RU2176681C2 - Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device - Google Patents

Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device Download PDF

Info

Publication number
RU2176681C2
RU2176681C2 SU4761942/02A SU4761942A RU2176681C2 RU 2176681 C2 RU2176681 C2 RU 2176681C2 SU 4761942/02 A SU4761942/02 A SU 4761942/02A SU 4761942 A SU4761942 A SU 4761942A RU 2176681 C2 RU2176681 C2 RU 2176681C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
region
input
mixing chamber
angle
Prior art date
Application number
SU4761942/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Волков
С.И. Мирошкин
С.В. Шалимов
А.А. Савельев
Original Assignee
Волков Валерий Венедиктович
Мирошкин Станислав Иванович
Шалимов Сергей Васильевич
Савельев Александр Александрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Волков Валерий Венедиктович, Мирошкин Станислав Иванович, Шалимов Сергей Васильевич, Савельев Александр Александрович filed Critical Волков Валерий Венедиктович
Priority to SU4761942/02A priority Critical patent/RU2176681C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2176681C2 publication Critical patent/RU2176681C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: making of coats from metals, alloys, dielectrics, semiconductors and superconductors in electronic industry, space and atomic engineering, as well as in mechanical engineering and optical industry. SUBSTANCE: firing the discharge in generation zone is effected by means of defocused laser beam whose duration τgen is determined from relationship τgen≫ τlas and by matching directional pattern of laser plasma flow with area of forming electrode gap break-down channel followed by superimposing magnetic fields on generation, transportation and condensation areas and distributing magnetic fluxes is generation, transportation and condensation areas in such way that anode part of discharge is used for partial closing of magnetic flux at which positive jump of optimal potential is formed; magnetic flux through profiled surface radially bounding the transportation area is equal to zero and magnetic flux in condensation area is equal to longitudinal magnetic flux in transportation area; ion component of plasma is directed to condensation surface and is separated from drop phase at transportation state in Langmuir layer area. Device for realization of said method is additionally provided with ion separator by transverse momenta and synchronizing unit; firing unit is provided with diaphragm having hole lying in one optical axis with end working surface of consumable cathode and input port at distance from lens which is equal to focal distance of focusing system lens. Plasma conduit body is made in form of screw cylinder formed by motion of ring over helical line on cylinder; profile of inner surface of body is triangular in shape. Electromagnetic system has two coils: one coil is connected in series in pumping circuit of laser radiator and second coil is connected in series in plasma generator discharge circuit. Device is provided with additional plasma ion separator by transverse momenta located in area of outlet end face of plasma conduit, additional plasma generator, plasma conduits, firing units, ion mixing chambers by transverse moment and synchronizing units. Method of manufacture of device for making coats realizes optimal conditions of construction of helical plasma-optical system and mixing chamber. EFFECT: enhanced efficiency. 23 cl, 32 dwg

Description

Изобретение относится к области получения покрытий из металлов, сплавов, диэлектриков, полупроводников, сверхпроводников и может быть использовано в технической физике, электронной, космической и атомной технике, а также в машиностроительной и оптической промышленности. The invention relates to the field of production of coatings from metals, alloys, dielectrics, semiconductors, superconductors and can be used in technical physics, electronic, space and nuclear technology, as well as in the engineering and optical industries.

Целью изобретения является повышение качества многокомпонентных покрытий и расширение технологических возможностей. The aim of the invention is to improve the quality of multicomponent coatings and the expansion of technological capabilities.

Способ получения покрытий в вакууме осуществлялся с помощью устройств, конструкции которого представлены на фиг. 1-32, а способ изготовления устройства представлен на фиг. 25-32. The method of producing coatings in vacuum was carried out using devices whose designs are presented in FIG. 1-32, and a method for manufacturing the device is shown in FIG. 25-32.

На фиг. 1 схематично показана конструкция импульсного генератора плазмы на основе вакуумной дуги постоянного тока с лазерным блоком поджига; на фиг. 2 изображено устройство для получения покрытий с винтовым плазмоводом и дополнительным винтовым корпусом; на фиг. 3 изображен винтовой плазмовод; на фиг. 4 представлен идеальный профиль внутренней поверхности плазмовода; на фиг. 5 - реальный профиль внутренней поверхности плазмовода; на фиг. 6 приведен другой вид профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода; на фиг. 7 представлен профиль внутренней поверхности корпуса плазмовода и распределение потенциала Uсмт при условии tп > lленгм; на фиг. 8 - то же, но при условии tп < lленгм; на фиг. 9 схематично показана конструкция устройства с плазмооптической системой в виде эквидистантных винтовых плазмоводов с камерой смешения; на фиг. 10 представлено поперечное сечение по А-А фиг. 9; на фиг. 11 приведена схема для определения минимальных радиальных габаритов устройства (сечение плоскостью, перпендикулярной винтовой оси винтового цилиндра в системе N многозаходных винтовых плазмоводов); на фиг. 12 приведена развертка цилиндрической поверхности прямого цилиндра, проходящего через винтовые оси системы N многозаходных винтовых плазмоводов (схема определения минимальных продольных габаритов устройства); на фиг. 13 схематично приведена конструкция сепаратора ионов по поперечным импульсам (продольное сечение); а на фиг. 14 - конструкция сепаратора ионов по поперечным импульсам (поперечное сечение); на фиг. 15 представлено устройство для нанесения покрытий в виде двух идентичных симметрично расположенных устройств с противоположным кручением эквидистантных многозаходных винтовых плазмоводов и с согласным включением их соленоидов; на фиг. 16 приведено устройство для осаждения покрытий на большие площади; на фиг. 17 показано поперечное сечение камеры осаждения; на фиг. 18 представлена конструкция генератора плазмы с электромеханической системой в блоке лазерного поджига, а также диаграммы расширения плазмы рабочего вещества с двумя зонами ωeτei < 1 и ωeτei > 1 и распределения магнитных потоков ФК, ФА и ФТ; на фиг. 19 схематично изображена топология магнитного поля

Figure 00000002
области стыковки соленоида анода и винтового соленоида, а также вариант изменения ФА при регулировании расстояния lАП между ними; на фиг. 20 схематично изображена топология магнитного поля
Figure 00000003
в области стыковки соленоида анода и винтового соленоида, а также вариант изменения ФА при изменении плотности намотки в области торцевой рабочей поверхности; на фиг. 21 представлена конструкция устройства с плазмооптической системой в виде эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров с камерой смешения со стороны выходных торцов и соленоидов, расположенных с тыльной стороны подложки; на фиг. 22 представлено устройство для получения многокомпонентных пленок в виде винтового плазмовода с камерой смешения на входном торце. На фиг. 23 схематично показана элементарная ячейка слоистого высокотемпературного сверхпроводника Y1Ba2C3O7; на фиг. 24 - временная диаграмма формирования как элементарной ячейки, так и тонкой пленки данного сверхпроводника. (Для фиг. 23 направление роста пленки совпадает с кристаллографической осью с; dc - размер элементарной ячейки в направлении с; В - подрешетка ВаС; А - подрешетка У; на фиг. 25 схематично изображен корпус тороидального плазмовода, на фиг. 26 - способ его изготовления (прототип); на фиг. 27 и 28 - то же, но для корпуса винтового плазмовода (предлагаемый способ), а на фиг. 29 - схема расчета расстояния lК между нормалями последовательных К сечений прямой трубы, а также схема расчета угла поворота γк между двумя последовательными сечениями сегмента; на фиг. 30 схематично показан корпус камеры смешения для N = 2 источников плазмы в плоскости осей выходного и входного сегмента; на фиг. 31 схематически показан вид сбоку на камеру смешения в плоскости, перпендикулярной плоскости осей выходного и входного сегмента; на фиг. 32 схематично показан вид сверху на камеру смешения в плоскости, перпендикулярной оси выходного сегмента.In FIG. 1 schematically shows the design of a pulsed plasma generator based on a DC vacuum arc with a laser ignition unit; in FIG. 2 shows a device for producing coatings with a screw plasma duct and an additional screw housing; in FIG. 3 shows a screw plasma duct; in FIG. 4 shows the ideal profile of the inner surface of the plasma duct; in FIG. 5 is a real profile of the inner surface of the plasma duct; in FIG. 6 shows another profile view of the inner surface of the plasma duct body; in FIG. 7 shows the profile of the inner surface of the plasma duct body and the distribution of potential U cmt under the condition t p > l Lengm ; in FIG. 8 - the same, but under the condition t p <l Langm ; in FIG. 9 schematically shows the design of a device with a plasma-optical system in the form of equidistant screw plasma ducts with a mixing chamber; in FIG. 10 is a cross-sectional view along AA of FIG. 9; in FIG. 11 is a diagram for determining the minimum radial dimensions of the device (section by a plane perpendicular to the helical axis of the helical cylinder in the system N of multi-pass helical plasma ducts); in FIG. 12 shows a scan of the cylindrical surface of a straight cylinder passing through the helical axis of the system N of multi-pass helical plasma ducts (scheme for determining the minimum longitudinal dimensions of the device); in FIG. 13 schematically shows the design of the ion separator for transverse momenta (longitudinal section); and in FIG. 14 is a design of an ion separator for transverse momenta (cross section); in FIG. 15 shows a device for applying coatings in the form of two identical symmetrically located devices with opposite torsion of equidistant multi-start helical plasma ducts and with the consonant inclusion of their solenoids; in FIG. 16 shows a device for depositing coatings over large areas; in FIG. 17 shows a cross section of a deposition chamber; in FIG. 18 shows the design of a plasma generator with an electromechanical system in the laser ignition unit, as well as expansion diagrams of the plasma of the working substance with two zones ω e τ ei <1 and ω e τ ei > 1 and magnetic flux distribution Ф К , Ф А and Ф Т ; in FIG. 19 schematically shows the topology of the magnetic field
Figure 00000002
the area of joining of the anode solenoid and the screw solenoid, as well as the variation of Ф А when adjusting the distance l АП between them; in FIG. 20 schematically shows the topology of the magnetic field
Figure 00000003
in the area of joining of the anode solenoid and the screw solenoid, as well as the option of changing Ф А when the winding density changes in the region of the end working surface; in FIG. 21 shows the design of a device with a plasma-optical system in the form of equidistant multi-start helical cylinders with a mixing chamber on the side of the output ends and solenoids located on the back side of the substrate; in FIG. 22 shows a device for producing multicomponent films in the form of a helical plasma duct with a mixing chamber at the inlet end. In FIG. 23 schematically shows a unit cell of a layered high-temperature superconductor Y 1 Ba 2 C 3 O 7 ; in FIG. 24 is a timing diagram of the formation of both a unit cell and a thin film of a given superconductor. (For Fig. 23, the film growth direction coincides with the crystallographic axis c; d c is the unit cell size in the direction c; B is the BaC sublattice; A is the Y sublattice; Fig. 25 schematically shows the body of the toroidal plasma duct, Fig. 26 is a method its manufacture (prototype); in Fig. 27 and 28 it is the same, but for the screw plasma duct housing (the proposed method), and in Fig. 29 is a diagram for calculating the distance l K between the normals of consecutive K sections of a straight pipe, as well as a diagram for calculating the angle rotation γ to between two consecutive sections of a segment; in Fig. 30 with schematically shows the housing of the mixing chamber for N = 2 plasma sources in the plane of the axes of the output and input segment; Fig. 31 schematically shows a side view of the mixing chamber in a plane perpendicular to the plane of the axes of the output and input segment; Fig. 32 schematically shows a top view of mixing chamber in a plane perpendicular to the axis of the output segment.

Устройство для получения покрытий в вакууме содержит импульсные генераторы плазмы твердых веществ, каждый из которых содержит подключенные к емкостному накопителю 1 шинами 2, образующими цепь разряда, полый анод 3 и размещенный внутри анода расходуемый катод 4 с торцевой рабочей поверхностью 5, блок поджига 6 разряда, соленоид 7, охватывающий анод, и примыкающий к выходному торцу анода криволинейный плазмовод, выполненный в виде полого корпуса 8 (фиг. 2, 9, 15, 16), подключенного к емкости Сп 9 (фиг. 2), цепи смещения и катушки 10 (фиг. 9, 15-16, 19-22), размещенной на корпусе с резьбовым профилем 11 (фиг. 2, 4- 9, 14, 19-22) на внутренней поверхности. A device for producing coatings in a vacuum contains pulsed plasma generators of solid substances, each of which contains connected to the capacitive storage 1 tires 2, forming a discharge circuit, a hollow anode 3 and a consumable cathode 4 with an end working surface 5 located inside the anode, an ignition unit 6 of the discharge, a solenoid 7, covering the anode, and a curvilinear plasma duct adjacent to the output end of the anode, made in the form of a hollow body 8 (Fig. 2, 9, 15, 16) connected to the capacitance Cn 9 (Fig. 2), bias circuit, and coil 10 ( Fig. 9, 15-16, 19-22), placed on the housing with a threaded profile 11 (Fig. 2, 4-9, 14, 19-22) on the inner surface.

Узел поджига 6 в генераторах плазмы (фиг. 1, 18) содержит расположенные на оптической оси лазерный излучатель 14, ориентированный к торцевой рабочей поверхности 5 катода 4, окно 15 ввода лазерного излучения, фокусирующую линзу 16, размещенную между окном 15 ввода излучения и лазерным излучателем 14, а также диафрагму 17, расположенную на оптической оси между торцевой рабочей поверхностью 5 катода (мишени) 4 и окном ввода лазерного излучения на расстоянии, равном фокусному расстоянию линзы, а также подвижный в продольном направлении прозрачный экран 18 (фиг. 1), закрепленный в механизме подачи, перемещаемом приводом 19 перемещения катода 4. The ignition unit 6 in plasma generators (Fig. 1, 18) contains a laser emitter 14 located on the optical axis, oriented to the end face 5 of the cathode 4, a laser radiation input window 15, a focusing lens 16 located between the radiation input window 15 and the laser emitter 14, as well as a diaphragm 17 located on the optical axis between the end working surface 5 of the cathode (target) 4 and the laser input window at a distance equal to the focal length of the lens, as well as a longitudinally transparent transparent screen 18 (Fig. 1), fixed in the feed mechanism, moved by the drive 19 to move the cathode 4.

Во втором варианте исполнения, в области между диафрагмой 17 и окном 15 ввода располагают нормально открытую заслонку 12 в виде рычага с возвратной пружиной 13. Меньший рычаг заслонки подсоединен к якорю электромагнитной системы, включающей магнитопровод 20 и две катушки 21 и 22. Одна из катушек включена последовательно в цепь 23 разряда ламп накачки излучателя 14, а вторая - согласно с первой и последовательно в цепь разряда к шинам 2 генератора плазмы. In the second embodiment, in the area between the diaphragm 17 and the input window 15, a normally open shutter 12 is arranged in the form of a lever with a return spring 13. A smaller shutter lever is connected to the armature of the electromagnetic system, including the magnetic circuit 20 and two coils 21 and 22. One of the coils is turned on sequentially in the circuit 23 of the discharge of the pump lamps of the emitter 14, and the second according to the first and sequentially in the discharge circuit to the tires 2 of the plasma generator.

Внутри основного винтового корпуса расположен, по крайней мере, один дополнительный корпус 25 (фиг. 2), внешняя и внутренняя поверхности которого профилированы аналогично основному корпусу плазмовода, а также параллельны ему в каждой точке поперечного сечения. At least one additional housing 25 (Fig. 2) is located inside the main screw housing, the outer and inner surfaces of which are profiled similarly to the main body of the plasma duct, and also parallel to it at each point of the cross section.

Одним из вариантов устройства для получения многокомпонетных потоков плазмы твердых веществ (фиг. 9) содержит три генератора плазмы Г1, Г2 и Г3, снабженных винтовыми плазмоводами с соленоидами 10, размещенными на полых корпусах 8 плазмоводов, выполненных в виде эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров, подсоединенных к камере смешения 26 (фиг. 9, 21), содержащей соленоиды (на чертеже не показаны) и автономные источники питания генераторов плазмы в виде емкостных накопителей Сн и емкостного накопителя потенциала смещения корпуса камеры смешения и корпусов плазмоводов (на чертеже не показан). One of the variants of the device for producing multicomponent plasma flows of solid substances (Fig. 9) contains three plasma generators G1, G2, and G3 equipped with screw plasma ducts with 10 solenoids located on hollow housings 8 of the plasma ducts made in the form of equidistant multi-start screw cylinders connected to mixing chamber 26 (Fig. 9, 21) containing solenoids (not shown in the drawing) and autonomous power sources of plasma generators in the form of capacitive storage devices Sn and a capacitive storage device of the potential of displacement of the camera body with Addressing and housings plasma ducts (not shown).

Камера смешения 26 является продолжением плазмоводов, при этом ее корпус образован совмещением одного торца прямого выходного цилиндра и N входных прямых, так что оси входных цилиндров проходят вдоль образующих конуса, обращенного вершиной к выходному торцу камеры смешения. Причем каждый из входных цилиндров охвачен соленоидом, а выходной цилиндр охвачен N (N=!3) соленоидами, образуя магнитную систему камеры смешения, каждая из обмоток соленоида входного цилиндра подключена согласно к одной из обмоток N соленоидов выходного цилиндра и в магнитную систему устройства. The mixing chamber 26 is a continuation of the plasma ducts, while its body is formed by combining one end of the direct output cylinder and N input lines, so that the axes of the input cylinders extend along the generatrices of the cone facing the apex to the output end of the mixing chamber. Moreover, each of the input cylinders is surrounded by a solenoid, and the output cylinder is surrounded by N (N =! 3) solenoids, forming a magnetic system of the mixing chamber, each of the windings of the solenoid of the input cylinder is connected according to one of the windings of N solenoids of the output cylinder and to the device’s magnetic system.

