RU2116707C1

RU2116707C1 - Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma

Info

Publication number: RU2116707C1
Application number: RU97100106/25A
Authority: RU
Inventors: Д.П. Борисов; Н.Н. Коваль; П.М. Щанин
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 1997-01-06
Filing date: 1997-01-06
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: plasma generation equipment, in particular, for final cleaning and activation of articles before application of coating, ion plating in course of coating application, ion nitride hardening. SUBSTANCE: vacuum chamber is used as large-size hollow anode. Cathode is designed as combined cathode which consists of hot cathode and hollow cylindrical cathode which embraces hot cathode and is connected to its end. Ratio of hollow cathode diameter D and its length L conforms to condition L = (304) D. Size of hollow cathode piece which extends outside anode chamber is equal to D. EFFECT: increased efficiency of plasma generation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядной плазменной технике и технологии, в частности к устройствам генерации низкотемпературной газоразрядной плазмы в больших объемах и может быть использовано в ионно-плазменной технологии, например, в устройствах для финишной очистки и активации поверхности изделий перед напылением покрытий и ионного ассистирования в процессе напыления покрытий в вакууме, в устройствах ионного азотирования и сильноточных источниках газовых ионов. The invention relates to a gas-discharge plasma technique and technology, in particular to devices for generating low-temperature gas-discharge plasma in large volumes and can be used in ion-plasma technology, for example, in devices for finishing cleaning and activating the surface of products before spraying coatings and ion assisting in the spraying process coatings in vacuum, in ion nitriding devices and high current sources of gas ions.

Существуют различные системы очистки и активации поверхности материалов с помощью низкотемпературной газоразрядной плазмы. Для создания низкотемпературной плазмы часто используются тлеющий и высокочастотный разряды. Однако при значительных размерах обрабатываемых деталей и больших объемах вакуумной камеры, заполняемой плазмой, такие разряды имеют ряд недостаток, которые снижают эффективность их использования в технологических процессах. Так, при рабочих давлениях (1-15 Па) плазма тлеющего разряда имеет низкие концентрацию и температуру, вследствие чего из-за малой плотности заряженных частиц процессы очистки и напыления с плазменным ассистированием происходят неэффективно. Кроме того, тлеющий разряд имеет высокое напряжение горения, порядка 1-2 кВ, что усложняет схемы электропитания установок. There are various systems for cleaning and activating the surface of materials using low-temperature gas-discharge plasma. To create a low-temperature plasma, glow and high-frequency discharges are often used. However, with significant dimensions of the workpieces and large volumes of the vacuum chamber filled with plasma, such discharges have a number of disadvantages that reduce the efficiency of their use in technological processes. So, at operating pressures (1-15 Pa), the glow discharge plasma has a low concentration and temperature, due to which, due to the low density of charged particles, the cleaning and spraying processes with plasma assisting are inefficient. In addition, the glow discharge has a high burning voltage, of the order of 1-2 kV, which complicates the power supply circuits of the plants.

При использовании высокочастотного разряда, вследствие низкого КПД, высоки энергетические затраты и для получения воспроизводимых результатов очистки поверхности и нанесения покрытий требуется жесткая стабилизация потока реактивного газа и рабочего давления в камере, что значительно усложняет технологический процесс. When using a high-frequency discharge, due to low efficiency, energy costs are high and to obtain reproducible results of surface cleaning and coating application, strict stabilization of the reactive gas flow and working pressure in the chamber is required, which greatly complicates the process.

С целью повышения плотности плазмы в больших объемах, снижения рабочих давлений, обеспечения управляемости технологическим процессом в широких диапазонах регулировки плотности плазмы и повышения стабильности результатов обработки деталей в больших плазменных объемах наиболее предпочтительным типом разряда является несамостоятельный дуговой разряд с термокатодом. In order to increase plasma density in large volumes, reduce operating pressures, ensure process control in wide ranges of plasma density control and increase the stability of the results of processing parts in large plasma volumes, the most preferred type of discharge is a non-self-sustaining arc discharge with a thermal cathode.

