RU166770U1

RU166770U1 - GAS DISCHARGE PLASMA GENERATOR FOR RELIABLE PLASMA PROCESSING PROCESSES

Info

Publication number: RU166770U1
Application number: RU2016121231/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Петрович Борисов; Владимир Андреевич Слабодчиков; Владимир Михайлович Кузнецов
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-12-10

Abstract

Генератор газоразрядной плазмы для надёжных процессов плазменной обработки, состоящий из термокатода, помещенного в магнитное поле, анода и вакуумной камеры, отличающийся тем, что внутри полого цилиндрического катода расположены электрически соединённые с ним одним из своих концов два термоэмиссионных катода, второй конец одного из которых имеет возможность подключаться к источнику накала и включаться в работу при перегорании другого термоэмиссионного катода.A gas-discharge plasma generator for reliable processes of plasma treatment, consisting of a thermal cathode placed in a magnetic field, an anode and a vacuum chamber, characterized in that two thermionic cathodes are electrically connected to it by one of its ends, the second end of one of which has the ability to connect to a glow source and get into operation when another thermionic cathode burns out.

Description

МПК H05H 1/00, H05H 1/24, H01J 27/02 IPC H05H 1/00, H05H 1/24, H01J 27/02

ГЕНЕРАТОР ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ НАДЁЖНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИGAS DISCHARGE PLASMA GENERATOR FOR RELIABLE PLASMA PROCESSING PROCESSES

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.The utility model relates to techniques for producing a low-temperature gas-discharge plasma, in particular, to devices for generating plasma of inert and reaction gases in vacuum volumes of technological plants and can be used in ion-plasma processes of cleaning, activation, alloying of the surface of products and assisting in the deposition of coatings.

По физическим принципам работы и результатам технологического применения предлагаемого в данной заявке на полезную модель генератора газоразрядной плазмы полным аналогом является 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 и на сегодняшний день 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.].According to the physical principles of work and the results of technological application of the gas-discharge plasma generator proposed in this application for a utility model, the full analogue is the volume plasma generation device (gas-discharge plasma generator), described, for example, in [1. Borisov D.P., Koval N.N., Shchanin P.M. Volumetric plasma generation by an arc discharge with a glowing cathode // News of universities. Physics. - 1994. - T. 37. - No. 3. - S. 115-120; 2. Vintizenko L.G., Grigoriev S.V., Koval N.N. et al. Low-pressure hollow-cathode arc discharges and their application in plasma generators and charged particle sources // News of Universities. Physics. - 2001. - No. 9. - S. 28-35.]. This device has advantages in the efficiency of creating a gas-discharge plasma in large vacuum volumes compared to methods for producing such a plasma in glow and RF discharges. The original electrode circuit of the described gas-discharge plasma generator based on a combined cathode (hollow and thermionic) allows the creation of a relatively high concentration plasma and its flexible control over a wide pressure range, which reveals the superior efficiency of this generator over other known plasma generation devices using a thermal cathode [3. Forrester A.T. Intense ion beams. M .: Mir, 1992, p. 157; 4. Kaufman H.R. et all. Journal of Vacuum Science and Technology, 1982, v. 21, p. 725; 5. Gabovich M.D. and other. Beams of ions and atoms for controlled thermonuclear fusion and technological purposes. M .: Energoatomizdat, 1986. p. 53; 6. Varga I.K. Journal Vacuum Science and Technology A, 1989, v. 7 (4), p. 2639]. High characteristics - the relative simplicity of the design and the effectiveness of the aforementioned device for creating a gas discharge plasma make it today a universal tool that allows you to perform various types of surface treatment of materials, such as ion surface cleaning, nitriding, plasma-assisted deposition of functional coatings [7. Kovalsky S.S., Denisov V.V., Koval N.N. et al. Investigation of the influence of the glow current on the plasma parameters of the Pink plasma generator // News of Universities. Physics. - 2015. - T. 58. - No. 9/2. - S. 166-169; 8. Rat OV, Lopatin IV, Koval N.N. et al. Investigation of metal and gas plasmas of low-pressure arc discharges // News of Universities. Physics. - 2014. - T. 57. - No. 3/2. - S. 146-149; 9. Rat OV, Lopatin IV, Koval N.N. et al. Influence of combustion modes of a low-pressure arc discharge and a gas-discharge plasma generated by it on etching of the surface of materials // News of Universities. Physics. - 2014. - T. 57. - No. 3/3. - S. 176-179; 10. Rat OV, Koval N.N., Lopatin I.V. et al. Generation of low-temperature plasma of low-pressure arc discharges for the synthesis of wear-resistant nitride coatings // News of Universities. Physics. - 2014. - T. 57. - No. 11/3. - S. 89-92.].