С тыльной стороны подложки взаимно соосно и соосно N соленоидам выходного цилиндра камеры смешения расположены N(N=3) соленоидов, обмотки которых включены согласно и последовательно в магнитную систему устройства, при этом длина и диаметр соленоидов равен длине и диаметру соленоидов выходного цилиндра камеры смешения. On the back side of the substrate, N (N = 3) solenoids are mutually coaxial and coaxial to the N solenoids of the output cylinder of the mixing chamber, the windings of which are connected in accordance with and sequentially in the device’s magnetic system, the length and diameter of the solenoids being equal to the length and diameter of the solenoids of the mixing cylinder output cylinder.

К выходному торцу плазмовода (или камеры смешения) соосно примыкает сепаратор ионов по импульсам (фиг. 13-15), включающий проводящие стенки 27, образующие продольные каналы, перпендикулярно продольным каналам расположена подложка 28, подключенная к источнику смещения подложки (не показано), причем подложка и проводящие каналы окружены соленоидом 29, силовые линии магнитного поля которого параллельны стенкам каналов и перпендикулярны подложке. An impulse ion separator (Fig. 13-15) coaxially adjacent to the output end of the plasma duct (or mixing chamber), including conductive walls 27 forming longitudinal channels, a substrate 28 located perpendicular to the longitudinal channels connected to the substrate bias source (not shown), moreover the substrate and the conductive channels are surrounded by a solenoid 29, the magnetic field lines of which are parallel to the channel walls and perpendicular to the substrate.

При этом устройство для получения покрытий содержит N = 3 соленоидов 31 с тыльной стороны подложки (см. фиг. 21) или два аналогичных устройства (см. фиг. 14), если их количество больше двух (см. фиг. 15), расположенных симметрично относительно плоскости подложки 28, причем направления кручения системы многозаходных винтовых плазмоводов в противолежащих устройствах противоположны, соленоиды 10 плазмоводов включены согласно, а величина расстояния LП∥ в камере осаждения 30 (фиг. 15, 16, 21) (подложка - выходные торцы устройств) во втором случае определяется из неравенства LП∥ ≥ VПЛ∥•τП , где VПЛ∥ - продольная скорость потоков плазмы, τП - время радиальной релаксации плотности плазмы.Moreover, the device for producing coatings contains N = 3 solenoids 31 on the back side of the substrate (see Fig. 21) or two similar devices (see Fig. 14), if their number is more than two (see Fig. 15) located symmetrically relative to the plane of the substrate 28, and the torsion directions of the system of multi-pass helical plasma ducts in opposite devices are opposite, the solenoids 10 of the plasma ducts are included according to, and the distance L П∥ in the deposition chamber 30 (Fig. 15, 16, 21) (the substrate is the output ends of the devices) the second case is determined and inequality L П L ≥ V PL∥ • τ П , where V PL∥ is the longitudinal velocity of plasma flows, τ П is the time of radial relaxation of the plasma density.

Устройство работает следующим образом. Заряжают источник 1 питания генератора плазмы до напряжения ~600 В (суммарная энергия ~103 Дж), которое прикладывается к аноду 2 и катоду 3 (расходуемой мишени). Затем блок синхронизации по заданной программе согласно распределению веществ в элементарной ячейке вещества задает режим синхронизации поджига разрядов, а также напуска реактивного газа (см. фиг. 23). Подают рабочее напряжение на лазерный излучатель, в результате чего генерируется импульс лазерного излучения длительностью ~ 20 нс и энергией 10-1 Дж в направлении оптической оси. Лазерное излучение фокусируют линзой 16, затем вводят в генератор плазмы (в область торцевой рабочей поверхности расходуемой мишени) через окно 15, прозрачный экран 13 и диафрагму 17, для взаимодействия с материалом мишени. Из этой зоны в межэлектродный зазор инжектируется поток лазерной плазмы и возбуждается импульсный вакуумно-дуговой разряд постоянного тока катодной формы. Продукты эрозии мишени (капельная фаза, ионизированная и нейтральная компоненты) истекают через выходной торец анода в область транспортирования. Процесс зарядки емкостного накопителя 1, поджига разряда и его горения задается блоком синхронизации. В ходе технологического процесса торцевая рабочая поверхность 5 мишени 4 вырабатывается. По мере выработки зона воздействия лазерного излучения перемещается по торцевой рабочей поверхности мишени. Расходуемый катод 4 по мере его выработки периодически перемещают в продольном направлении механизмом подачи 19 к выходному торцу генератора. Таким образом, путем периодической подачи расходуемого катода поддерживается исходная геометрия межэлектродного зазора. По мере транспортирования потоков плазмы в плазмоводах они сепарируются от капельной фазы и высокоэнергетичных ионов и поступают в камеру смешения, где они смешиваются и в виде многокомпонентного потока плазмы заданного химического состава поступают в область конденсации (на подложку) через выходной торец камеры смешения. При осаждении на профилированные подложки после смешения потоки транспортируются через продольные каналы сепаратора ионов плазмы по поперечным импульсам, а затем конденсируются.The device operates as follows. The power source 1 of the plasma generator is charged to a voltage of ~ 600 V (total energy ~ 10 3 J), which is applied to the anode 2 and cathode 3 (the target being consumed). Then, the synchronization unit according to a given program according to the distribution of substances in the unit cell of the substance sets the synchronization mode of ignition of discharges, as well as the inlet of reactive gas (see Fig. 23). The operating voltage is applied to the laser emitter, as a result of which a laser pulse is generated of a duration of ~ 20 ns and an energy of 10 -1 J in the direction of the optical axis. The laser radiation is focused by the lens 16, then introduced into the plasma generator (in the region of the end face of the sacrificial target) through the window 15, the transparent screen 13 and the diaphragm 17, for interaction with the target material. A laser plasma stream is injected from this zone into the interelectrode gap and a pulsed vacuum-arc discharge of a direct current of a cathode form is excited. The erosion products of the target (droplet phase, ionized and neutral components) flow out through the output end of the anode into the transport region. The process of charging a capacitive storage device 1, ignition of the discharge and its burning is set by the synchronization unit. During the process, the end working surface 5 of the target 4 is produced. As it develops, the zone of exposure to laser radiation moves along the end working surface of the target. The sacrificial cathode 4 as it is generated is periodically moved in the longitudinal direction by the feed mechanism 19 to the output end of the generator. Thus, by periodically supplying the sacrificial cathode, the initial geometry of the interelectrode gap is maintained. As plasma flows are transported in plasma ducts, they are separated from the droplet phase and high-energy ions and enter the mixing chamber, where they are mixed and enter the condensation region (onto the substrate) through the output end of the mixing chamber as a multicomponent plasma stream of a given chemical composition. When deposited on profiled substrates after mixing, the flows are transported through the longitudinal channels of the plasma ion separator by transverse momenta, and then condense.

Возможны три варианта реализации способа во времени: синхронное (являющееся, собственно, смешением) или асинхронное возбуждение пространственно разделенных вакуумно-дуговых разрядов, а также сочетание этих режимов. Three options for implementing the method in time are possible: synchronous (which is, in fact, mixing) or asynchronous excitation of spatially separated vacuum-arc discharges, as well as a combination of these modes.

В способе получения покрытий в вакууме возможны два варианта смешения по критерию исходного фазового состояния: смешиваются только твердофазные вещества или твердофазные и газообразные вещества. Последний вариант реализуется за счет напуска реактивного газа (O2;N2) в область генерирования импульсно и синхронно с возбуждением вакуумных дуг.In the method of producing coatings in vacuum, two mixing options are possible according to the criterion of the initial phase state: only solid-phase substances or solid-phase and gaseous substances are mixed. The latter option is implemented by injecting reactive gas (O 2 ; N 2 ) into the generation region pulsed and synchronously with the excitation of vacuum arcs.

Наличие в области смешения магнитного поля

Figure 00000004
обусловливает два возможных режима реализации смешения. В первом случае (ri < Dс) наблюдается однородное радиальное распределение химических элементов (ионов) в области смешения (и покрытии). Во втором случае (ri <Dс) смешение затруднено, так как ограничено магнитным полем радиальное перемещение ионов, ситуация аналогична, если λii < Dc. В варианте (когда ri>Dс) возможны два случая его реализации. В первом случае сначала смешивают многофазные потоки плазмы, а затем многофазный и многокомпонентный поток плазмы сепарируется путем транспортирования в криволинейной (винтовой) плазмооптической системе. Подобная последовательность операций не исключает массообмен по капельной фазе между пространственно разделенными вакуумными разрядами (с катодами различного химического состава каждого смешиваемого потока, а следовательно, и покрытия. Во втором случае исходные многофазные потоки сначала сепарируют от капельной фазы, а затем смешивают, что исключает массообмен по капельной фазе между пространственно разделенными вакуумными разрядами (катодами), поэтому химический состав покрытия будет определяться однозначно величинами зарядов, протекающих в каждом из разрядов - следовательно, второй случай является оптимальным, что, в сущности, обусловлено различной геометрической вероятностью р пролета капельной фазы вдоль профилированной поверхности, ограничивающей зону транспортирования. В способе величина эродирующей массы единичного импульса в импульсном дуговом разряде определяется равенством: M= k•q где k - коэффициент эрозии, q - заряд, протекающий в цепи разряда. Так как q = C•U, то эродируемой массой можно управлять как изменением емкости С, так и напряжением U в широких пределах, что позволяет при наличии нескольких пространственно-разделенных вакуумных дуг и временной последовательности их возбуждения формировать в одном цикле элементарную ячейку со сложной структурой, а многократное повторение таких циклов позволяет формировать пленку заданной толщины без существенных структурных неоднородностей в направлении роста. Таким образом состав покрытия в способе задают пространственным разделением вакуумных дуг и регулированием режима их синхронизации на этапе возбуждения, а также регулированием величины заряда электричества, протекшего в разряде за счет изменения напряжения и емкости, причем возбуждение вакуумных дуг осуществляют циклически во времени синхронно или последовательно путем инжекции лазерной плазмы, транспортирование осуществляют в пространственно разделенных областях, а их смешение в области пространственного совмещения магнитных полей областей транспортирования, при этом состав многокомпонентного покрытия задают из условия NA/NB/NC=KAtA CHAUA/KBtBCHBUB/KCtCCHCUC, где NA, NB, NC - концентрация химических элементов A, B, C в многокомпонентном покрытии, KA, KB, KC - коэффициент эрозии плазмообразующих веществ A, B, C, tA, tB, tC - коэффициент транспортирования потоков плазмы A, B, C, CHA, CHB, CHC..., UA, UB, UC - величины емкости (Ф) и изменений напряжения (В) емкостных накопителей, причем последовательность импульсов задают, исходя из порядка расположения подрешеток (слоев) формируемой кристаллической элементарной ячейки слоистого вещества покрытия (например, сверхпроводника (сэндвич- структуры), число импульсов плазмы nA, nB ... в последовательности для каждой подрешетки (слоя) определяют из выражения
Figure 00000005

где ρА,В,С - плотность наносимого вещества (химического элемента) А, В, С в покрытии, кг/м3; Sт - площадь поперечного сечения А, В, С области транспортирования (смешения), м2; dA,B,C - толщина подрешетки (слоя) А, В, С в элементарной ячейке (сэндвич- структура), м; qA,B,C - заряд, протекший в цепи разряда, Кл, а число циклов m последовательности импульсов плазмы определяются из равенства dя•m= l, где dя - размер элементарной ячейки (сэндвич-структуры) в направлении роста покрытия, м; l - толщина покрытия (сэндвич-структуры), м.The presence of a magnetic field in the mixing region
Figure 00000004
determines two possible modes of realization of mixing. In the first case (r i <D s ), a uniform radial distribution of chemical elements (ions) in the mixing region (and coating) is observed. In the second case (r i <D s ), the mixing is difficult, since the radial movement of ions is limited by the magnetic field, the situation is similar if λ ii <D c . In the variant (when r i > D c ) two cases of its implementation are possible. In the first case, multiphase plasma flows are mixed first, and then the multiphase and multicomponent plasma flows are separated by transportation in a curvilinear (screw) plasma-optical system. Such a sequence of operations does not exclude droplet phase mass transfer between spatially separated vacuum discharges (with cathodes of different chemical composition of each mixed flow, and hence the coating. In the second case, the initial multiphase flows are first separated from the droplet phase and then mixed, which excludes mass transfer by drop phase between spatially separated vacuum discharges (cathodes), therefore, the chemical composition of the coating will be determined uniquely by the magnitudes of the charges, p swelling in each of the discharges - therefore, the second case is optimal, which, in essence, is due to the different geometric probability p of the passage of the droplet phase along the profiled surface that limits the transportation zone. In the method, the value of the eroding mass of a single pulse in a pulsed arc discharge is determined by the equation: M = k • q where k is the erosion coefficient, q is the charge flowing in the discharge circuit, since q = C • U, the eroded mass can be controlled both by a change in capacitance C and voltage U in wide which makes it possible, in the presence of several spatially separated vacuum arcs and a time sequence of their excitation, to form a unit cell with a complex structure in one cycle, and repeated repetition of such cycles allows you to form a film of a given thickness without significant structural heterogeneities in the growth direction. Thus, the coating composition in the method is determined by the spatial separation of the vacuum arcs and the regulation of their synchronization mode at the stage of excitation, as well as by the regulation of the charge of electricity flowing in the discharge due to changes in voltage and capacitance, and the excitation of vacuum arcs is carried out cyclically in time synchronously or sequentially by injection laser plasma, transportation is carried out in spatially separated areas, and their mixing in the field of spatial combination of magnetic transport areas, and the composition of the multicomponent coating is specified from the condition N A / N B / N C = K A t A C HA U A / K B t B C HB U B / K C t C C HC U C , where N A , N B , N C - concentration of chemical elements A, B, C in a multicomponent coating, K A , K B , K C - erosion coefficient of plasma-forming substances A, B, C, t A , t B , t C - transport coefficient plasma flows A, B, C, C HA , C HB , C HC ..., U A , U B , U C are the capacitance (Ф) and voltage changes (V) of capacitive storage, and the pulse sequence is set based on the order of arrangement of sublattices (layers) of the formed crystal tally unit cell of a layered coating material (for example, a superconductor (sandwich structure), the number of plasma pulses n A , n B ... in the sequence for each sublattice (layer) is determined from the expression
Figure 00000005

where ρ A, B, C is the density of the applied substance (chemical element) A, B, C in the coating, kg / m 3 ; S t is the cross-sectional area A, B, C of the transportation (mixing) area, m 2 ; d A, B, C is the thickness of the sublattice (layer) A, B, C in the unit cell (sandwich structure), m; q A, B, C is the charge flowing in the discharge circuit, C, and the number of cycles m of the sequence of plasma pulses is determined from the equality d i • m = l, where d i is the size of the unit cell (sandwich structure) in the direction of coating growth, m; l - coating thickness (sandwich structure), m

Объемный механизм роста не обеспечивает условий для формирования слоистых структур вследствие того, что высота зародыша больше монослоя (подрешетки). Данный механизм способствует хаотическому распределению элементов состава слоистой структуры. При двухмерном (плоском) росте пленки (один, максимум три атома - один зародыш) выполняются все условия для формирования пленок со слоистой структурой и они могут быть обеспечены двумя характеристиками конденсируемой среды: плотностью и кинетической энергией ионов. Плотность конденсируемых частиц в импульсном режиме возрастает на 3-6 порядков, что в свою очередь обеспечивает уменьшение размера критического зародыша приблизительно в 3-6 раз. The volumetric growth mechanism does not provide conditions for the formation of layered structures due to the fact that the height of the nucleus is greater than the monolayer (sublattice). This mechanism contributes to the chaotic distribution of layered structure elements. With two-dimensional (flat) film growth (one, at most three atoms - one nucleus), all conditions for the formation of films with a layered structure are satisfied and they can be provided with two characteristics of the condensed medium: the density and kinetic energy of ions. The density of condensed particles in the pulsed mode increases by 3-6 orders of magnitude, which in turn provides a reduction in the size of the critical nucleus by approximately 3-6 times.

Такое увеличение плотности пара (конденсируемой среды) обеспечивает повышение в 103 - 106 раз вероятности взаимодействия ион - трехмерный зародыш, в результате чего происходит разрушение последнего, так как энергия связи адатомов в зародыше в направлении роста (доли - единицы эВ) существенно меньше кинетической энергии адсорбирующихся ионов (десятки эВ). Все это в совокупности обеспечивает формирование пленок со слоистой структурой на уровне монослоя.Such an increase in the density of the vapor (condensed medium) provides an increase of 10 3 - 10 6 times the probability of interaction between the ion and the three-dimensional nucleus, as a result of which the latter is destroyed, since the binding energy of the adatoms in the nucleus in the growth direction (fractions - units of eV) is significantly less than the kinetic energy of adsorbed ions (tens of eV). All this together ensures the formation of films with a layered structure at the level of a monolayer.