Известны устройства [1, 2], использующие дуговой разряд с полым самокалящимся катодом, состоящие из полого катода диаметром 3-10 мм из тантала, помещенного в продольное магнитное поле, и цилиндрического медного анода, расположенного на одной оси с катодом. Такие устройства обеспечивают токи разряда от 30 до 200 А и, соответственно, высокую концентрацию газоразрядной плазмы. Для возбуждения дуги в таких устройствах необходимо создать следующие жесткие условия: поддерживать достаточно высокое давление в полом катоде (несколько десятков Па), обеспечить высокий поток газа через катод, магнитное поле должно превышать 0,01 Тл и должна быть создана предварительная ионизация газа в межэлектродном промежутке от внешнего ионизатора. Known devices [1, 2], using an arc discharge with a hollow self-heating cathode, consisting of a hollow cathode with a diameter of 3-10 mm from tantalum placed in a longitudinal magnetic field, and a cylindrical copper anode located on the same axis as the cathode. Such devices provide discharge currents from 30 to 200 A and, accordingly, a high concentration of gas-discharge plasma. In order to initiate an arc in such devices, it is necessary to create the following stringent conditions: maintain a sufficiently high pressure in the hollow cathode (several tens of Pa), ensure a high gas flow through the cathode, the magnetic field must exceed 0.01 T, and preliminary ionization of the gas in the interelectrode gap must be created from an external ionizer.

Известны ионные источники [3, 4], в которых плазма, эмитирующая ионы, создается разрядом с термокатодом и цилиндрическим или кольцевым анодом. Для удержания электронов в разряде и повышения эффективности ионизации в большинстве случаев используются магнитные поля, создаваемые соленоидом или постоянными магнитами. Ion sources are known [3, 4], in which a plasma emitting ions is created by a discharge with a thermal cathode and a cylindrical or ring anode. In most cases, magnetic fields created by a solenoid or permanent magnets are used to hold electrons in the discharge and increase the ionization efficiency.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом, взятому за прототип, является разрядная система генератора плазмы [5], состоящая из термокатода и анода, помещенных в продольное магнитное поле. Однако в такой системе электроны, образованные в результате ионизации газа первичными электронами, испускаемыми термокатодом и ускоренными в прикатодном падении потенциале, диффундирую поперек магнитного поля и оседают на аноде. Это приводит к необходимости использования напряжения для зажигания разряда и нестабильному горению разряда с низкой плотностью генерируемой плазмы в рабочем объеме при низких давлениях. Установлено, что в большинстве современных ионно-плазменных технологических процессов и, в частности, при нанесении упрочняющих и декоративных покрытий при низких давлениях, создание плотной плазмы вблизи напыляемой поверхности для финишной очистки, активации поверхности перед напылением плазменного ассистирования в процессе напыления покрытий позволяет значительно повысить адгезию и качество покрытий, сохраняя высокую производительность процесса. Closest to the proposed invention, an analogue taken as a prototype is the discharge system of a plasma generator [5], consisting of a thermal cathode and anode placed in a longitudinal magnetic field. However, in such a system, electrons formed as a result of gas ionization by primary electrons emitted by the thermal cathode and accelerated in the near-cathode potential drop diffuse across the magnetic field and settle on the anode. This leads to the need to use voltage to ignite the discharge and unstable combustion of the discharge with a low density of the generated plasma in the working volume at low pressures. It has been established that in most modern ion-plasma processes and, in particular, when applying hardening and decorative coatings at low pressures, the creation of a dense plasma near the sprayed surface for finishing cleaning, activation of the surface before spraying plasma assisting in the process of spraying coatings can significantly increase the adhesion and coating quality while maintaining high process performance.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности генерации плазмы и стабилизации горения дуги при низких давлениях в разрядной камере, а также расширение технологических возможностей с целью увеличения производительности процесса напыления покрытий и улучшения из качества. The objective of the invention is to increase the efficiency of plasma generation and stabilization of arc burning at low pressures in the discharge chamber, as well as expanding technological capabilities in order to increase the productivity of the coating spraying process and improve quality.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве генерации предлагается использовать в качестве полого анода большого размера вакуумную камеру, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термокатода и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с одним концом термокатода и помещенных в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры, причем 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. This goal is achieved by the fact that it is proposed to use a vacuum chamber as a hollow anode of a large size, and as a cathode a combined cathode consisting of a thermal cathode and a hollow cylindrical cathode surrounding it, electrically connected to one end of the thermal cathode and placed in a cylindrical body, located on one of the walls of the vacuum chamber, and the ratio between the diameter D and the length L of the hollow cathode is L = (3-4) D and the edge of the hollow cathode protrudes inward beyond the plane Camera ki - anode by a distance C = D.