Однако наличие термоэмиссионного (накалённого) катода помимо достоинств описываемого генератора плазмы - возможность получения плазмы высокой концентрации (~ 10¹¹ см^-3) при низком давлении (≤ 0,1 Па) с гибкостью регулировки её параметров в широком диапазоне рабочего давления (0,1ч1 Па) - несёт в себе и недостаток, связанный с ограниченным сроком службы (временем жизни) термоэмиссионного катода. Ввиду высокой рабочей температуры (≥ 2500 ⁰С), а также за счёт бомбардировки и распыления ионами плазмы, термокатод плазмогенератора выходит из строя (перегорает) в течение неопределённого времени в различных режимах работы, что делает срок бесперебойной работы генератора плазмы в целом также неопределённым в конкретных технологических процессах. Тем самым, термоэмиссионный катод генератора газоразрядной плазмы является критическим источником сбоев технологических процессов, осуществляемых с применением данного плазмогенератора, приводящих к срывах технологических циклов и порче обрабатываемых изделий. Ввиду этого решение задачи контроля срока службы (времени жизни) термоэмиссионного катода генератора плазмы и, тем самым, установление условий контроля непрерывной бесперебойной работы самого генератора плазмы исключительно важно для совершенствования вакуумно-плазменных технологий и создания надёжных вакуумно-плазменных процессов обработки изделий.However, the presence of a thermionic (heated) cathode, in addition to the advantages of the described plasma generator, is the possibility of obtaining a plasma of high concentration (~ 10 ¹¹ cm ^-3 ) at low pressure (≤ 0.1 Pa) with the flexibility of adjusting its parameters in a wide range of operating pressure (0.1 h1 Pa) - also bears a disadvantage associated with the limited service life (lifetime) of the thermionic cathode. Due to the high operating temperature (≥ 2500 ⁰ С), as well as due to bombardment and sputtering by plasma ions, the plasma cathode of the plasma generator fails (burns out) for an indefinite time in various operating modes, which makes the uninterrupted operation of the plasma generator as a whole also indefinite in specific technological processes. Thus, the thermionic cathode of a gas-discharge plasma generator is a critical source of technological failures carried out using this plasma generator, leading to disruption of technological cycles and damage to processed products. In view of this, the solution to the problem of controlling the service life (lifetime) of the thermionic cathode of a plasma generator and, thereby, establishing conditions for monitoring the continuous uninterrupted operation of the plasma generator itself is extremely important for improving vacuum-plasma technologies and creating reliable vacuum-plasma processes for processing products.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение непрерывной надёжной и безотказной работы генератора газоразрядной плазмы в процессах вакуумно-плазменной обработки изделий за счёт конструктивной модификации его катодного узла и исключения сбоев в работе генератора газоразрядной плазмы ввиду перегорания его термоэмиссионного катода. При этом 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 и воплощающем в себе основные конструкции всех представленных выше устройств данного типа.The objective of the proposed utility model is to ensure continuous reliable and trouble-free operation of the gas-discharge plasma generator in the processes of vacuum-plasma processing of products due to the structural modification of its cathode assembly and elimination of failures in the operation of the gas-discharge plasma generator due to burnout of its thermionic cathode. Moreover, as a prototype of a utility model, a device for creating a low-temperature gas-discharge plasma [11. Pat. 2116707 Russian Federation, IPC H05H1 / 24. Device for creating a low-temperature gas-discharge plasma / D.P. Borisov, N.N. Koval, P.M. Shchanin; Applicant and patent holder Institute of High Current Electronics SB RAS. - No. 97100106/25; declared 01/06/1997; publ. 01/10/1998, Bull. No. 21. - 4 pp., Ill.], Which is fundamentally fully described and embodies the basic designs of all the devices of this type presented above.