Однако избыточная энергия ионов может нарушить качественные характеристики покрытия. Образование радиационных дефектов на поверхности конденсации присуще всем плазменным методам конденсации и обусловлено наличием у доли ионной компоненты энергии большей, чем энергия (Wдеф) образования дефекта на поверхности конденсации. В способе имеются два источника радиационных дефектов: на этапе поджига - лазерная плазма и на этапе генерирования - плазма вакуумной дуги. Для устранения влияния этих источников необходимо перед конденсацией отсепарировать из плазмы ионы, энергия которых больше, чем энергия дефектообразования, и оставить ионы, для которых выполняется обратное соотношение. Максимальная энергия в данном способе определяется двумя факторами: во-первых, величиной потенциала на стенку, ограничивающей область транспортирования и, во-вторых, величиной потенциала смещения Uсм.п поверхности конденсации (подложки), которая зависит от электропроводности подложки.However, excess ion energy can impair the quality of the coating. The formation of radiation defects on the condensation surface is inherent in all plasma condensation methods and is due to the presence in the fraction of the ionic component of the energy greater than the energy (W def ) of the formation of the defect on the condensation surface. The method has two sources of radiation defects: at the stage of ignition, laser plasma and at the generation stage, plasma of a vacuum arc. To eliminate the influence of these sources, before condensation, it is necessary to separate ions from the plasma whose energy is greater than the energy of defect formation, and to leave ions for which the inverse relation is true. The maximum energy in this method is determined by two factors: firstly, the magnitude of the potential on the wall, limiting the transport region and, secondly, the magnitude of the bias potential U see the surface of the condensation (substrate), which depends on the conductivity of the substrate.

Возможны два случая, когда подложка выполнена из диэлектрика или полуизолирующего полупроводника или подложка выполнена из металла или высоколегированного полупроводника. Two cases are possible when the substrate is made of a dielectric or semi-insulating semiconductor or the substrate is made of metal or a highly alloyed semiconductor.

В первом случае не представляется возможным регулировать величину Uсм.п с целью ограничения максимальной энергии иона в области конденсации, так как на диэлектрической подложке устанавливается плавающий потенциал, равный (eUсм.п≃ 5Te). Следовательно, ограничение максимальной энергии конденсируемого иона возможно только за счет изменения величины потенциала на стенке, ограничивающей зону транспортирования, т.е. eUсм.т + 5Te) <Wдеф. Во втором случае можно изменять и величину Uсм.п, подавая положительный или отрицательный потенциал смещения так, чтобы eUсм.т±eUсм.п•Z<Wдеф.In the first case, it is not possible to adjust the value of U cm.s. with the aim of limiting the maximum ion energy in the condensation region, since a floating potential equal to (eU cm.s. ≃ 5Te) is established on the dielectric substrate. Therefore, limiting the maximum energy of a condensed ion is possible only by changing the value of the potential on the wall that bounds the transport zone, i.e. eU cm t + 5Te) <W def. In the second case, one can also change the value of U cm.s. , giving a positive or negative bias potential so that eU cm.s. ± eU cm.s. • Z <W def .

Аналогичны рассмотренным случаи, если конденсируемая пленка - диэлектрик или полуизолирующий полупроводник, металл или высоколегированный полупроводник. На этапе транспортирования необходимо обеспечить выход всех ионов плазмы (лазерной и вакуумной дуги) к стенке корпуса плазмовода, где они будут отсепарированы по энергиям на потенциальном барьере Uсм.т. Если их энергия превышает величину потенциального барьера, то эта часть ионов уходит на стенку, а оставшаяся часть, для которой выполняется обратное соотношение, выходит в область конденсации. Выход всех ионов к потенциальному барьеру наблюдается в том случае, если выполняются два условия: во-первых, если λii > DT в противном случае (если λii < DT) ион за счет столкновений в области транспортирования минует поверхность области транспортирования. Второе необходимое условие энергетической сепарации ионов наблюдается, если ri>Dт. В противном случае (если ri<Dт) за счет замагниченности ионной компоненты в объеме области транспортирования все ионы минуют поверхность области транспортирования. Указанная неравновесность в распределении сохраняется на длине свободного пробега иона λii, поэтому поверхность конденсации устанавливают на расстоянии Lк, меньшем длины свободного пробега ионов (Lк < λii) . В противном случае (если Lк > λii) за счет ион-ионных столкновений неравновесность устраняется и в потоке плазмы появляются вновь высокоэнергетичные ионы.The cases considered are similar if the condensed film is a dielectric or a semi-insulating semiconductor, metal or a highly alloyed semiconductor. At the transportation stage, it is necessary to ensure the exit of all plasma ions (laser and vacuum arc) to the wall of the plasma duct body, where they will be separated by energies at the potential barrier U cm . If their energy exceeds the value of the potential barrier, then this part of the ions goes to the wall, and the remaining part, for which the inverse relation holds, goes into the condensation region. The exit of all ions to a potential barrier is observed if two conditions are satisfied: first, if λ ii > D T otherwise (if λ ii <D T ) the ion bypasses the surface of the transport region due to collisions in the transport region. The second necessary condition for the energy separation of ions is observed if r i > D t . Otherwise (if r i <D t ) due to the magnetization of the ionic component in the volume of the transport region, all ions pass the surface of the transport region. The indicated disequilibrium in the distribution is maintained at the mean free path of the ion λ ii , therefore, the condensation surface is set at a distance L k less than the mean free path of the ions (L kii ). Otherwise (if L k > λ ii ) due to ion-ion collisions, the nonequilibrium is eliminated and again high-energy ions appear in the plasma stream.

Исходный химический состав плазмообразующего вещества может изменяться вследствие ряда причин, которые в свою очередь определяются компонентным составом рабочего вещества. Так, исходный состав однокомпонентного плазмообразующего вещества изменяется вследствие, во-первых, использования материала поджигающих электродов с химическим составом, отличным от химического состава материала катода (на этапе возбуждения основного разряда), во-вторых, развитием анодной тепловой неустойчивости как на этапе генерирования плазмы, так и на этапе ее транспортирования и смешения. Вследствие своеобразного кругооборота привнесенной примеси (образование ---> конденсация на подложке и на других элементах конструкции ---> реиспарение с этих элементов конструкции) она должна быть устранена на каждом этапе, в противном случае, примесь неизбежно появится на всех этапах способа, а также в тонкой пленке конденсата на подложке. The initial chemical composition of the plasma-forming substance may vary due to a number of reasons, which in turn are determined by the component composition of the working substance. Thus, the initial composition of a one-component plasma-forming substance changes due, firstly, to the use of material of ignition electrodes with a chemical composition different from the chemical composition of the cathode material (at the stage of excitation of the main discharge), and secondly, to the development of anode thermal instability as at the stage of plasma generation, and at the stage of its transportation and mixing. Due to the peculiar circulation of the introduced impurity (formation ---> condensation on the substrate and on other structural elements ---> re-evaporation from these structural elements), it must be eliminated at each stage, otherwise, an impurity will inevitably appear at all stages of the method, and also in a thin film of condensate on a substrate.

Изменение химического состава покрытия на этапе поджига можно свести к минимуму путем применения лазерного поджига. Changes in the chemical composition of the coating during the ignition phase can be minimized by using laser ignition.

В лазерном поджиге имеется ряд причин, обусловливающих привнесенные химические примеси. Первая вызвана процессом самоочищения (регенерации прозрачности) рабочей поверхности окна оптического ввода от продуктов конденсации компонент плазмы вакуумной дуги (капельной фазы, ионизованной и нейтральной компоненты). In laser firing, there are a number of reasons for the introduced chemical impurities. The first is caused by the process of self-cleaning (transparency regeneration) of the working surface of the optical input window from the condensation products of the plasma components of the vacuum arc (droplet phase, ionized and neutral components).

Кроме того, уровень химической чистоты в генераторе плазмы твердых веществ с лазерным поджигом может нарушаться вследствие эрозии материала анода, корпуса плазмовода при условии частичного отражения на анод (корпус плазмовода) лазерного излучения от торцевой рабочей поверхности катода. In addition, the level of chemical purity in the laser-ignited solid-state plasma generator can be violated due to erosion of the anode material and the plasma duct case, provided that the laser radiation from the end working surface of the cathode is partially reflected on the anode (plasma duct body).

Возможен другой вариант изменения химического состава многокомпонентного рабочего вещества, обусловленный длительностью τл этапа поджига, так как возможны два предельных варианта: τл ≪ τг и τл ≥ τг. В случае τл ≥ τг происходит локализация катодных пятен в зоне взаимодействия лазерного излучения с торцевой рабочей поверхностью, что обусловливает локализацию тепловых источников (лазерное излучение, катодные пятна) перекрытие их изотерм плавления и образование зоны сплошного оплавления (избыток жидкой фазы), что стимулирует процесс возгонки легкоплавких компонент рабочего вещества, а также увеличивает энергозатраты на возбуждение. Таким образом, наиболее оптимален при возбуждении режим τл ≪ τг модулированной добротности, когда выполняется условие

Figure 00000006
, где α - коэффициент поглощения, a - температуропроводность рабочего вещества.Another variant of changing the chemical composition of a multicomponent working substance is possible, due to the duration of τ l of the ignition stage, since two limiting variants are possible: τ l ≪ τ g and τ l ≥ τ g . In the case of τ l ≥ τ g , cathode spots are localized in the zone of interaction of laser radiation with the end working surface, which determines the localization of heat sources (laser radiation, cathode spots), their melting isotherms overlap and the formation of a continuous fusion zone (excess liquid phase), which stimulates the process of sublimation of the low-melting components of the working substance, and also increases the energy consumption for excitation. Thus, the mode τ l ≪ τ g of modulated Q factor is most optimal when excited, when the condition
Figure 00000006
where α is the absorption coefficient, a is the thermal diffusivity of the working substance.

Другим источником примеси в способе является тепловая анодная неустойчивость, которая имеет место вследствие неоднородного распределения электрического поля вблизи микронеоднородностей поверхностей элементов конструкции (анода, корпуса плазмовода, корпуса камеры смешения при lленг.>hн (где lленг. - величина слоя Ленгмюра, hн - высота неоднородностей) происходит пространственное перераспределение токопереноса из плазмы на их поверхности за счет локального увеличения электрического поля, что обусловливает высокую неоднородность тепловых источников и их локализацию в области указанных неоднородностей. Вследствие затрудненного теплоотвода с микронеровностей при hн>dн (где hн и dн - высота и диаметр микронеровностей элементов конструкции соответственно) они подвергаются интенсивному тепловому воздействию, аккумулируя энергию, и за время развития тепловой анодной неустойчивости оплавляются (взрываются), создавая поток примеси.Another source of impurities in the method is the thermal anode instability, which occurs due to the nonuniform distribution of the electric field near the microinhomogeneities of the surfaces of the structural elements (anode, plasma duct housing, mixing chamber housing at l leng. > H n (where l leng. Is the Langmuir layer size, h H - height of irregularities) occurs spatial redistribution of current transfer from the plasma to the surface due to the local increase in electric field that causes high heterogeneity tep ovyh sources and their location in said inhomogeneities Due hindered heatsink with microroughness when h n> d n (where h n and d n - height and diameter of the microscopic irregularities of structural elements, respectively). they are exposed to intense thermal action, accumulating energy, and development time thermal anode instabilities melt (explode), creating a stream of impurities.

Таким образом, чтобы снизить уровень примеси из области генерирования, обусловленной тепловой анодной неустойчивостью, необходимо свести к минимуму анодный скачок потенциала ΔUa (т.е. ΔUа)=0), или ограничивать время генерирования потока плазмы ( τг ) условием τг < τт.ан где τT.АН -время развития тепловой анодной неустойчивости. Первый вариант ( ΔUа = 0) неприемлем в способе, так как вблизи анода отсутствует потенциальный барьер и ионы уходят на анод, снижая эффективность генерирования плазмы. Поэтому Δ Uа>0 и составляет по величине несколько значений ионных температур, а устранение примеси на этапе генерирования достигается ограничением его длительности.Thus, in order to reduce the level of impurities from the generation region due to thermal anode instability, it is necessary to minimize the anodic potential jump ΔU a (i.e., ΔU a ) = 0), or to limit the time of plasma flow generation (τ g ) by the condition τ gtan where τ T.AN is the time of the development of thermal anode instability. The first option (ΔU a = 0) is unacceptable in the method, since there is no potential barrier near the anode and the ions go to the anode, reducing the efficiency of plasma generation. Therefore, Δ U a > 0 and amounts to several ionic temperature values, and elimination of the impurity at the generation stage is achieved by limiting its duration.

Для уменьшения примесей из области транспортирования (внутренняя поверхность корпуса плазмовода) в случае тепловой анодной неустойчивости не представляется возможным выполнить условие Uсм.т = 0 (так как для повышения эффективности транспортирования потока плазмы (ионов) по плазмоводу на его корпус всегда подается положительный потенциал смещения Uсм.т >0, равный по величине нескольким значениям ионных температур), поэтому необходимо ограничивать время транспортирования τT условием τТ< τТ.АН.
Характер образования привнесенных химических примесей на этапе смешения потоков плазмы (в камере смешения) аналогичен характеру образования химических примесей на этапе транспортирования (в плазмоводе), поэтому условие их отсутствия можно записать: τС< τТ.АН.С, где τС - время смешения потоков плазмы.
In order to reduce impurities from the transport region (the inner surface of the plasma duct body) in the case of thermal anode instability, it is not possible to fulfill the condition U cm = 0 (since to increase the efficiency of transporting the plasma (ion) flux through the plasma duct, a positive bias potential is always applied to its body U see t > 0, equal in value to several values of ionic temperatures), therefore, it is necessary to limit the transportation time τ T by the condition τ TT.AN.
The nature of the formation of introduced chemical impurities at the stage of mixing the plasma flows (in the mixing chamber) is similar to the nature of the formation of chemical impurities at the stage of transportation (in the plasma duct), therefore, the condition for their absence can be written down: τ CT.AN.S , where τ C is the time mixing plasma flows.

Применение в качестве плазмообразующего многокомпонентного вещества обусловливает, кроме тепловой анодной неустойчивости, еще ряд причин нарушения состава, присущих принципиально только такого рода плазмообразующему веществу и которые (причины) наблюдаются на всех этапах способа. The use of a multicomponent substance as a plasma-forming substance causes, in addition to thermal anode instability, a number of other reasons for the composition violation, which are fundamentally inherent only to such a plasma-forming substance and which (reasons) are observed at all stages of the method.

На этапе генерирования потока многокомпонентной плазмы имеется механизм, обусловливающий изменение химического состава непосредственно в области плазмообразования - катодных пятнах вакуумной дуги, различающихся временем жизни. С точки зрения изменения химического состава в плазме многокомпонентного рабочего вещества катодные пятна неравнозначны, так как фракционная возгонка легкоплавких компонентов плазмообразующего вещества наиболее эффективно происходит в ассоциациях (группа катодных пятен второго рода). "Технологическими" катодными пятнами являются пятна второго рода, так как энергетический спектр их ионов более оптимален Wi<Wдеф, поэтому длительность разряда определяется из условия τГ≤ τII, где τII - время жизни катодных пятен второго рода. Последнее обстоятельство, кроме снижения уровня фракционной возгонки легкоплавких компонент вещества, способствует снижению уровня капельной фазы, генерируемой из катодных пятен, вследствие меньших объемов жидкой фазы в области плазмообразования.At the stage of generating a multicomponent plasma flow, there is a mechanism that causes a change in the chemical composition directly in the region of plasma formation — cathode spots of a vacuum arc that differ in lifetime. From the point of view of changing the chemical composition in the plasma of a multicomponent working substance, the cathode spots are unequal, since the fractional sublimation of the fusible components of the plasma-forming substance most effectively occurs in associations (a group of cathode spots of the second kind). “Technological” cathode spots are spots of the second kind, since the energy spectrum of their ions is more optimal W i <W def , therefore, the discharge duration is determined from the condition τ Г ≤ τ II , where τ II is the lifetime of the cathode spots of the second kind. The latter circumstance, in addition to lowering the level of fractional sublimation of the fusible components of the substance, helps to reduce the level of the droplet phase generated from the cathode spots, due to the smaller volumes of the liquid phase in the region of plasma formation.

На этапе транспортирования, в случае многокомпонентных потоков плазмы, имеется ряд механизмов, обусловливающих изменение химического состава вследствие наличия в плазме ионов химических элементов с различными массами Mi, mi, а также различия в кратности ионизации (Z=! 1, 2, 3...) ионов, где Mi, mi - масса тяжелого и легкого ионов соответственно. Наличие в способе криволинейного и неоднородного магнитного поля

Figure 00000007
, а также скрещенного с ним электрического поля
Figure 00000008
может стать причиной пространственного перераспределения ионов в многокомпонентном потоке по их массам Mi, mi и кратности ионизации (Z) даже при наличии в исходном потоке после этапа генерирования пространственной однородности по этим параметрам.At the stage of transportation, in the case of multicomponent plasma flows, there are a number of mechanisms that determine the change in the chemical composition due to the presence of ions of chemical elements with different masses M i , m i in the plasma, as well as differences in the ionization ratio (Z =! 1, 2, 3. ..) ions, where M i , m i are the mass of the heavy and light ions, respectively. The presence in the method of a curved and inhomogeneous magnetic field
Figure 00000007
as well as an electric field crossed with it
Figure 00000008
can cause a spatial redistribution of ions in a multicomponent stream over their masses M i , m i and ionization multiplicity (Z) even if there is spatial homogeneity in these parameters in the initial stream after the stage of generation.

