈ 0,07 Па) давлениях кратковременным (на время порядка десятых долей секунды) отсоединением с помощью этого контактора термоэмиссионного катода от полого катода (размыкание контактов К1 и К2) и подсоединения полого катода к положительному полюсу источника электропитания разряда - к вакуумной камере (замыкание контактов К1 и К3).

На фиг. 1 показана зависимость давления зажигания разряда от длины полого катода в прототипе (1) и в генераторе плазмы предлагаемой полезной модели (2).

На фиг. 2 схематично представлена конструкция заявленного устройства - генератора газоразрядной плазмы с низким давлением зажигания разряда.

Генератор (см. фиг.2) состоит из полого катода 1 с длиной L=365 мм, являющейся максимальной для прототипа, и диаметром D=90 мм, электрически соединённого с одним из концов размещённого внутри полого катода термоэмиссионного катода 2 посредством контактора К (контакты К1 и К2 замкнуты), цилиндрического корпуса 3 из немагнитного материала, соединённого с вакуумной камерой-анодом 4 и соленоида 5, охватывающего корпус 3. Соленоид создаёт продольное магнитное поле внутри полого катода с индукцией 0,02 Тл. Термоэмиссионный катод изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 0,8ч2 мм. Рабочий газ с расходом 200ч1000 см³ат/ч напускается в катодную полость через отверстие 6. В рабочей камере размещены обрабатываемые изделия 7. Электропитание термоэмиссионного катода осуществляется от источника тока накала 8, а электропитание разряда - от выпрямителя 9.

Во время функционирования генератора плазмы (горения разряда) один контакт термоэмиссионного катода посредством контактора электрически соединён с полым катодом, а также с отрицательным полюсом источника тока накала и с отрицательным полюсом источника электропитания разряда. Второй контакт термоэмиссионного катода подсоединен ко второму выводу источника тока накала.

Работа предлагаемого генератора газоразрядной плазмы осуществляется так же, как и у известного генератора (прототипа). Применяются такие же соотношения его конструктивных параметров: соотношение между диаметром D и длиной L полого катода составляет L=(3-4)D и край полого катода выступает внутрь за плоскость стенки камеры-анода на расстояние C=D. При подаче электропитания накала к термоэмиссионному катоду 2, постоянного напряжения к разрядному промежутку катод - вакуумная камера соответственно от источников 8, 9 и установления напуска рабочего газа до достижения необходимого рабочего давления в вакуумной камере, испускаемые термоэмиссионным катодом электроны, отражаясь от потенциального барьера катодной полости, совершают колебательные движения в ней и эффективно ионизируют газ. Горение разряда происходит с эффектом полого катода. Ионы, ускоренные в пристеночном слое, бомбардируют поверхность внутренних стенок катодной полости, вызывая эмиссию вторичных электронов, которые усиливают ионизацию газа. Расширяющаяся плазма создаёт условия для зажигания дугового разряда между полым катодом и стенками вакуумной камеры. Таким образом, камера заполняется достаточно однородно-распределённой плазмой, позволяя производить процессы очистки поверхности изделий, их нагрева, травления, азотирования и др.

Отличием и техническим результатом предлагаемой полезной модели является то, что зажигание разряда генератора плазмы заявленной модели происходит при более низких давлениях, чем генератора-прототипа даже при самой большой из применяемых в прототипе длине полого катода. Как видно из фиг. 1 (прямая 2), давление зажигания разряда плазмогенератора новой модели не зависит от длины полого катода в используемом диапазоне этой длины (от 285 до 365 мм) и равно ≈ 0,07 Па.

Зажигание разряда нового генератора плазмы при низких (≈ 0,07 Па) давлениях без срыва технологического процесса в отношении поддержания требуемого (низкого) давления осуществляется за счёт введения в его конструкцию «поджигающего» устройства - контактора К (фиг. 2), одновременно отсоединяющего термоэмиссионный катод от полого катода и соединяющего полый катод с вакуумной камерой - анодом на время зажигания разряда плазмогенератора. На время данного переключения: размыкание контактов К1 и К2 и замыкание контактов К1 и К3 контактора полый катод становится анодом для катода, являющегося только термоэмиссионным катодом, что приводит к беспрепятственному движению термоэмиссионных электронов на данный временный анод и свободному не экранированному полым катодом зажиганию газового разряда. Выбранное время указанного переключения для зажигания этого «поджигающего» разряда ограничивается снизу условием формирования плазмы во всём рабочем вакуумном объёме [12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - 592 с.], а сверху условием исключения расплавления, прожига и выхода из строя полого катода за счёт его перегрева замыканием на него всего тока термоэлектронов.

Как показали эксперименты, разряд новой модели генератора газоразрядной плазмы легко зажигается и функционирует при давлениях вплоть до 0,07 Па в вакуумной камере объёмом даже 0,7 м³, производя при токе разряда 100 А плазму с концентрацией порядка 10¹⁰ см^-3. При более низких давлениях (меньших 0,07 Па) испытания генератора газоразрядной плазмы не проводились, т.к. круг технологических вакуумно-плазменных процессов, осуществляемых с помощью данного плазмогенератора, в область таких низких давлений не распространяется.