На чертеже схематично представлен пример конструкции предложенного устройства для создания плазмы. Устройство состоит из полого катода 1 (длиной L= 350 мм, диаметром D= 90 мм), электрически соединенного с одним из концов термокатода 2, размещенного внутри полого катода, цилиндрического корпуса 3, соединенного с вакуумной камерой-анодом 4 и соленоида 5, охватывающего корпус 3, выполненный из немагнитного материала. Соленоид создает продольное магнитное поле в области катода с индукцией 0,02 Тл. Термокатод 2 изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 1,5-2 мм. Рабочий газ с расходом 200-1000 см³ат/ч напускается в катодную полость через отверстие 6. В рабочей камере размещены обрабатываемые детали 7. Электропитание термокатода осуществляется от источника 8, а разряд - от выпрямителя 9.The drawing schematically shows an example of the design of the proposed device for creating a plasma. The device consists of a hollow cathode 1 (length L = 350 mm, diameter D = 90 mm), electrically connected to one of the ends of the thermal cathode 2, located inside the hollow cathode, a cylindrical body 3, connected to a vacuum chamber-anode 4 and a solenoid 5, covering case 3 made of non-magnetic material. The solenoid creates a longitudinal magnetic field in the region of the cathode with an induction of 0.02 T. Thermocathode 2 is made of tungsten wire with a diameter of 1.5-2 mm. The working gas with a flow rate of 200-1000 cm ³ at / h is injected into the cathode cavity through the opening 6. Work pieces are placed in the working chamber 7. The thermal cathode is supplied with power from source 8, and the discharge is supplied from rectifier 9.

Устройство для создания плазмы работает следующим образом. При подаче питания к термокатоду 2, постоянного напряжения к разрядному промежутку катод - вакуумная камера-катод соответственно от источников 8, 9 и установлении напуска рабочего газа, испускаемые термокатодом электроны ионизируют газ, и. вследствие провисания потенциала в полость 1, возникает эффект полого катода, состоящий в образовании катодного падения потенциала у внутренних стенок катодной полости. Электроны, отражаясь от 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 увеличивают ионизацию газа. Расширяющаяся плазма создает условия для зажигания дугового разряда между полым катодом и стенками вакуумной камеры, которая является полым анодом. Таким образом, камера заполняется достаточно однородной плазмой. Так как площадь термокатода значительно меньше площади полого катода, уменьшается эрозия термокатода - элемента, определяющего срок непрерывной работы генератора плазмы, и снижается вероятность, а при некоторых условиях исключается переход диффузной формы разряда в контрагированную с большим расходом материала катода. В некоторых технологических процессах исключение паров материала катода является определяющим для генераторов газоразрядной плазмы, т. к. позволяет производить очистку и активацию поверхности без ее подпыления материалом катода. A device for creating a plasma works as follows. When applying power to the thermal cathode 2, a constant voltage to the discharge gap, the cathode - vacuum chamber-cathode, respectively, from sources 8, 9 and establishing a working gas inlet, the electrons emitted by the thermal cathode ionize the gas, and. due to the potential sagging in the cavity 1, the hollow cathode effect arises, consisting in the formation of a cathodic potential drop at the inner walls of the cathode cavity. Electrons, reflected from the 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 increase 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, which is the hollow anode. Thus, the chamber is filled with a fairly uniform plasma. Since the area of the thermal cathode is much smaller than the area of the hollow cathode, the erosion of the thermal cathode, an element that determines the duration of the continuous operation of the plasma generator, is reduced, and the probability is reduced, and under certain conditions the transition of the diffuse shape of the discharge to the countercurrent one with a high consumption of cathode material is excluded. In some technological processes, the exclusion of vapors of the cathode material is crucial for gas-discharge plasma generators, because it allows cleaning and activation of the surface without dusting the cathode material.

Определенное из экспериментов оптимальное соотношение длины и диаметра полого катода L=(3-4)D связано с тем, что с увеличением длины с одной стороны происходит рост разрядного тока и уменьшение напряжения горения, но с другой стороны затрудняется зажигание разряда, что требует увеличения давления газа, необходимого для уверенного зажигания разряда (см. таблицу). The optimal ratio of the length and diameter of the hollow cathode L = (3-4) D determined from experiments is due to the fact that with an increase in the length, on the one hand, the discharge current increases and the burning voltage decreases, but on the other hand, the discharge is difficult to ignite, which requires an increase in pressure gas required for reliable ignition of the discharge (see table).