Перераспределение может быть двух типов: радиальное и продольное. Радиальное перераспределение может быть обусловлено дрейфом кривизны, градиентным дрейфом ионов различной массы и кратности ионизации Z, а также центробежными силами за счет вращения плазмы, во-первых, в скрещенных

Figure 00000009
полях и, во-вторых, относительно оси винтового магнитного поля.Redistribution can be of two types: radial and longitudinal. The radial redistribution can be caused by the drift of curvature, the gradient drift of ions of different masses and the multiplicity of ionization Z, as well as by centrifugal forces due to the rotation of the plasma, firstly, in crossed
Figure 00000009
fields and, secondly, relative to the axis of the helical magnetic field.

Так как ионная компонента плазмы на этапе транспортирования не замагничена (ri>Dт), поэтому указанные дрейфы могут реализоваться за счет

Figure 00000010
электрон-ионных столкновений на длине Lт зоны транспортирования, равной
Figure 00000011
где λei - величина расстояния электрон-ионных столкновений. Обычно LT= (5-10)λei, поэтому градиентный дрейф и дрейф кривизны не являются в способе лимитирующими факторами перераспределения ионов плазмы по Mi, mi и Z. Эффект радиального перераспределения ионов за счет вращения плазмы в
Figure 00000012
полях имеет максимальную эффективность при замагниченности ионной компоненты, так как в этот вид движения вовлечена непосредственно ионная компонента плазмы. В случае (когда ri>Dт) непосредственно в
Figure 00000013
вращении участвует только электронная компонента плазмы, так как она замагничена (ri<<Dт ωeτei> 1 , где ωeτei> 1 - параметр Холла электронов), а вовлечение ионной компоненты возможно за счет электрон-ионных столкновений, т.е. аналогично градиентным дрейфам. Обычно Lт ≤ 102 см и определяется сверху условиями запирания капельной фазы.Since the ionic component of the plasma at the stage of transportation is not magnetized (r i > D t ), therefore, these drifts can be realized due to
Figure 00000010
electron-ion collisions over a length L t of the transport zone equal to
Figure 00000011
where λ ei is the distance of electron-ion collisions. Usually L T = (5-10) λ ei , therefore gradient drift and curvature drift are not in the method the limiting factors of redistribution of plasma ions over M i , m i and Z. The effect of radial redistribution of ions due to plasma rotation in
Figure 00000012
In fields, it has maximum efficiency with magnetization of the ionic component, since the plasma ion component is directly involved in this type of motion. In the case (when r i > D t ) directly in
Figure 00000013
only the electron component of the plasma is involved in the rotation, since it is magnetized (r i << D t ω e τ ei > 1, where ω e τ ei > 1 is the electron Hall parameter), and the involvement of the ion component is possible due to electron-ion collisions, those. similar to gradient drifts. Usually L t ≤ 10 2 cm and is determined from above by the locking conditions of the droplet phase.

Лимитирующими в способе для перераспределения являются центробежные силы, обусловленные вращением плазмы относительно оси винтового цилиндра, так как ионы непосредственно участвуют в этом виде движения даже при ri>Dт. Этот механизм отсутствует, если:
1. Nпов.>Nобъем. т.е. λii≥ DТ , где Nпов., Nобъем. - число столкновений ионов с поверхностью, ограничивающей зону транспортирования, и в объеме между собой соответственно.
The method for redistribution is limited by centrifugal forces due to the rotation of the plasma relative to the axis of the screw cylinder, since ions are directly involved in this type of motion even when r i > D t . This mechanism is absent if:
1. N rep. > N volume. those. λ ii ≥ D T , where N rep. , N volume. - the number of collisions of ions with the surface bounding the transport zone, and in the volume between themselves, respectively.

2.

Figure 00000014
, когда λii< Dт, где Vi - скорость иона, n - концентрация плазмы, rт - радиус кривизны зоны транспортирования, Тi - ионная температура.2.
Figure 00000014
when λ ii <D t , where V i is the ion velocity, n is the plasma concentration, r t is the radius of curvature of the transport zone, T i is the ion temperature.

3. τпр.< τразд. , когда λii< Dт , где τпр., τразд. - время соответственно пролета и разделения.3. τ avesec. when λ ii <D t , where τ ave , τ sec. - time of flight and separation, respectively.

В первом случае объемное перераспределение, обусловленное объемным источником за счет избирательных по направлению столкновениях ионов и различной массой Mi, mi, разрушается (хаотизируется) при столкновении ионов с поверхностью, так как оно не является избирательным по направлению.In the first case, the volume redistribution caused by the volume source due to directionally selective collisions of ions and different masses M i , m i is destroyed (randomized) when the ions collide with the surface, since it is not selective in direction.

Во втором варианте, даже при λii< Dт , решающим фактором является хаотическое движение ионов, так как давление хаотического движения ионов существенно больше центробежного давления на плазму, поэтому радиальное перераспределение не реализуется, так как в любой момент оно разрушается хаотическим движением ионов. В третьем случае, даже при реализации условий

Figure 00000015
вследствие инерционности процесса разделения (τразд.) радиальное перераспределение не успевает реализоваться за время пролета (τпр.) плазмой области транспортирования в области конденсации (подложки), однако установится стационарное радиальное перераспределение, если τразд.≤ τпр. Величина стационарного (т. е. при τпр.> τразд.) коэффициента разделения β химических компонент в поле центробежных сил равна
Figure 00000016
(при λii< DТ ), где ΔM=Mi-mi - разница в массах ионов, V∥П - скорость потока плазмы, rт - радиус кривизны зоны транспортирования, Тi - ионная температура.In the second version, even with λ ii <D t , the decisive factor is the chaotic movement of ions, since the pressure of the chaotic movement of ions is much greater than the centrifugal pressure on the plasma, so the radial redistribution is not realized, since at any moment it is destroyed by the chaotic movement of ions. In the third case, even when conditions are met
Figure 00000015
due to the inertia of the separation process (τ sec. ), the radial redistribution does not manage to be realized during the time of flight (τ ave. ) by the plasma of the transport region in the condensation region (substrate), however, a stationary radial redistribution is established if τ sec. ≤ τ ave. The value of the stationary (i.e., at ave. > Τ aux. ) Separation coefficient β of chemical components in the field of centrifugal forces is
Figure 00000016
(at λ ii <D Т ), where ΔM = M i -m i is the difference in ion masses, V ∥ П is the plasma flow rate, r t is the radius of curvature of the transport zone, and T i is the ion temperature.

Таким образом избежать радиального перераспределения на
этапе транспортирования можно, если λii> DТ, а при росте плотности плазмы, когда λii< DТ только при условии τразд.> τпр. В винтовых магнитных полях в меньшей степени

Figure 00000017
, чем в тороидальных, выражен эффект радиального перераспределения многокомпонентных потоков плазмы в поле центробежных сил.Therefore, avoid radial redistribution by
transportation stage is possible if λ ii > D T , and with increasing plasma density, when λ ii <D T only under the condition τ sec. > τ ave. To a lesser extent in helical magnetic fields
Figure 00000017
than in toroidal ones, the effect of radial redistribution of multicomponent plasma flows in the field of centrifugal forces is expressed.

На этапе транспортирования возможно продольное перераспределение химических компонентов в потоке плазмы (и пленке), обусловленное разной скоростью Vi ионов с различной массой (Mi, mi) при одинаковой ионной температуре Тi и которое в свою очередь определяется рядом факторов: величиной толщины пленки, конденсируемой за один импульс плазмы, временем τEH наложения магнитного

Figure 00000018
и электрического поля
Figure 00000019
и вариантом исполнения источника магнитного поля
Figure 00000020
на этапе транспортирования. Электрическое поле создается прямым подключением корпуса плазмовода к положительному полюсу емкостного накопителя, т.е. оно не модулируется во времени. Возможны три варианта создания импульсного магнитного поля: сторонним источником с длительностью импульса тока τЕH= τГПР., непосредственно током вакуумной дуги, длительностью τЕН= τГ и сторонним источником, длительностью τпр. на заднем фронте тока вакуумной дуги: τЕН= τГпр., т.е. смешанным способом. Влияние продольного перераспределения на состав пленки отсутствует, если, во-первых, толщина конденсируемой пленки за импульс плазмы меньше или равна толщине монослоя
Figure 00000021
(что обычно выполняется для импульсных генераторов плазмы твердых веществ) и, во-вторых, когда магнитное поле
Figure 00000022
создается сторонним источником тока, длительностью τЕН= τГ+ τпр. или смешанным способом. Для создания
Figure 00000023
обычно используют только сильноточечные (~5•103А) цепи вакуумной дуги, что позволяет снизить энергозатраты и синхронизировать моменты появления плазмы и магнитного поля на этапе транспортирования. В этом случае на заднем фронте потока плазмы на время τпр. в момент погасания вакуумной дуги отсутствуют условия транспортирования плазмы по магнитному полю, поэтому плазма, обогащенная тяжелой ионной компонентой, конденсируется в зоне транспортирования (на поверхности плазмовода), обусловливая избыток легкой ионной компоненты в зоне подложки (в пленке).At the transportation stage, a longitudinal redistribution of chemical components in the plasma stream (and film) is possible, due to different speeds V i of ions with different masses (M i , m i ) at the same ion temperature T i and which in turn is determined by a number of factors: the thickness of the film condensed in one plasma pulse by the time τ EH of the magnetic
Figure 00000018
and electric field
Figure 00000019
and an embodiment of a magnetic field source
Figure 00000020
at the transportation stage. The electric field is created by directly connecting the plasma duct body to the positive pole of the capacitive storage device, i.e. it is not modulated in time. Three options for creating a pulsed magnetic field are possible: an external source with a current pulse duration τ ЕH = τ Г + τПР . , directly by the vacuum arc current, duration τ ЕН = τ Г and a third-party source, duration τ av at the trailing edge of the vacuum arc current: τ ЕН = τ Г + τ av , i.e. in a mixed way. There is no influence of longitudinal redistribution on the composition of the film if, firstly, the thickness of the condensed film per plasma pulse is less than or equal to the thickness of the monolayer
Figure 00000021
(which is usually done for pulsed solid-state plasma generators) and, secondly, when the magnetic field
Figure 00000022
created by an external current source, duration τ ЕН = τ Г + τ пр. or in a mixed way. For creating
Figure 00000023
usually only high-strength (~ 5 • 10 3 A) vacuum arc circuits are used, which allows reducing energy consumption and synchronizing the appearance of plasma and magnetic field at the stage of transportation. In this case, there are no conditions for transporting the plasma over the magnetic field at the trailing edge of the plasma flow for a time τ av at the time of extinction of the vacuum arc; therefore, the plasma enriched in the heavy ion component condenses in the transport zone (on the surface of the plasma duct), causing an excess of the light ion component in the area of the substrate (in the film).

Однородность толщины пленок при их осаждении из плазмы в продольном магнитном и радиальном электрическом полях зависит от ряда факторов: степени ионизации плазмы, величины и топологии магнитного поля, а также величины электрического поля. Если степень ионизации плазмы меньше единицы, то профиль пленки складывается из пространственного распределения нейтральной компоненты, которое не зависит от внешних полей, а также пространственного распределения ионизованной компоненты, которое задается топологией магнитного поля в объеме и электрическим полем на поверхности. The uniformity of the thickness of the films during their deposition from plasma in longitudinal magnetic and radial electric fields depends on a number of factors: the degree of plasma ionization, the magnitude and topology of the magnetic field, and also the magnitude of the electric field. If the degree of plasma ionization is less than unity, then the film profile consists of the spatial distribution of the neutral component, which is independent of external fields, as well as the spatial distribution of the ionized component, which is determined by the topology of the magnetic field in the volume and the electric field on the surface.

Для устранения этого недостатка поток плазмы транспортируют в скрещенных

Figure 00000024
полях и получают плазменный поток со степенью ионизации, равной единице. В данном случае профиль пленки определяется только топологией магнитного поля в объеме плазмы и радиальным электрическим полем в ленгмюровском слое (lленгм.). Топология магнитного поля у поверхности конденсации определяется распределением напряженности магнитного поля зоны транспортирования. При этом величина неоднородности толщины пленки
Figure 00000025
в данном случае определяется величиной неоднородности магнитного поля
Figure 00000026
. Последнее справедливо только в объеме плазмы, где отсутствует электрическое поле, которое экранируется на поверхности (в толщине слоя lленгм плазмы.To eliminate this drawback, the plasma stream is transported in crossed
Figure 00000024
fields and receive a plasma stream with a degree of ionization equal to unity. In this case, the film profile is determined only by the topology of the magnetic field in the plasma volume and the radial electric field in the Langmuir layer (l Langm. ). The topology of the magnetic field at the condensation surface is determined by the distribution of the magnetic field strength of the transportation zone. The magnitude of the heterogeneity of the film thickness
Figure 00000025
in this case is determined by the magnitude of the inhomogeneity of the magnetic field
Figure 00000026
. The latter is true only in the plasma volume, where there is no electric field that is screened on the surface (in the layer thickness l is the plasma langm .

Указанные технические решения позволяют решить вопрос о равномерности покрытий

Figure 00000027
при истечении плазмы на малогабаритную подложку из одного выходного торца плазмовода (камеры смешения). На практике возможен вариант истечения на крупногабаритную подложку (>Ф 200 нескольких пространственно разделенных потоков плазмы из ряда выходных торцов плазмоводов (камер смешения)). В данном случае равномерность покрытия определяется еще двумя факторами: расстоянием LП∥ между выходными торцами устройств и подложкой и нестабильностью генерирования плазмы в каждом из генераторов. Первая причина лимитируется временем τП радиальной релаксации плотности плазмы. Оптимальной величиной расстояния LП∥ является величина, определяемая из неравенства LП∥≥ VПЛ∥•τП , где VПЛ∥ - продольная скорость потока плазмы. Однако это условие не является достаточным, так как равномерность покрытия на большей площади может нарушаться вследствие нестабильности возбуждения вакуумных дуг в генераторах плазмы. В данном случае неравномерность
Figure 00000028
покрытия и нестабильность
Figure 00000029
процесса возбуждения дуговых разрядов в генераторах Г1, Г2... Г18 (см. фиг. 19) связаны соотношением
Figure 00000030
, причем
Figure 00000031
зависит от числа N генераторов в устройстве, т.е.
Figure 00000032
. Поэтому чем больше число генераторов N в устройстве, тем больше равномерность покрытия по толщине. Конструкции устройств для получения покрытий позволяют сформировать продольный общий поток плазмы из нескольких индивидуальных потоков плазмы. Однако возможен и другой вариант формирования из нескольких радиальных индивидуальных потоков плазмы для осаждения покрытий на подложки в виде тела вращения или на подложки другой формы, расположенных на карусели. В данном случае для получения равномерного по толщине покрытия и соблюдения химического состава необходимо соблюдение некоторых требований. Цилиндрическая подложка или карусель с подложками может быть расположена за пределами зоны перекрытия индивидуальных импульсных потоков.The indicated technical solutions allow solving the issue of uniformity of coatings
Figure 00000027
when plasma flows onto a small-sized substrate from one output end of the plasma duct (mixing chamber). In practice, it is possible to discharge onto a large-sized substrate (> Ф 200 several spatially separated plasma flows from a number of output ends of the plasma ducts (mixing chambers)). In this case, the uniformity of the coating is determined by two more factors: the distance L П∥ between the output ends of the devices and the substrate and the instability of plasma generation in each of the generators. The first reason is limited by the time τ P of radial relaxation of the plasma density. The optimal value of the distance L П∥ is the value determined from the inequality L П∥ ≥ V PL∥ • τ P , where V PL∥ is the longitudinal velocity of the plasma flow. However, this condition is not sufficient, since the uniformity of the coating over a larger area may be violated due to the instability of the excitation of vacuum arcs in plasma generators. In this case, the unevenness
Figure 00000028
coatings and instability
Figure 00000029
the process of excitation of arc discharges in the generators G1, G2 ... G18 (see Fig. 19) are related by the relation
Figure 00000030
, and
Figure 00000031
depends on the number N of generators in the device, i.e.
Figure 00000032
. Therefore, the larger the number of N generators in the device, the greater the uniformity of the coating over the thickness. The designs of the devices for producing coatings make it possible to form a longitudinal total plasma flow from several individual plasma flows. However, another variant is possible of forming from several radial individual plasma flows for deposition of coatings on substrates in the form of a body of revolution or on substrates of another shape located on the carousel. In this case, to obtain a uniform coating thickness and compliance with the chemical composition, certain requirements must be observed. A cylindrical substrate or a carousel with substrates may be located outside the overlapping zone of the individual impulse flows.