Поставленная цель данной полезной модели достигается тем, что в отличие от прототипа, в предлагаемом генераторе газоразрядной плазмы для надёжных процессов плазменной обработки применяется не один, а два термоэмиссионных катода - один основной (функционирующий) и второй - резервный. Данные термоэмиссионные катоды работают поочерёдно, и включение в работу второго (резервного) термоэмиссионного катода осуществляется при перегорании первого. Все остальные элементы конструкции предлагаемого генератора плазмы, а также принцип его работы, остаются такими же, как и в прототипе.The goal of this utility model is achieved by the fact that, in contrast to the prototype, in the proposed gas-discharge plasma generator for reliable plasma processing processes, not one, but two thermionic cathodes are used - one primary (functioning) and the second backup. These thermionic cathodes work alternately, and the second (backup) thermionic cathode is turned on when the first burns out. All other structural elements of the proposed plasma generator, as well as the principle of its operation, remain the same as in the prototype.

На фигуре 1 схематично представлена конструкция предложенного устройства - генератора газоразрядной плазмы. Генератор состоит из полого катода 1 (длиной L=350 мм, диаметром D=90 мм), электрически соединённого с одним из концов каждого из двух термоэмиссионных катодов 2, размещённых внутри этого полого катода, цилиндрического корпуса 3, соединённого с вакуумной камерой-анодом 4 и соленоида 5, охватывающего корпус 3, выполненный из немагнитного материала. Соленоид создаёт продольное магнитное поле внутри полого катода с индукцией 0,02 Тл. Термоэмиссионные катоды изготовлены 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 термоэмиссионных катодов осуществляется от источника тока накала 8, а разряда - от выпрямителя 9.The figure 1 schematically shows the design of the proposed device is a gas-discharge plasma generator. The generator consists of a hollow cathode 1 (length L = 350 mm, diameter D = 90 mm), electrically connected to one of the ends of each of the two thermionic cathodes 2, located inside this hollow cathode, a cylindrical body 3, connected to a vacuum chamber-anode 4 and a solenoid 5, covering the housing 3, made of non-magnetic material. The solenoid creates a longitudinal magnetic field inside the hollow cathode with an induction of 0.02 T. Thermionic cathodes are made of tungsten wire with a diameter of 0.8 × 2 mm. Working gas with a flow rate of 200-1000 cm ³ at / h is injected into the cathode cavity through aperture 6. Workpieces are placed in the working chamber 7. Thermionic cathodes are supplied with power from a glow current source 8, and a discharge from a rectifier 9.