Приведенные в таблице значения токов разряда и напряжений его горения получены при токе накала катода 140 А и давлении рабочего газа (аргон) равном 6•10^-2 Па. Результаты экспериментов, обозначенные в таблице графой "без полого катода", были получены при отсутствии полого катода 1 (см. чертеж). Оптимальное соотношение между диаметром полого катода и длиной выступающей его части в полый анод-камеру C определяется тем, что с увеличением C наблюдается рост давления, необходимого для зажигания разряда, а с его уменьшением возрастают потери тока на ближнюю стенку камеры, из которой выступает полый катод, что ведет к уменьшению концентрации плазмы в области, где располагаются обрабатываемые детали и, соответственно, к снижению эффективности обработки. Соотношение C=D определено экспериментально по равенству плотности тока разряда на ближнюю стенку камеры j_ст=I_ст/S_ст и средней плотности тока разряда на всю внутреннюю поверхность камеры-анода j=I_p/S_камеры.The values of the discharge currents and its burning voltages given in the table were obtained at a cathode glow current of 140 A and a working gas pressure (argon) of 6 • 10 ^-2 Pa. The experimental results indicated in the table by the column "without a hollow cathode" were obtained in the absence of a hollow cathode 1 (see drawing). The optimal ratio between the diameter of the hollow cathode and the length of its protruding part into the hollow anode chamber C is determined by the fact that with an increase in C, an increase in the pressure necessary to ignite the discharge is observed, and with a decrease in it, the current losses to the near wall of the chamber from which the hollow cathode protrudes , which leads to a decrease in plasma concentration in the region where the workpiece is located and, accordingly, to a decrease in the processing efficiency. The ratio C = D was determined experimentally from the equality of the density of the discharge current to the near wall of the chamber j _st = I _st / S _st and the average density of the discharge current to the entire inner surface of the anode chamber j = I _p / S of the _chamber .

Как показали эксперименты в вакуумной камере-аноде объемом 0,25 м³ при давлении рабочего газа аргона 10^-1 Па плазма с концентрацией 10¹⁰ см^-3 с равномерностью ±20% от среднего значения ее плотности создается при токе несамостоятельного дугового разряда до 100 А, что позволяет в 2-3 раза уменьшить время очистки и активации поверхности изделий перед напылением покрытий ионно-плазменным методом, сохраняя высокую адгезию покрытий с подложкой, а также осуществлять процесс плазменно-ассистированного напыления, получая функциональные покрытия высокого качества.As shown by experiments in a vacuum chamber-anode with a volume of 0.25 m ³ at an argon working gas pressure of 10 ^-1 Pa, a plasma with a concentration of 10 ¹⁰ cm ^-3 with a uniformity of ± 20% of its average density is created at a non-self-sustaining arc discharge current of up to 100 A , which allows reducing the cleaning and activation time of the product surface by a factor of 2–3 before spraying the coatings with the ion-plasma method, while maintaining high adhesion of the coatings to the substrate, as well as carrying out the process of plasma-assisted spraying, obtaining high-functional coatings about quality.

Источники информации
1. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1992, с. 157.Sources of information
1. Forrester A.T. Intense ion beams. M .: Mir, 1992, p. 157.

2. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969, с. 164-169. 2. Moskalev B.I. Hollow cathode discharge. M .: Energy, 1969, p. 164-169.

3. Kaufman H.R. et all. J. Vac. Sci. Technol., 1982, v.21, p.725. 3. Kaufman H.R. et all. J. Vac. Sci. Technol., 1982, v.21, p. 725.

4. Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. с.53. 4. Gabovich M.D. and other. Beams of ions and atoms for controlled thermonuclear fusion and technological purposes. M .: Energoatomizdat, 1986.p.53.

5. Varga I.K. J. Vac. Sci. Technol. A, 1989, v.7(4), p.2639. 5. Varga I.K. J. Vac. Sci. Technol. A, 1989, v. 7 (4), p. 2639.

Claims

A device for creating a low-temperature gas-discharge plasma, consisting of a thermal cathode placed in a magnetic field, an anode and a vacuum chamber, characterized in that the thermal cathode is located inside a hollow cylindrical cathode electrically connected to one of the terminals of the thermal cathode, and the ratio between the diameter D and the length L of the hollow cathode is L = (3 - 4) D, and the inner walls of the vacuum chamber are the anode, while the part of the hollow cathode L protruding beyond the walls of the anode chamber is L = D.