В этом случае однородность толщины будет нарушаться на границе пространственного совмещения двух (трех) потоков в области их слоев Ленгмюра. Условие однородности покрытия в этой области (совмещения слоев Ленгмюра) - расположение подложки на расстоянии от границы плазмы равном lленгм(Lк,r≥lленгм). В данном случае происходит суммирование слоев Ленгмюра, в результате чего их суммарный профиль концентрации равен его значению в объеме плазмы. "Запыление" вертикальных стенок профилированных поверхностей, которое обусловлено наличием у ионной компоненты плазмы поперечной составляющей скорости ионов V⊥П . Отношение толщин пленок на вертикальной стенке и на поверхности подложки можно оценить из выражения

Figure 00000033

где V∥П, V⊥П - продольная и поперечная составляющая скорости иона соответственно; j, j - плотность потока ионов в продольном и поперечном направлении соответственно; n - концентрация ионов в плазме.In this case, the uniformity of the thickness will be violated at the boundary of the spatial alignment of two (three) flows in the region of their Langmuir layers. The condition for coating uniformity in this region (combining Langmuir layers) is the location of the substrate at a distance from the plasma boundary equal to l Langm (L k, r ≥l Langm ). In this case, the Langmuir layers are summed up, as a result of which their total concentration profile is equal to its value in the plasma volume. "Dusting" of the vertical walls of profiled surfaces, which is due to the presence of the transverse component of the ion velocity V ⊥ П in the plasma ion component. The ratio of film thicknesses on the vertical wall and on the surface of the substrate can be estimated from the expression
Figure 00000033

where V ∥P , V ⊥P - the longitudinal and transverse components of the ion velocity, respectively; j , j - ion flux density in the longitudinal and transverse directions, respectively; n is the concentration of ions in the plasma.

Для устранения "подпыления" вертикальных стенок профиля необходимо отсепарировать перед конденсацией из плазмы ионы, для которых

Figure 00000034
, и оставить в потоке ионы, для которых
Figure 00000035
. При этом величина расстояния от начала зоны сепарации до поверхности конденсации (подложки) должна быть меньше величины V∥П•τii, равной длине свободного пробега ионов в потоке плазмы, где
Figure 00000036
, τii - время между ион-ионными столкновениями в плазме; τei - время между электрон-ионными столкновениями; me, mi - масса электрона и иона соответственно; Тe, Тi - температура электронов и ионов соответственно. За время пролета τc плазмой сепарации длиной hc ионы с компонентой V⊥П должны быть отсепарированы, поэтому внутренний объем зоны сепарации должен быть разделен продольными каналами с поперечным размером канала, равным V•δc, где V - поперечная скорость иона после сепарации (V<< V⊥П). Это условие является только необходимым, но не достаточным. Достаточным условием является отсутствие положительного потенциала на стенках каналов. Для устранения ухода от стенки ионов с компонентами скоростей
Figure 00000037
необходимо, чтобы подвижности электронов и ионов в поперечном направлении были приблизительно одинаковы. Поэтому на зону сепарации и конденсации накладывают продольное магнитное поле, что необходимо для повышения производительности и однородности
Figure 00000038
толщины покрытий с другой стороны, причем его величину определяют из неравенства ri> V•τc>> re, где V•τc= b - поперечный размер канала; re, ri - ларморовский радиус электрона, иона соответственно; V⊥П - поперечная скорость иона до сепарации;
Figure 00000039
- время пролета плазмой зоны сепарации.To eliminate the “dusting” of the vertical walls of the profile, it is necessary to separate ions, for which
Figure 00000034
, and leave ions for which
Figure 00000035
. In this case, the distance from the beginning of the separation zone to the condensation surface (substrate) should be less than V ∥ П • τ ii , equal to the mean free path of ions in the plasma stream, where
Figure 00000036
, τ ii is the time between ion-ion collisions in the plasma; τ ei is the time between electron-ion collisions; m e , m i are the mass of the electron and ion, respectively; T e , T i - temperature of electrons and ions, respectively. During the transit time τ with a separation plasma of length h c, ions with a component V ⊥ П should be separated, therefore, the internal volume of the separation zone should be separated by longitudinal channels with a transverse channel size equal to V • δ c , where V is the transverse velocity of the ion after separation (V << V ⊥П ). This condition is only necessary, but not sufficient. A sufficient condition is the absence of a positive potential on the walls of the channels. To eliminate the departure from the wall of ions with velocity components
Figure 00000037
it is necessary that the mobilities of electrons and ions in the transverse direction are approximately the same. Therefore, a longitudinal magnetic field is applied to the separation and condensation zone, which is necessary to increase productivity and uniformity
Figure 00000038
the thickness of the coatings on the other hand, and its value is determined from the inequality r i > V • τ c >> r e , where V • τ c = b is the transverse size of the channel; r e , r i - Larmor radius of the electron, ion, respectively; V ⊥P is the transverse velocity of the ion before separation;
Figure 00000039
- time of flight by the plasma of the separation zone.

В этом случае электроны замагничены в каналах (re<< V•τc) и их поперечная подвижность уменьшается в (ωe•τei)2 раз и становится соизмеримой и даже меньше подвижности ионов (ωe - ларморовская частота вращения электрона, τei - время между электрон-ионными столкновениями).In this case, the electrons are magnetized in the channels (r e << V • τ c ) and their transverse mobility decreases (ω e • τ ei ) 2 times and becomes comparable and even less than the mobility of the ions (ω e is the Larmor frequency of electron rotation, τ ei is the time between electron-ion collisions).

Величина магнитного поля такова, что ионы не замагничены в каналах (ri> V•τc) и их составляющая скорости V не изменяется. В данном случае на стенки каналов уходит только та часть ионов, которая за время τc при величине скорости от V⊥П до V проходит расстояние между стенками каналов; b = V•τc и остается в плазме та часть ионов, которая за время τc не успевает пройти расстояние b. Таким образом из зоны сепарации выходят ионы под максимальным углом к оси, равным α ~b/hc радиан. Кроме того, важное значение играет и топология магнитного поля. Во-вторых, требуется параллельность силовых линий магнитного поля стенками каналов и, во-вторых, требуется перпендикулярность силовых линий поверхности конденсации. Введение в зону сепарации продольных каналов обусловливает неоднородность плазмы в области проекции стенок каналов на поверхности конденсации.The magnitude of the magnetic field is such that the ions are not magnetized in the channels (r i > V • τ c ) and their velocity component V does not change. In this case, only that part of the ions leaves for the channel walls, which during the time τ c, at a speed from V ⊥П to V ⊥, travels the distance between the channel walls; b = V • τ c and that part of the ions that does not have time to travel the distance b during the time τ c remains in the plasma. Thus, ions leave the separation zone at a maximum angle to the axis equal to α ~ b / h c radians. In addition, the topology of the magnetic field also plays an important role. Secondly, the parallelism of the lines of force of the magnetic field by the walls of the channels is required, and secondly, the perpendicularity of the lines of force of the condensation surface is required. The introduction of longitudinal channels into the separation zone determines the inhomogeneity of the plasma in the region of the projection of the channel walls on the condensation surface.

Для устранения неоднородности плазмы поверхность конденсации устанавливают на расстоянии от зоны сепарации, равном

Figure 00000040
. В данном случае, указанная область заполняется плазмой за счет того, что поперечная компонента скорости иона после сепарации имеет конечную величину V≠ 0, но V<< V∥П. Для практической реализации способа необходимы минимальные потери плазмы (ионной компоненты) в анодной области дугового разряда и в зоне транспортирования при гарантированном отсутствии загрязнения потока плазмы химическими примесями, наличие минимальных (оптимальных) энергозатрат и заданного уровня неоднородности толщины покрытий. На всех этапах получения потока плазмы потери плазмообразующего вещества определяются рядом факторов: топологией магнитного поля
Figure 00000041
, его величиной
Figure 00000042
а также величинами потенциала в анодной области (ΔUа) и в области транспортирования (Uсм.т), а также параметрами профиля поверхности, ограничивающей область транспортирования.To eliminate the inhomogeneity of the plasma, the condensation surface is installed at a distance from the separation zone equal to
Figure 00000040
. In this case, said region is filled with the plasma due to the fact that the transverse component of the velocity of the ion after separation has a finite value V ≠ 0, but V << V ∥P. For the practical implementation of the method, minimal losses of plasma (ion component) in the anode region of the arc discharge and in the transportation zone are required, with guaranteed absence of contamination of the plasma stream with chemical impurities, the presence of minimal (optimal) energy consumption and a given level of coating thickness inhomogeneity. At all stages of obtaining a plasma flow, the losses of the plasma-forming substance are determined by a number of factors: the topology of the magnetic field
Figure 00000041
its size
Figure 00000042
as well as the values of the potential in the anode region (ΔU a ) and in the transportation region (U cm ), as well as the parameters of the surface profile, limiting the transportation region.

Энергозатраты на этапе лазерного поджига определяются кроме оптических постоянных рабочего вещества (материала расходуемого катода) дополнительно рядом факторов: временем поджига (τл) , ориентацией плоскости поляризации лазерного излучения относительно плоскости падения, а также направлением вектора нормали к торцевой рабочей поверхности

Figure 00000043
в области фокусировки (оптической оси) относительно поверхности анода (Sа) и положением заслонки в момент прохождения лазерного излучения через диафрагму. Возможны два варианта ориентации плоскости поляризации относительно плоскости падения: взаимно перпендикулярны или параллельны. Наиболее оптимален второй вариант, так как большая часть излучения поглощается рабочим веществом. Аналогично возможны два варианта ориентации нормали
Figure 00000044
к торцевой рабочей поверхности в области фокусировки (оптической оси): нормаль
Figure 00000045
не пересекается с поверхностью анода, т.е. направлена к выходному торцу анода, и нормаль
Figure 00000046
пересекает поверхность анода. В первом варианте поток лазерной плазмы расширяется в направлении нормали к торцевой рабочей поверхности и истекает, рекомбинируя к выходному торцу анода за пределы генератора без возбуждения пробоя в электродном промежутке. Ситуация обратная, если нормаль
Figure 00000047
пересекает поверхность анода Sа, поэтому область диаграммы направленности лазерной плазмы является зоной формирования пробоя межэлектродного промежутка с минимальными потерями плазмы и энергозатратами. Однако подобная оптимизация поджига зависит от наличия магнитного поля и его топологии на этом этапе, так как требования к магнитному полю на этапах поджига и генерирования не согласуются. На этапе поджига необходимо, чтобы магнитный поток, пронизывающий торцевую рабочую поверхность в области оптической оси полностью замыкался на анод, а на этапе генерирования - частично. Следовательно, наиболее оптимальным вариантом является отсутствие при поджиге стороннего магнитного поля.In addition to the optical constants of the working substance (consumable cathode material), the energy consumption at the laser ignition stage is additionally determined by a number of factors: the ignition time (τ l ), the orientation of the plane of polarization of the laser radiation relative to the plane of incidence, and the direction of the normal vector to the end working surface
Figure 00000043
in the focusing region (optical axis) relative to the surface of the anode (S a ) and the position of the shutter at the moment of laser radiation passing through the diaphragm. There are two possible orientations of the plane of polarization relative to the plane of incidence: mutually perpendicular or parallel. The second option is most optimal, since most of the radiation is absorbed by the working substance. Similarly, two normal orientation options are possible.
Figure 00000044
to the end working surface in the focus area (optical axis): normal
Figure 00000045
does not intersect with the surface of the anode, i.e. directed to the output end of the anode, and the normal
Figure 00000046
crosses the surface of the anode. In the first embodiment, the laser plasma flow expands in the direction normal to the end working surface and expires by recombining to the output end of the anode outside the generator without causing breakdown in the electrode gap. The situation is reversed if normal
Figure 00000047
intersects the surface of the anode S a , therefore, the area of the laser plasma radiation pattern is the zone of formation of the breakdown of the interelectrode gap with minimal plasma loss and energy consumption. However, such optimization of the ignition depends on the presence of the magnetic field and its topology at this stage, since the requirements for the magnetic field at the stages of ignition and generation are not consistent. At the ignition stage, it is necessary that the magnetic flux penetrating the end working surface in the region of the optical axis is completely closed to the anode, and partially at the generation stage. Therefore, the most optimal option is the absence of an external magnetic field during ignition.

Снижение потерь плазмообразующего вещества на этапе генерирования сводится к оптимизации величины скачка анодного потенциала ΔUа дугового разряда в магнитном поле на таком уровне, при котором потери плазмы (ионной компоненты) минимальны. Последнее требование оптимизирует и энергозатраты на этапе генерирования и уровень химических примесей за счет ограничения длительности разряда, исходя из условия: τГ< τТ.АН. где τГ - длительность разряда, τТ.АН - время формирования тепловой анодной неустойчивости, а также снижения роли регенерации прозрачности окна ввода лазерного излучения, поэтому отрицательное и нулевое значение ΔUa(ΔUa ≤ 0) однозначно неприемлемо в способе, так как уровень потерь плазмы в анодной области максимален. Наложение продольного магнитного поля эквидистантно поверхности анода кардинально изменяет характер токопереноса в анодной области разряда. В зависимости от величины магнитного поля, а также величин межэлектродного расстояния и тока разряда можно выделить два предельных варианта, обусловленных тем, что в генераторе плазмы твердых веществ в области торцевой рабочей поверхности существует область расширения, в которой концентрация рабочего вещества изменяется от величины концентрации твердого тела n = 1023 см-3 до концентрации n~ 5•1011 см-3 в области выходного торца анода. В области расширения можно выделить две зоны: первая, для которой ωeτei< 1 протяженностью от торцевой рабочей поверхности до поверхности, где выполняется условие ωeτei= 1, и вторая, для которой выполняется условие ωeτei> 1 протяженностью от плоскости, где ωeτei= 1 до выходного торца анода. Токоприемная поверхность анода может быть расположена пространственно в первой или во второй зоне. В первой зоне магнитное поле не оказывает существенного влияния на плазму, и характер ее токопереноса в основном определяется хаотическим движением. Поэтому в данном режиме отсутствует возможность целенаправленного регулирования как знака, так и величины скачка потенциала, т.е. ситуация аналогична отсутствию магнитного поля. Во втором случае, когда токоприемная поверхность анода расположена за пределами поверхности, где ωeτei= 1 ситуация изменяется. Величина (+ ΔUа) обеспечивает эффективный потенциальный барьер для возвращения (отражения) ионной компоненты в плазму, но ее значение должно быть оптимальным и может быть оценено по двум критериям: по производительности и энергозатратам ΔUa•e≃(2-3)кTi , где Тi - ионная температура и энергия образования радиационных дефектов Wдеф. в подложке ΔUа<Wдеф. Кроме того, избыточная величина ΔUа резко снижает величину τТ.АН. Для уменьшения величины ΔUа до оптимального значения необходимо изменять величину тока I0 в диапазоне между ее крайними значениями: наименьшим - IФа=0 и наибольшим - Iн=0, что возможно осуществить целенаправленным изменением топологии магнитного поля замыканием части силовых линий магнитного поля соленоида на анодную область (анод). В этом случае число дополнительно ушедших на анод электронов (Δne) и обусловливающих рост тока до величины, пропорциональной величине магнитного потока ФА, замкнутого на анодную область Δne=Const.ФА. Таким образом, условие ωeτei= 1 (величина магнитного поля) задает минимальные радиальные размеры анода, а условия оптимизации величины ΔUа по соотношению магнитных потоков (ФК, ФА, ФТ) определяет продольные размеры анода, что в совокупности оптимизирует габаритные размеры анода по максимальной производительности, минимальным энергозатратам и привнесенным химическим примесям путем ограничения длительности разряда на этапе генерирования и снижением роли регенерации прозрачности окна ввода лазерного излучения на этапе поджига при ΔUа >0. Оптимизацию величины ФА можно осуществить двумя путями: путем изменения зазора lАП между соленоидом анода и винтовым соленоидом. Для уменьшения потерь плазмы на этапе транспортирования необходимо, чтобы силовые линии магнитного поля, пронизывающие область генерирования и не замкнутые на анодную область, были направлены в область транспортирования эквидистантно поверхности (т.е. без замыкания на боковую поверхность), ограничивающей эту область. Поэтому остальную часть продольного потока

Figure 00000048
магнитного поля распределяют между областью транспортирования
Figure 00000049
(смешения
Figure 00000050
) в слое lленгм и областью конденсации Фконд согласно выражению
Figure 00000051