Как уже упоминалось выше, генератор газоразрядной плазмы работает таким же образом, как и его прототип, как и в прототипе, применяются такие же соотношения его конструктивных параметров L,D и С. При подаче электропитания к одному из термоэмиссионных катодов 2, постоянного напряжения к разрядному промежутку катод - вакуумная камера-анод соответственно от источников 8, 9 и установления напуска рабочего газа, испускаемые функционирующим термоэмиссионным катодом электроны ионизируют газ, и, вследствие провисания положительного анодного потенциала в полость 1, возникает эффект полого катода, состоящий в образовании катодного падения потенциала у внутренних стенок катодной полости. Электроны, отражаясь от этого потенциального барьера, совершают колебательные движения в полости и эффективно ионизируют газ. 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.As mentioned above, the gas-discharge plasma generator works in the same way as its prototype, as in the prototype, the same ratios of its design parameters L, D and C are applied. When power is applied to one of the thermionic cathodes 2, a constant voltage to discharge between the cathode and the vacuum chamber-anode, respectively, from sources 8, 9 and establishing a working gas inlet, the electrons emitted by the functioning thermionic cathode ionize the gas, and, due to the sagging of the positive anode potential iala into the cavity 1, there is an effect of the hollow cathode, consisting in the formation of the cathode potential drop at the cathode of the inner walls of the cavity. Electrons, reflected from this potential barrier, oscillate in the cavity and effectively ionize the gas. Ions accelerated in the wall layer bombard the surface of the inner walls of the cathode cavity, causing the emission of secondary electrons, which enhance the ionization of the gas. The expanding plasma creates the conditions for ignition of the arc discharge between the hollow cathode and the walls of the vacuum chamber. Thus, the chamber is filled with a fairly uniformly distributed plasma, allowing the processes of cleaning the surface of the products, their heating, etching, nitriding, etc.

Для предотвращения аварийной остановки указанных процессов вследствие перегорания работающего термоэмиссионного катода в предлагаемом генераторе газоразрядной плазмы применено конструктивное новшество, состоящее в добавлении ещё одного (резервного) термоэмиссионного катода. При этом электрически соединённые с полым катодом концы термоэмиссионных катодов всегда соединены с одним из выводов источника тока накала и отрицательным полюсом источника электропитания разряда. Вторые концы термоэмиссионных катодов подсоединяются к источнику тока накала посредством контактора К, с помощью которого производятся поочерёдные подключения либо одного (замыкание контактов К1 и К2), либо второго (замыкание контактов К1 и К3) термоэмиссионного катода ко второму выводу источника тока накала, вводящие второй термоэмиссионный катод в работу при выходе из строя (перегорания) первого. В результате данного конструктивного новшества и указанного переключения с изношенного термоэмиссионного катода на новый будет обеспечено безаварийное завершение процесса вакуумно-плазменной обработки изделий. При этом при вскрытии вакуумной камеры для выгрузки-загрузки партий изделий производится замена перегоревшего термоэмиссионного катода на новый, чем обеспечивается технический результат полезной модели - надёжность (безотказность) генератора газоразрядной плазмы и самих процессов вакуумно-плазменной обработки изделий при его применении.To prevent an emergency stop of these processes due to burnout of a working thermionic cathode, the proposed gas-discharge plasma generator uses a constructive innovation consisting in the addition of another (backup) thermionic cathode. In this case, the ends of the thermionic cathodes electrically connected to the hollow cathode are always connected to one of the terminals of the glow current source and the negative pole of the discharge power supply. The second ends of the thermionic cathodes are connected to the glow current source by means of a contactor K, with the help of which alternate connections are made of either one (closing of the K1 and K2 contacts) or the second (closure of the contacts K1 and K3) of the thermionic cathode to the second output of the glow current source, introducing the second thermionic cathode into operation upon failure (burnout) of the first. As a result of this design innovation and the indicated switch from a worn thermionic cathode to a new one, trouble-free completion of the vacuum-plasma processing of products will be ensured. At the same time, when a vacuum chamber is opened for unloading and loading batches of products, the burned-out thermionic emission cathode is replaced with a new one, which ensures the technical result of the useful model - the reliability (failure-free) of the gas-discharge plasma generator and the processes of vacuum-plasma processing of the products themselves when it is used.

Claims

A gas-discharge plasma generator for reliable plasma processing processes, consisting of a thermal cathode placed in a magnetic field, an anode and a vacuum chamber, characterized in that two thermionic cathodes are electrically connected to one of its ends by one of their ends, the second end of one of which has the ability to connect to a glow source and get into operation when another thermionic cathode burns out.