за счет замыкания магнитных силовых линий на корпус плазмовода в слое lленгм и регулирования его величины, путем изменения диаметра диафрагмы (Dт.см.- lленгм) в области торцов корпусов плазмоводов и камеры смешения. Оптимальному распределению силовых линий магнитного поля на выходном торце плазмовода (камеры смешения) способствует расположение соленоида с тыльной стороны подложки. Последнее кроме повышения производительности и снижения энергозатрат за счет оптимизации величин R и RКСП обеспечивает необходимые условия роста однородности покрытий путем повышения однородности
Figure 00000052
магнитного поля в области конденсации. Производительность устройства (кроме топологий магнитного поля
Figure 00000053
его величины
Figure 00000054
а также величин ΔUа, Uсм.т) лимитирует еще ряд конструктивных факторов: соотношение tп профиля на внутренней поверхности и величину слоя Ленгмюра (lленгм.), а также соотношение параметров емкостного накопителя С основных электродов и емкости Сп цепи смещения. Возможны два предельных режима течения потока плазмы вдоль профилированной поверхности корпуса, находящегося под потенциалом смещения (+Uсм.т). Первый режим наблюдается, если шаг профиля tп больше, чем величина слоя Ленгмюра в плазме: tп>lленгм (фиг. 7). Второй режим наблюдается, если tп < lленгм (фиг. 8). При условии, когда ri>Dт, ионы могут взаимодействовать с непрофилированным электрическим полем потенциала смещения +Uсм. (2-й режим) и только с профилированным электрическим полем потенциала смещения (1-й режим). Длина свободного пробега ионов λii относительно ион-ионных столкновений больше, чем шаг профиля (λii> tп). Следовательно, при взаимодействии иона с электрическим полем профилированной поверхности соблюдаются законы геометрической оптики. Так как λii> DТ даже при двух и трех последовательных столкновений с барьером Uсм.т, так как λii> DТ.Reducing the losses of the plasma-forming substance at the generation stage reduces to optimizing the value of the jump in the anode potential ΔU and the arc discharge in a magnetic field at a level at which the losses of the plasma (ion component) are minimal. The last requirement optimizes both energy consumption at the generation stage and the level of chemical impurities by limiting the duration of the discharge, based on the condition: τ GT.AN. where τ G is the discharge duration, τ T.AN is the formation time of the thermal anode instability, as well as the decrease in the role of regeneration of the transparency of the laser input window, therefore a negative and zero value ΔU a (ΔU a ≤ 0) is clearly unacceptable in the method, since the level plasma loss in the anode region is maximum. The application of a longitudinal magnetic field equidistant to the surface of the anode radically changes the nature of the current transfer in the anode region of the discharge. Depending on the magnitude of the magnetic field, as well as the magnitude of the interelectrode distance and the discharge current, two limiting options can be distinguished, due to the fact that in the solid-state plasma generator in the region of the end working surface there is an expansion region in which the concentration of the working substance varies from the concentration of the solid n = 10 23 cm -3 to a concentration of n ~ 5 • 10 11 cm -3 in the region of the output end of the anode. Two zones can be distinguished in the expansion area: the first for which ω e τ ei <1 with the length from the end working surface to the surface where the condition ω e τ ei = 1 is satisfied, and the second for which the condition ω e τ ei > 1 with the length from the plane where ω e τ ei = 1 to the output end of the anode. The current-receiving surface of the anode can be spatially located in the first or second zone. In the first zone, the magnetic field does not significantly affect the plasma, and the nature of its current transport is mainly determined by chaotic motion. Therefore, in this mode, there is no possibility of targeted regulation of both the sign and the value of the potential jump, i.e. the situation is similar to the absence of a magnetic field. In the second case, when the current-receiving surface of the anode is located outside the surface, where ω e τ ei = 1, the situation changes. The value (+ ΔU a ) provides an effective potential barrier for the return (reflection) of the ion component to the plasma, but its value should be optimal and can be estimated by two criteria: by productivity and energy consumption ΔU a • e≃ (2-3) кT i where T i is the ion temperature and the energy of formation of radiation defects W def. in the substrate ΔU a <W def. In addition, the excess value ΔU a sharply reduces the value of T. T. AN To reduce the value of ΔU a to the optimal value, it is necessary to change the current value I 0 in the range between its extreme values: the smallest - I Фа = 0 and the largest - I н = 0 , which can be realized by purposeful change in the topology of the magnetic field by closing part of the magnetic field lines of the magnetic field of the solenoid to the anode region (anode). In this case, the number of additional electrons on the anode gone (Δn e) and causing the current to rise to a value proportional to the magnitude of the magnetic flux F A, closed at the anode region Δn e = Const.F A. Thus, the condition ω e τ ei = 1 (the magnetic field) defines a minimum radial dimensions of the anode and the conditions for optimizing the values of ΔU and the ratio of magnetic fluxes (F K, F A, F T) determines the longitudinal dimensions of the anode, which collectively optimize overall dimensions of the anode for maximum productivity, minimum energy consumption and introduced chemical impurities by limiting the duration of the discharge at the generation stage and reducing the role of regeneration of the transparency of the laser input window at the ignition stage at ΔU a > 0. The optimization of the value of Ф А can be carried out in two ways: by changing the gap l АП between the anode solenoid and the screw solenoid. To reduce plasma losses at the transportation stage, it is necessary that the magnetic field lines penetrating the generation region and not closed to the anode region are directed to the transportation region equidistant to the surface (i.e., without shorting to the side surface) that bounds this region. Therefore the rest of the longitudinal flow
Figure 00000048
the magnetic field is distributed between the transport area
Figure 00000049
(mixing
Figure 00000050
) in the layer l langm and the condensation region f cond according to the expression
Figure 00000051

due to the closure of magnetic field lines to the plasma duct body in the l langm layer and adjusting its value by changing the diameter of the diaphragm (D t.sm. - l langm ) in the region of the ends of the plasma duct housings and the mixing chamber. The optimal distribution of magnetic field lines at the output end of the plasma duct (mixing chamber) is facilitated by the location of the solenoid on the back of the substrate. The latter, in addition to increasing productivity and reducing energy consumption by optimizing the values of R FP and R KSP, provides the necessary conditions for the growth of coating uniformity by increasing uniformity
Figure 00000052
magnetic field in the field of condensation. Device performance (except for magnetic field topologies
Figure 00000053
its magnitude
Figure 00000054
as well as values ΔU, U sm.t) limits a number of design factors: the ratio of t n profile on the inner surface layer and the amount of Langmuir (l lengm), and the ratio of the capacitive storage parameters From the main electrodes and the capacitance C n bias circuit.. Two limiting regimes of the plasma flow along the profiled surface of the body under the bias potential (+ U cm t ) are possible . The first mode is observed if the profile step t p is greater than the magnitude of the Langmuir layer in the plasma: t p > l Langm (Fig. 7). The second mode is observed if t p <l Langm (Fig. 8). Provided that r i > D t , the ions can interact with the unshaped electric field of the bias potential + U see (2nd mode) and only with the profiled electric field of the bias potential (1st mode). The mean free path of ions λ ii with respect to ion-ion collisions is greater than the profile step (λ ii > t p ). Consequently, the laws of geometric optics are observed when the ion interacts with the electric field of the profiled surface. Since λ ii > D T even in two and three successive collisions with a barrier U see t , since λ ii > D T.

Параметры профиля (высота hп, шаг tп, угол при вершине αП ) выбираются такими, чтобы обеспечить запирание капельной фазы при столкновении последней с резьбовым профилем. Таким образом, в первом режиме течения плазмы профилированное электрическое поле будет изменять направление импульса иона "запирать" его на резьбовом профиле и, следовательно, снижать производительность, т.к. ионы после взаимодействия с профилем будут отражаться в направлении к торцевой рабочей поверхности катода. Во втором режиме (tп<lленгм) электрическое поле является непрофилированным на расстоянии lE от профиля поверхности, равном lЕ≃ 3tП (фиг. 7). Таким образом, для того чтобы ионы плазмы не "чувствовали" профиля электрического поля, необходимо, чтобы на расстоянии от профилированной поверхности lЕ≃ 3tП потенциал электрического поля смещения был равен Uсм(при lе=3tп) = Тi. В данном случае ионы взаимодействуют с непрофилированным электрическим полем смещения при отсутствии запирания ионной компоненты, что обусловливает рост производительности устройства при наличии запирания капельной фазы на резьбовом профиле корпуса. Однако оптимальные соотношения между шагом tп профиля и величиной слоя lленгм не являются достаточными условиями повышения производительности генератора плазмы. Последнее обусловлено тем, что "замагниченная" электронная компонента (re<< Dт, ωeτei> 1) в процессе течения плазмы уходит на корпус плазмовода, частично разряжая емкость Сп цепи смещения и снижая также величину оптимального потенциала смещения. Уменьшение Uсм.т вызывает, во-первых, расположение эквипотенциали

Figure 00000055
на расстоянии, меньшем чем 3tп области профилированного потенциала (фиг. 2, 3), и, во-вторых, уход ионов на стенку, т.к. уменьшается величина потенциального барьера, отражающего ионы.Profile parameters (height h p , step t p , angle at the apex α P ) are chosen so as to ensure the locking of the droplet phase when the latter collides with the threaded profile. Thus, in the first plasma flow regime, the profiled electric field will change the direction of the ion pulse to “lock” it on the threaded profile and, therefore, reduce productivity, since ions after interaction with the profile will be reflected towards the end working surface of the cathode. In the second mode (t p <l Langm ), the electric field is unshaped at a distance l E from the surface profile equal to l E ≃ 3t P (Fig. 7). Thus, in order to prevent plasma ions from “feeling” the electric field profile, it is necessary that, at a distance from the profiled surface, l Е ≃ 3t П, the potential of the electric displacement field is equal to U cm (at lе = 3tп) = Т i . In this case, the ions interact with a non-profiled electric displacement field in the absence of locking of the ion component, which leads to an increase in the productivity of the device in the presence of locking of the droplet phase on the threaded profile of the body. However, the optimal ratio between the step t p of the profile and the size of the layer l Langm are not sufficient conditions for increasing the productivity of the plasma generator. The latter is due to the fact that the “magnetized” electronic component (r e << D t , ω e τ ei > 1) goes into the plasma duct body during the plasma flow, partially discharging the capacitance C n of the bias circuit and also decreasing the value of the optimal bias potential. A decrease in U cm t causes, firstly, the location of the equipotential
Figure 00000055
at a distance less than 3t p of the region of the profiled potential (Fig. 2, 3), and, secondly, the departure of ions to the wall, because the potential barrier reflecting ions decreases.

Таким образом, величина потенциала Uсм.т за время транспортирования плазмы должна находиться в области оптимального значения, т.е. должна быть практически постоянной. Последнее наблюдается, если

Figure 00000056
, где RКП-сопротивление участка корпус - плазма, Oм; Lг- индуктивность цепи разряда, Гн. В противном случае, если
Figure 00000057
, емкость Cп успевает разрядиться за время транспортирования до неоптимальной величины смещения (Uсм.опт≃ +20B). Неравенство
Figure 00000058
кроме емкости Сп определяется еще величиной Rкп, которая должна иметь максимально возможное значение. Последнее оптимизируется распределением магнитного поля ФТ(см) между областью транспортирования
Figure 00000059
(смешения
Figure 00000060
) в слое Ленгмюра и областью конденсации Фконд.
Данный способ иллюстрируется следующими примерами.Thus, the potential value U cm during the plasma transportation time should be in the region of the optimal value, i.e. should be almost constant. The latter is observed if
Figure 00000056
where R KP is the resistance of the body section - plasma, Ohm; L g - inductance of the discharge circuit, GN. Otherwise, if
Figure 00000057
, the capacitance C p manages to be discharged during transportation to a non-optimal amount of displacement (U see opt ≃ + 20B). Inequality
Figure 00000058
in addition to the capacitance C p is also determined by the value of R Kp , which should have the highest possible value. The latter is optimized by the distribution of the magnetic field Ф Т (cm) between the transport region
Figure 00000059
(mixing
Figure 00000060
) in the Langmuir layer and the condensation region F cond.
This method is illustrated by the following examples.

ПРИМЕР N 1. Осуществлялось нанесение покрытия Y1Ba2Cu3O7-x в вакууме на сверхвысоковакуумной установке импульсно-плазменного нанесения покрытий. Откачка технологической камеры и трехканального устройства осуществлялась криогенным насосом до давления 10-7 Па. Затем осуществлялось возбуждение трех пространственно локализованных вакуумных дуг путем пробоя межэлектродных промежутков в трех генераторах плазмы с расходуемыми катодами из Y, Ba, Cu. Возбуждение вакуумной дуги осуществлялось расфокусированным лазерным излучением длительностью τл= 10 нс при выполнении условия τл<< τг, при этом образовавшийся поток лазерной плазмы направляли в анодную область разряда, затем перекрывали зону фокуса лазерного измерения путем формирования в анодной области разряда скачка потенциала (ΔUа) или рычагом-заслонкой. При этом возбуждение вакуумных дуг в парах бария и меди осуществлялось синхронно, а возбуждение вакуумной дуги в парах иттрия - асинхронно исходя из порядка расположения подрешеток формируемой кристаллической элементарной ячейки слоистого вещества покрытия Y1Ba2Cu3O7-x. Число подобных циклов (m) последовательности возбуждения вакуумных определялось из равенства dя•m≤l, где dя - размер элементарной ячейки в направлении роста покрытия, l - толщина покрытия. Затем осуществлялось генерирование потоков плазмы Y, Ba и Cu, при этом химический состав многокомпонентного покрытия твердофазных компонент Y1Ba2Cu3O7-x задавался из условия

Figure 00000061

где
Figure 00000062
- концентрации химических элементов Y, Ba, Cu в многокомпонентном покрытии; KY, KBa, KCu - коэффициенты эрозии плазмообразующих веществ Y, Ba, Cu, [г/Кл]; tY, tBa, tCu - коэффициенты транспортирования потоков плазмы Y, Ba, Cu;
Figure 00000063
и UY, UBa, UCu - величины емкостей (Ф) и напряжения накопителей (В) соответственно. Концентрация O7-x кислорода газообразной компоненты задавалась импульсным напуском реактивного газа. При этом генерируемая последовательность импульсов плазмы твердофазных элементов Y, Ba, Cu задавалась исходя из порядка чередования подрешеток формируемой кристаллической структуры (1, 2, 3) элементарной ячейки сверхпроводника (см. фиг. 23, 24). А число импульсов плазмы каждой подрешетки nY, nBa, nCu определялось из равенства
Figure 00000064

где ρY(Ba)(Cu) - плотность материала мишени (Y, Ba, Cu соответственно) кг/м3; S - площадь поперечного сечения зоны смешения, м2; dY,(Ba)(Cu) - размер соответствующей подрешетки в направлении роста, м; KY(Ba)(Cu) - коэффициент эрозии в вакуумной дуге вещества подрешетки (Y, Ba, Cu) соответственно, г/К;
Figure 00000065
- величина емкости накопителя вакуумной дуги Y, Ba, Cu; UY,(Ba)(Cu) - величина изменения напряжения накопителя вакуумной дуги на Y, Ba, Cu соответственно. При этом напуск (газообразного элемента) кислорода осуществлялся импульсно исходя из его положения в кристаллической структуре и вводился в область генерирования потоков плазмы твердофазных веществ Ba, Cu путем регулирования величины напряжения
Figure 00000066
- на импульсном натекателе. Причем генерирование плазмы Y, Ba и Cu осуществлялось за времена τг, определяемые из условия τГ< τТАН.Г, где τТАН.Г - время развития тепловых анодных неустойчивостей на этапе генерирования. Напуск газообразной компоненты O2 осуществлялся в течение времени, равного τГ. Затем осуществлялось транспортирование потоков Y, Ba, Cu, содержащих ионную, нейтральную и капельную фазу вдоль профилированной поверхности к области смешения. Транспортирование реализовывалось в радиальном электрическом поле Ет потенциала смещения Uсм.т = 20 В и скрещенном с ним продольном магнитном поле Нт криволинейной плазмооптической системы при выполнении условий плазмооптики: ri>Dт, re<<Dт, ωe•τei> 1, где re, ri - ларморовские радиусы ионов Y, Ba, Cu и электрона соответственно, Dт - поперечный размер зоны транспортирования, ωeτei - параметр Холла электронов, ωe - циклотронная частота электронов, τei - время электрон-ионных столкновений. Плазмооптическая система была выполнена в виде трехзаходных винтовых цилиндров диаметром Dт. Профиль внутренней поверхности корпуса плазмоводов был выполнен треугольным, причем высота профиля hп = 2 мм и его шаг tп = 1,5 мм выбраны из неравенств; hп > dк, lленгм>tп>dк, а угол αП при вершине треугольного профиля был выбран равным αП= 45°. Сепарация ионной компоненты потоков плазмы Y, Ba и Cu от капельной фазы в винтовых плазмоводах зоны транспортирования осуществлялась в области слоя Ленгмюра (lленгм) потенциала смещения (Uсм.т) путем многократных
столкновений капельной фазы с профилированной поверхностью при выполнении условия P•Nк<1 в каждом плазмоводе, где Р - вероятность пролета капли в области транспортирования (Р = 10-4), Nк - число капель, генерируемых за импульс в вакуумных дугах на Y, Ba, Cu.EXAMPLE N 1. The coating was carried out Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x in vacuum on an ultrahigh-vacuum installation of pulse-plasma coating. The process chamber and the three-channel device were pumped out by a cryogenic pump to a pressure of 10 -7 Pa. Then, three spatially localized vacuum arcs were excited by breaking the interelectrode gaps in three plasma generators with consumable cathodes from Y, Ba, and Cu. The vacuum arc was excited by defocused laser radiation with a duration of τ l = 10 ns under the condition τ l << τ g , and the resulting laser plasma flow was directed to the anode region of the discharge, then the focus area of the laser measurement was blocked by forming a potential jump in the anode region of the discharge ( ΔU a ) or with a butterfly valve. In this case, the excitation of vacuum arcs in barium and copper vapors was carried out synchronously, and the excitation of a vacuum arc in yttrium vapors was carried out asynchronously based on the arrangement of the sublattices of the formed crystalline unit cell of the layered substance of the coating Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x . The number of such cycles (m) of vacuum excitation sequences was determined from the equality d i • m≤l, where d i is the unit cell size in the direction of coating growth, l is the coating thickness. Then, plasma flows of Y, Ba, and Cu were generated, and the chemical composition of the multicomponent coating of the solid-phase components of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x was set from the condition
Figure 00000061

Where
Figure 00000062
- concentration of chemical elements Y, Ba, Cu in a multicomponent coating; K Y , K Ba , K Cu - erosion coefficients of plasma-forming substances Y, Ba, Cu, [g / C]; t Y , t Ba , t Cu - transport coefficients of plasma flows Y, Ba, Cu;
Figure 00000063
and U Y , U Ba , U Cu are the capacitance values (Ф) and storage voltage (V), respectively. The concentration of O 7-x oxygen of the gaseous component was set by pulsed inlet of the reactive gas. In this case, the generated pulse sequence of the plasma of the solid-phase elements Y, Ba, Cu was set based on the alternation order of the sublattices of the formed crystal structure (1, 2, 3) of the unit cell of the superconductor (see Fig. 23, 24). And the number of plasma pulses of each sublattice n Y , n Ba , n Cu was determined from the equality
Figure 00000064

where ρ Y (Ba) (Cu) is the density of the target material (Y, Ba, Cu, respectively) kg / m 3 ; S is the cross-sectional area of the mixing zone, m 2 ; d Y, (Ba) (Cu) is the size of the corresponding sublattice in the growth direction, m; K Y (Ba) (Cu) - erosion coefficient in the vacuum arc of the sublattice substance (Y, Ba, Cu), respectively, g / K;
Figure 00000065
- the value of the storage capacity of the vacuum arc Y, Ba, Cu; U Y, (Ba) (Cu) is the magnitude of the change in the voltage of the vacuum arc accumulator by Y, Ba, Cu, respectively. In this case, the oxygen (gaseous element) was puffed in based on its position in the crystal structure and was introduced into the region of the generation of plasma flows of solid-phase substances Ba, Cu by adjusting the voltage
Figure 00000066
- on impulse leakage. Moreover, the generation of Y, Ba, and Cu plasma was carried out for times τ g determined from the condition τ GTAN.G , where τ TAN.G is the time of development of thermal anode instabilities at the generation stage. The inlet of the gaseous component O 2 was carried out for a time equal to τ G. Then, Y, Ba, Cu flows containing the ionic, neutral, and droplet phases were transported along the profiled surface to the mixing region. Transportation was carried out in a radial electric field E t of displacement potential U cm t = 20 V and a longitudinal magnetic field N t of a curvilinear plasma-optical system crossed with it under the conditions of plasma optics: r i > D t , r e << D t , ω e • τ ei > 1, where r e , r i are the Larmor radii of Y, Ba, Cu and electron ions, respectively, D t is the transverse size of the transport zone, ω e τ ei is the electron Hall parameter, ω e is the electron cyclotron frequency, τ ei - time of electron-ion collisions. The plasma-optic system was made in the form of three-way screw cylinders with a diameter of D t . The profile of the inner surface of the plasma duct housing was triangular, with the profile height h p = 2 mm and its pitch t p = 1.5 mm selected from inequalities; h p > d k , l Langm > t p > d k , and the angle α P at the apex of the triangular profile was chosen equal to α P = 45 ° . Separation of the ionic component of the plasma flows of Y, Ba, and Cu from the droplet phase in the screw plasma ducts of the transport zone was carried out in the region of the Langmuir layer (l Langm ) of the bias potential (U cm ) by multiple
collisions of the droplet phase with the profiled surface under the condition P • N k <1 in each plasma duct, where P is the probability of droplet passage in the transport region (P = 10 -4 ), N k is the number of droplets generated per pulse in vacuum arcs on Y , Ba, Cu.

При этом транспортирование плазмы Y, Ba, Cu осуществлялось за время τТ , определяемое из условия τТ< τТАН.Т, где τТАН.Т - время развития тепловых анодных неустойчивостей на этапе транспортирования. После сепарации потоков плазмы Y, Ba, Cu от капельной фазы осуществлялось плазмооптическое смешение потоков плазмы Ba, Cu в области скрещенных

Figure 00000067
причем продольное
Figure 00000068
реализовывалось путем совмещения магнитных полей
Figure 00000069
областей транспортирования при выполнении условий ri>Dсм, λii> DСМ, re << Dсм, ωeτei>> 1, где ri, re - ларморовские радиусы ионов и электрона соответственно, Dсм - поперечный размер области смешения, ωeτei - параметр Холла электронов, ωe - циклотронная частота электрона, τei - частота электрон-ионных столкновений. Перемешивание ионов различной химической природы осуществлялось за счет многократного столкновения ионов с потенциальным барьером Uсм при условии λii> DСМ, где λii - длина ион-ионных столкновений (λii= 102СМ) , Dсм = 15 см. Химический состав соединения устанавливался на расстоянии, равном LП∥= V∥СМ•τСМ.ПЛ, где τСМ.ПЛ - время радиальной релаксации химического состава в общем потоке плазмы. При этом смешение плазм Ba и Cu осуществлялось за время τСМ, определяемое из условия τСМ< τТАН.СМ, где τТАН.СМ - время развития тепловых анодных неустойчивостей на этапе смешения. Процесс конденсации осуществлялся в зоне конденсации смешиваемых потоков. При этом подложку устанавливали на расстоянии LП∥= V∥СМ•τСМ, где τСМ - время радиальной релаксации химического состава в общем потоке плазмы. Величина потенциала смещения подложки Uсм.п = 5 Тe выбиралась из условия eUсм.т+eUсм.п<Wдеф., а неоднородность магнитного поля
Figure 00000070
выбиралась из соотношения
Figure 00000071
,
где Δl - разброс толщины покрытия, l - толщина покрытия. Последнее осуществлялось наложением с тыльной стороны подложки магнитного поля (3-х соленоидов диаметром Dсм см и длиной, равной 20 см). При реализации способа получения покрытий осуществлялись измерения параметров покрытий в зависимости от возможных изменений параметров способа. Так, лазерный поджиг в способе не удалось реализовать при τЛ< τГЛ= 10 Н•С, τГ= 500 МК•С) и максимально возможной энергии накачки (50 Дж) лазера ЛТИ - 205, когда нормаль к торцевой рабочей поверхности катодов (Y, Ba, Cu) в зоне фокусировки лазерного излучения не пересекалась с поверхностью анода. Устранение указанного недостатка (ориентации нормали) позволили реализовать поджиг при энергии накачки 20 Дж. Исследовалась возможность применения лазера в режиме свободной генерации (τЛ≃ τГ). В данном случае происходила привязка катодных пятен к области фокусировки лазерного излучения на катоде и оплавление этой зоны, т. е. возникновение большого объема жидкой фазы и, следовательно, возгонка легкоплавких компонент сплавов. Кроме того, резко возросли энергозатраты. Поджиг отсутствовал, если первоначально на зону разряда накладывалось магнитное поле, т. к. последнее изменяет ориентацию оптимальной диаграммы истечения лазерной плазмы. Следовательно, магнитное поле должно накладываться после этапа поджига. Химический состав и энергозатраты в способе зависят от распределения магнитного поля в анодной области разряда. Так, при отсутствии магнитного потока на анодную область ФА=0 (магнитная изоляция анода) результаты измерений показали резкий рост потенциала на электродах: UАК≃ UК+ ΔUА≃ 100 B и образование анодных пятен на поверхности анода, т.е. рост уровня привнесенных химических примесей и рост энергозатрат из-за резкого снижения величины τТАН. Изменение величины ФА осуществлялось регулированием расстояния между соленоидом анода и соленоидом плазмовода lАП. При величине lАП = 5 см потенциал на электродах равен UАК=UК+ΔUА=50 В при отсутствии анодных пятен. Однако микроскопические исследования показали локальные нарушения состава покрытия в области конденсации капельной фазы. Для достижения цели потоки плазмы транспортировались в скрещенных
Figure 00000072
полях винтовых плазмоводов при различных параметрах способа. Так, при реализации условий lленгм<tп, dк<Tп (dк - диаметр макрочастицы, tп - шаг профиля) происходит снижение производительности при наличии капельной фазы. Капельная фаза присутствует и при реализации условий lленгм >tп, dк >tп; аналогичные результаты имеют место и при dк > hп, dк > lленгм, что обусловлено отсутствием совокупности условий запирания капельной фазы на профиле винтового корпуса плазмовода. Поэтому результаты измерений оптического рассеяния и анализ поверхности покрытия под микроскопом показали значительную величину рассеяния, равную 0,3, а также дефектность покрытия. Запирание капельной фазы удалось реализовать на этапе транспортирования потоков плазмы в винтовых плазмоводах при выполнении условий P•Nк<1, dк < tп< lленгм. Последнее подтвердили измерения оптического рассеяния и анализ поверхности покрытия под микроскопом. Так величина рассеяния оказалась равной 0,07%. Однако запирание капельной фазы является необходимым условием реализации способа, но недостаточным. Поэтому осуществлялось определение влияния режима синхронизации на химический состав покрытия. Для этого в первой серии экспериментов покрытие Y1Ba2Cu3O7-x формировалось путем синхронного возбуждения трех пространственно разделенных вакуумных дуг в среде О2 при давлении ~10-1 Па на мишенях из Ba, Cu, Y и последующей сепарации потоков плазмы от капельной фазы их смешения и конденсации. Во второй серии экспериментов, в отличие от первой, задавалась последовательность импульсов плазмы и кислорода, исходя из порядка чередования подрешеток формируемой кристаллической структуры (1, 2, 3) элементарной ячейки сверхпроводника (см. фиг. 23, 24), а число импульсов плазмы каждой подрешетки nA(nB)(nC) определялось из равенства
qY,Ba,Cu = CY,Ba,Cu•UY,Ba,Cu;
Figure 00000073

где ρY,Ba,Cu - плотность наносимого материала в покрытии,
Sт - площадь поперечного сечения области смешения (Y, Ba, Cu) м2, dY,Ba,Cu - толщина подрешетки Y, Ba, Cu в элементарной ячейке, м, qY,Ba,Cu - заряд, протекающий в цепи разряда.In this case, the transport of plasma Y, Ba, Cu was carried out for a time τ T , determined from the condition τ TTAN.T , where τ TAN.T is the development time of thermal anode instabilities at the stage of transportation. After separation of the plasma flows of Y, Ba, Cu from the droplet phase, plasma-optical mixing of the plasma flows of Ba, Cu in the crossed
Figure 00000067
and longitudinal
Figure 00000068
realized by combining magnetic fields
Figure 00000069
transportation regions under the conditions r i > D cm , λ ii > D CM , r e << D cm , ω e τ ei >> 1, where r i , r e are the Larmor radii of ions and electrons, respectively, D cm is transverse the size of the mixing region, ω e τ ei is the Hall parameter of electrons, ω e is the cyclotron frequency of the electron, τ ei is the frequency of electron-ion collisions. The mixing of ions of different chemical nature was carried out due to multiple collisions of ions with a potential barrier of U cm under the condition λ ii > D CM , where λ ii is the length of ion-ion collisions (λ ii = 10 2 CM), D cm = 15 cm. Chemical composition of the compound was established at a distance equal to L П∥ = V ∥СМ • τ SM.PL , where τ SM.PL is the time of radial relaxation of the chemical composition in the total plasma stream. In this case, the mixing of Ba and Cu plasmas was carried out during the time τ SM , determined from the condition τ SMTAN.CM , where τ TAN.CM is the development time of thermal anode instabilities at the mixing stage. The condensation process was carried out in the condensation zone of the mixed flows. In this case, the substrate was installed at a distance L П∥ = V ∥СМ • τ СМ , where τ СМ is the radial relaxation time of the chemical composition in the total plasma flow. The value of the substrate displacement potential U cm.n. = 5 T e was chosen from the condition eU cm.t + eU cmn.n <W def. , and the inhomogeneity of the magnetic field
Figure 00000070
was selected from the relation
Figure 00000071
,
where Δl is the variation in coating thickness, l is the coating thickness. The latter was carried out by applying a magnetic field (3 solenoids with a diameter of D cm cm and a length of 20 cm) from the back side of the substrate. When implementing the method for producing coatings, measurements of the parameters of the coatings were carried out depending on possible changes in the parameters of the method. Thus, the laser ignition in the method could not be realized at τ LGL = 10 N • C, τ G = 500 MK • C) and the maximum possible pump energy (50 J) of the LTI laser - 205, when the normal to the end the working surface of the cathodes (Y, Ba, Cu) in the focus area of the laser radiation did not intersect with the surface of the anode. The elimination of this drawback (normal orientation) made it possible to realize ignition at a pump energy of 20 J. The possibility of using a laser in the free-running mode (τ L ≃ τ G ) was studied. In this case, the cathode spots were attached to the focus area of the laser radiation at the cathode and this zone was melted, i.e., the appearance of a large volume of the liquid phase and, therefore, the sublimation of low-melting alloy components. In addition, energy costs rose sharply. Ignition was absent if initially a magnetic field was superimposed on the discharge zone, since the latter changes the orientation of the optimal laser plasma flow diagram. Therefore, the magnetic field must be superimposed after the ignition step. The chemical composition and energy consumption in the method depend on the distribution of the magnetic field in the anode region of the discharge. So, in the absence of magnetic flux to the anode region Ф А = 0 (magnetic insulation of the anode), the measurement results showed a sharp increase in potential on the electrodes: U AK ≃ U K + ΔU A ≃ 100 B and the formation of anode spots on the surface of the anode, i.e. an increase in the level of introduced chemical impurities and an increase in energy consumption due to a sharp decrease in τ TAN . The change in the value of Ф А was carried out by controlling the distance between the anode solenoid and the plasma duct solenoid l АП . When the value of l AP = 5 cm, the potential at the electrodes is equal to U AK = U K + ΔU A = 50 V in the absence of anode spots. However, microscopic studies showed local violations of the coating composition in the field of condensation of the droplet phase. To achieve the goal, plasma flows were transported in crossed
Figure 00000072
fields of screw plasma ducts for various method parameters. So, when conditions l langm <t p , d k <T p (d k is the diameter of the macroparticle, t p is the profile step) are realized, productivity decreases in the presence of a droplet phase. The droplet phase is also present when conditions l langm > t p , d k > t p ; Similar results also occur when d k > h p , d k > l Langm , which is due to the lack of a set of conditions for locking the droplet phase on the profile of the screw housing of the plasma duct. Therefore, the results of optical scattering measurements and the analysis of the coating surface under a microscope showed a significant scattering value of 0.3, as well as a defective coating. It was possible to realize the locking of the droplet phase at the stage of transporting plasma flows in screw plasma ducts under the conditions P • N k <1, d k <t p <l Langm . The latter was confirmed by measuring optical scattering and analyzing the surface of the coating under a microscope. So the scattering value turned out to be equal to 0.07%. However, locking the droplet phase is a necessary condition for the implementation of the method, but insufficient. Therefore, the influence of the synchronization mode on the chemical composition of the coating was determined. For this, in the first series of experiments, the coating Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x was formed by synchronously exciting three spatially separated vacuum arcs in an O 2 medium at a pressure of ~ 10 -1 Pa on targets from Ba, Cu, Y and subsequent separation of plasma flows from the drop phase of their mixing and condensation. In the second series of experiments, unlike the first, the sequence of plasma and oxygen pulses was set based on the alternation order of the sublattices of the formed crystal structure (1, 2, 3) of the unit cell of the superconductor (see Fig. 23, 24), and the number of plasma pulses of each sublattices n A (n B ) (n C ) was determined from the equality
q Y, Ba, Cu = C Y, Ba, Cu • U Y, Ba, Cu ;
Figure 00000073

where ρ Y, Ba, Cu is the density of the applied material in the coating,
S t is the cross-sectional area of the mixing region (Y, Ba, Cu) m 2 , d Y, Ba, Cu is the thickness of the Y, Ba, Cu sublattice in the unit cell, m, q Y, Ba, Cu is the charge flowing in the circuit discharge.

Расчетные и экспериментальные данные показали, что nY= 1 имп., nBa = 2 имп. , nCu = 9 имп. Основной отличительной особенностью покрытий, полученных во второй серии, является то, что они приобретали сверхпроводящие свойства уже при 450oC в среде кислорода (4 ч) и обладали практически таким же резким переходом TS--->TC. Таким образом, сочетание синхронного и асинхронного возбуждения вакуумных дуг и напуски О2 позволяет потенциально задавать необходимый химический состав соединения.The calculated and experimental data showed that n Y = 1 imp., N Ba = 2 imp. , n Cu = 9 imp. The main distinctive feature of the coatings obtained in the second series is that they acquired superconducting properties even at 450 o C in oxygen (4 h) and had almost the same sharp transition T S ---> T C. Thus, the combination of synchronous and asynchronous excitation of vacuum arcs and O 2 flows allows you to potentially set the required chemical composition of the compound.

Однако задание режима синхронизации по Y, Ba, Cu и O2 является только необходимым условием получения многокомпонентного покрытия. Важен непосредственно сам режим смешения. По критерию соотношения между λii и Dсм, где λii - длина ион-ионных столкновений ((λii = 102СМ) =102 см) Dсм - поперечный размер зоны смешения, возможны два режима: λii< DСМ и λii> DСм. В первом случае смешение затруднено из-за столкновений ионов между собой и происходит за счет большого числа столкновений nст, равного nСТ•λii≃ DСМ. Ситуация обратна, если λii> DСМ . В данном случае взаимные столкновения ионов не лимитируют смешение и осуществляются за счет столкновений ионов с потенциальным барьером Uсм. Однако положение магнитного поля может нарушить условия смешения. Исследовались два варианта, ri<Dсм и ri,>Dсм, где ri - ларморовские радиусы ионов, Dсм - поперечный размер области смешения. При ri < Dсм наблюдается резкое ухудшение условий смешения, т.к. ионная компонента замагничена и собственно смешение ионов различной химической природы обусловлено ион-ионными столкновениями и последующими перескоками ионов на расстояние ri. Кроме того, во-вторых, отсутствует сепарация ионов по энергии и, в-третьих, отсутствует сепарация ионов по поперечным импульсам при снижении производительности способа из-за образования магнитной пробки. Недостатки устраняются, если ri>Dсм, при этом условия по величине магнитного поля совпадают с условиями по величине магнитного поля в зоне транспортирования. Влияние топологии магнитного поля реализуется через производительность и энергозатраты.However, setting the synchronization mode for Y, Ba, Cu, and O 2 is only a necessary condition for obtaining a multicomponent coating. The mixing mode itself is important. According to the criterion of the relationship between λ ii and D cm , where λ ii is the length of ion-ion collisions ((λ ii = 10 2 CM) = 10 2 cm) D cm is the transverse size of the mixing zone, two modes are possible: λ ii <D CM and λ ii > D See In the first case, mixing is difficult due to collisions of ions with each other and occurs due to the large number of collisions n st equal to n ST • λ ii ≃ D CM . The situation is reversed if λ ii > D CM . In this case, the mutual collisions of ions do not limit mixing and are realized due to collisions of ions with a potential barrier of U cm . However, the position of the magnetic field can violate the mixing conditions. Two variants were studied, r i <D cm and r i ,> D cm , where r i are the Larmor radii of ions, D cm is the transverse size of the mixing region. When r i <D cm there is a sharp deterioration in the mixing conditions, because the ionic component is magnetized and the actual mixing of ions of various chemical nature is due to ion-ion collisions and subsequent ion jumps to a distance r i . In addition, secondly, there is no separation of ions by energy and, thirdly, there is no separation of ions by transverse momenta with a decrease in the productivity of the method due to the formation of a magnetic plug. The disadvantages are eliminated if r i > D cm , while the conditions for the magnitude of the magnetic field coincide with the conditions for the magnitude of the magnetic field in the transportation zone. The influence of the topology of the magnetic field is realized through productivity and energy consumption.

В состав сверхпроводника входят исходно твердофазные компоненты Y, Ba, Cu и газообразный компонент О2. Состав по твердофазным компонентам на этапе генерирования задается величинами изменений рабочего напряжения и емкости накопителей вакуумных дуг, а также режимом синхронизации. Газообразная компонента вводилась, как указывалось, импульсно и синхронно согласно ее положению в элементарной ячейке. Исследовались три варианта пространственной инжекции О2: в область конденсации транспортирования и генерирования, при этом величина потока О2 задавалась величиной амплитуды напряжения, подаваемой на импульсный натекатель. Наиболее оптимальным с точки зрения параметров покрытия оказалась инжекция в область генерирования (вакуумных дуг Ba и Cu). Заданный химический состав покрытия через задание величин емкости Сн и напряжения U на емкостях в каждом из каналов возбуждения, генерирования, транспортирования, а также режима синхронизации может быть нарушен за счет анодных процессов на указанных этапах. При заданной величине магнитного потока на анод (ФА), корпус плазмовода

Figure 00000074
, корпус камеры смешения
Figure 00000075
формируется соответственно скачок потенциала на аноде (ΔUа), а также величины потенциалов смещения на корпусах плазмоводов Uсм.т и камеры смешения Uсм, что в свою очередь определяет постоянную времени формирования тепловой анодной неустойчивости при генерировании, транспортировании и смешении. Возможны два варианта:
Figure 00000076
.The composition of the superconductor includes the initial solid-phase components Y, Ba, Cu and the gaseous component O 2 . The composition of solid-phase components at the generation stage is determined by the magnitude of changes in the operating voltage and capacity of the vacuum arc storage devices, as well as by the synchronization mode. The gaseous component was introduced, as indicated, pulsed and synchronously according to its position in the unit cell. Three variants of spatial injection of O 2 were investigated: into the transport and generation condensation region, while the O 2 flux was set by the magnitude of the voltage amplitude applied to the pulse leakage. The most optimal from the point of view of coating parameters was injection into the generation region (vacuum arcs of Ba and Cu). The predetermined chemical composition of the coating by setting the capacitance C n and voltage U across the capacitances in each of the excitation, generation, transportation channels, as well as the synchronization mode can be violated due to the anode processes at the indicated stages. For a given value of the magnetic flux to the anode (Ф А ), the plasma duct body
Figure 00000074
mixing chamber body
Figure 00000075
correspondingly, a potential jump is formed on the anode (ΔU a ), as well as bias potentials on the plasma duct housings U cm and mixing chamber U cm , which in turn determines the time constant for the formation of thermal anode instability during generation, transportation, and mixing. Two options are possible:
Figure 00000076
.

В последнем случае анод, корпус плазмовода и камера смешения являются источниками привнесенных химических примесей. Так, при τГ= 10-2с > τТАН.Г химический анализ показал наличие в толще покрытия (Fe и Cr) материалов анода, корпусов плазмовода и камеры смешения (нержавеющей стали). Недостаток был устранен при длительности τГ< 1мкс. В данном случае привязка (анодные пятна) на анод, корпусы плазмоводов и камеры смешения не успевала сформироваться, и химический состав покрытия определялся параметрами Сн и U вакуумных дуг и режимом их синхронизации. Химический состав покрытия кроме режима синхронизации величины масс компонент (Y, Ba, Cu) через параметры Сн и U вакуумных дуг, наличия капельной фазы обусловлен, кроме того, однородностью распределения компонент в покрытии, которое в свою очередь определяется неоднородностью

Figure 00000077
магнитного поля в объеме плазмы на диаметре подложки Dсм-lленгм, где lленгм - величина слоя Ленгмюра, которая определяется условиями запирания капельной фазы. Величина
Figure 00000078
в области конденсации (подложки) определяется в свою очередь положением соленоидов областей генерирования, транспортирования, смешения, а также наличием соленоида с тыльной стороны подложки. В связи с этим исследовались два варианта:
Figure 00000079
Figure 00000080

В первом варианте неоднородность
Figure 00000081
толщины покрытия составила величину, равную ~ 10%, неприемлемую для практики. Во втором варианте (с тыльной стороны подложки располагаются три соленоида диаметром Dсм и длиной 2 Dсм) неоднородность
Figure 00000082
толщины покрытия составила величину, равную ~3%, практически приемлемую для технологического оборудования. Указанное пространственное положение атомов в подрешетке может быть нарушено за счет избыточной энергии конденсируемых ионов плазмы. Исследовались два варианта: первый - eUсм.т+eUсм.г•Z>Wдеф и второй - eUсм.т.+eUсм.г•Z < Wдеф Сравнение результатов по плотности поверхностных состояний показало, что она в первом случае составляет величину, равную 1012 -1013 1/см2•эв, неприемлемую для практического использования тонкопленочной структуры. Во-втором случае уровень плотности поверхностных состояний равен ~1011 1/см2•эв, а тонкопленочная структура приемлема для практического использования. Однако кроме нарушений на границе подложка - покрытие возможны нарушения исходного пространственного положения атомов за счет высокоэнергетичных ионов лазерной плазмы и плазмы вакуумной дуги. Так, энергия ионов лазерной плазмы при плотности энергии при поджиге 109 Вт/см может достигать несколько кэВ.In the latter case, the anode, the plasma duct body, and the mixing chamber are sources of introduced chemical impurities. So, at τ Г = 10 -2 s> τ TAN.G chemical analysis showed the presence of anode materials, plasma duct bodies and mixing chambers (stainless steel) in the coating thickness (Fe and Cr). The disadvantage was eliminated with a duration of τ G <1 μs. In this case, the attachment (anode spots) to the anode, plasma duct housings, and mixing chambers did not have time to form, and the chemical composition of the coating was determined by the C n and U parameters of the vacuum arcs and the mode of their synchronization. The chemical composition of the coating, in addition to synchronizing the mass values of the components (Y, Ba, Cu) through the parameters C n and U of the vacuum arcs, the presence of the droplet phase, is also due to the homogeneity of the distribution of components in the coating, which in turn is determined by the inhomogeneity
Figure 00000077
the magnetic field in the plasma volume on the diameter of the substrate D cm -l Langm , where l Langm is the Langmuir layer, which is determined by the conditions for locking the droplet phase. Value
Figure 00000078
in the field of condensation (substrate) is determined in turn by the position of the solenoids of the areas of generation, transportation, mixing, as well as the presence of a solenoid on the back of the substrate. In this regard, two options were investigated:
Figure 00000079
Figure 00000080

In the first embodiment, heterogeneity
Figure 00000081
coating thickness was a value of ~ 10%, unacceptable for practice. In the second variant (three solenoids with a diameter of D cm and a length of 2 D cm are located on the back side of the substrate), the inhomogeneity
Figure 00000082
the coating thickness was ~ 3%, which is practically acceptable for technological equipment. The indicated spatial position of atoms in the sublattice can be violated due to the excess energy of the condensed plasma ions. Two options were investigated: the first - eU cm t + eU cm g • Z> W def and the second - eU cm t + eU cm g • Z <W def A comparison of the results on the density of surface states showed that it is in the first case amounts to 10 12 -10 13 1 / cm 2 • eV, unacceptable for the practical use of thin-film structure. In the second case, the level of density of surface states is ~ 10 11 1 / cm 2 • eV, and the thin-film structure is acceptable for practical use. However, in addition to disturbances at the substrate – coating interface, violations of the initial spatial position of atoms due to high-energy ions of the laser plasma and plasma of the vacuum arc are possible. Thus, the energy of laser plasma ions at an energy density of 10 9 W / cm when fired can reach several keV.

ПРИМЕР N 2. То же, что и в примере N 1, при этом генерирование плазмы из плазмообразующего вещества сложного состава (сплав Ba-Cu) осуществляют в течение времени τГ, величину которого выбирают меньше времени τII жизни катодных пятен второго рода: τГ< τII≃ 1мкс , а длительность τЕН наложений магнитного

Figure 00000083
и электрического
Figure 00000084
полей на этапе транспортирования и смешения определяли из условия τЕН≤ τГПРОЛ , где τПРОЛ - время пролета плазмой области транспортирования и смешения. При реализации способа получения покрытий осуществлялось измерение параметров покрытий в зависимости от возможных изменений параметров способа.EXAMPLE N 2. The same as in example N 1, while the generation of plasma from a plasma-forming substance of complex composition (Ba-Cu alloy) is carried out for a time τ G , the value of which is chosen less than the time τ II of the life of cathode spots of the second kind: τ DII ≃ 1mks and the duration T EN application of a magnetic
Figure 00000083
and electric
Figure 00000084
of the fields at the stage of transportation and mixing was determined from the condition τ EH ≤ τ G + τ PROL , where τ PROL is the time of flight of the transport and mixing areas by the plasma. When implementing the method for producing coatings, measurements of the parameters of the coatings were carried out depending on possible changes in the parameters of the method.

Обычно магнитные поля

Figure 00000085
в плазмоводах и камере смешения создаются токами вакуумных дуг, т. е. при τЕН= τГ. Химический анализ покрытия Ba-Cu показал, что его состав нарушен (недостаток Cu) на величину ~1%. Причем по мере увеличения длительности разряда τГ величина нарушения состава увеличивалась, т. е. когда τЕН= τГ> τII. В этом случае нарушение состава обусловлено как фракционной возгонкой в катодной области разряда и последующего продольного разделения состава в зонах транспортирования и смешения. Нарушение состава было предотвращено при длительности наложения магнитного поля Нт Hсм), равной τЕН= τГПРОЛ, где τГ выбиралась из условия τГ< τII≃ 1мкс.Usually magnetic fields
Figure 00000085
in the plasma ducts and the mixing chamber are created by currents of vacuum arcs, i.e., at τ ЕН = τ Г. Chemical analysis of the Ba-Cu coating showed that its composition was violated (Cu deficiency) by ~ 1%. Moreover, with an increase in the duration of the discharge τ G, the value of the violation of the composition increased, i.e., when τ ЕН = τ Г > τ II . In this case, the composition violation is caused by both fractional sublimation in the cathode region of the discharge and subsequent longitudinal separation of the composition in the transportation and mixing zones. Violation of the composition was prevented when the duration of the magnetic field N t H cm ) was equal to τ EN = τ G + τ PROL , where τ G was chosen from the condition τ GII ≃ 1 μs.

ПРИМЕР N 3. То же, что и в примере N 2, 1, но подложка была профилированной, при этом после смешения потоков плазмы осуществляют сепарацию ионов по поперечным импульсам путем транспортирования в продольных каналах, причем протяженность каналов и расстояние Lк до поверхности конденсации определялось из выражения
V•τii< hС+LК ,
где

Figure 00000086
, V∥П и V - величина продольной и поперечной скорости иона в потоке плазмы после сепарации по импульсам соответственно, l0 - поперечный размер стенок между каналами. Величина магнитного поля определялась из неравенства
ri> V•τc>> re ,
где V•τc= b = (0,5-1) см - поперечный размер канала, re = 10-2 см, ларморовский радиус электрона, ri = 102 см - ларморовский радиус иона,
Figure 00000087
время пролета плазмой зоны сепарации (каналов). При реализации способа получения покрытий осуществлялось измерение параметров покрытий в зависимости от возможных изменений параметров способа. Так, результаты взрывной литографии показали, что нарушение вышеизложенных условий обусловливает наличие подпыла на вертикальные стенки профиля и отсутствие формирования рисунка.EXAMPLE N 3. The same as in example N 2, 1, but the substrate was profiled, while after mixing the plasma flows the ions are separated by transverse momenta by transporting in longitudinal channels, the length of the channels and the distance L to the condensation surface was determined from expression
V • τ ii <h С + L К ,
Where
Figure 00000086
, V ∥ П and V are the longitudinal and transverse velocity of the ion in the plasma stream after separation by pulses, respectively, l 0 is the transverse size of the walls between the channels. The magnitude of the magnetic field was determined from the inequality
r i > V • τ c >> r e ,
where V • τ c = b = (0.5-1) cm is the transverse size of the channel, r e = 10 -2 cm, the Larmor radius of the electron, r i = 10 2 cm is the Larmor radius of the ion,
Figure 00000087
plasma transit time of the separation zone (channels). When implementing the method for producing coatings, measurements of the parameters of the coatings were carried out depending on possible changes in the parameters of the method. So, the results of explosive lithography showed that violation of the above conditions causes the presence of dust on the vertical walls of the profile and the absence of the formation of a pattern.

ПРИМЕР N 4. То же, что и в примере N 3, при этом при генерировании потока плазмы формируют положительный скачок потенциала ΔUа в анодной области разряда за счет замыкания на эту область части магнитного потока Фк, пронизывающего катодную область вакуумной дуги, равную ФА, путем регулирования расстояния lАП между соленоидом анодной области разряда и соленоидом области транспортирования, при этом остальную часть продольного
потока

Figure 00000088
магнитного поля распределяют между областью транспортирования
Figure 00000089
(смешения
Figure 00000090
) в слое Ленгмюра (lленгм) и областью конденсации (Фк) согласно выражению
Figure 00000091

путем замыкания магнитных силовых линий на диафрагму высотой lленгм и регулирования ее высоты, или на корпус в области его торцов, при этом величину емкости С цепи смещения корпуса плазмовода выбирали из условия
Figure 00000092
где RКП - величина сопротивления участка "корпус плазмовода - плазма", Ом; Lг-, Cн - величина индуктивности, емкости цепи разряда соответственно Гн, Ф; а величину емкости Ссм цепи смещения корпуса камеры смешения выбирают из условиях
Figure 00000093
где Rксп - величина сопротивления участка "корпус камеры смешения - плазма".EXAMPLE N 4. The same as in example N 3, in this case, when the plasma flow is generated, a positive potential jump ΔU a is formed in the anode region of the discharge due to the closure of a part of the magnetic flux Ф к that penetrates the cathode region of the vacuum arc equal to Ф And , by adjusting the distance l AP between the solenoid of the anode region of the discharge and the solenoid of the transportation region, the rest of the longitudinal
flow
Figure 00000088
the magnetic field is distributed between the transport area
Figure 00000089
(mixing
Figure 00000090
) in the Langmuir layer (l Langm ) and the condensation region (Ф к ) according to the expression
Figure 00000091

by closing the magnetic field lines to the diaphragm of height l Langm and adjusting its height, or to the housing in the region of its ends, the capacitance C of the bias circuit of the plasma duct housing being selected from the condition
Figure 00000092
where R KP - the value of the resistance of the section "plasma duct body - plasma", Ohm; L g -, C n - value of inductance, capacitance of the discharge circuit, respectively, H, F; and the value of the capacitance C cm the bias circuit of the housing of the mixing chamber is selected from the conditions
Figure 00000093
where R KSP - the resistance value of the plot "mixing chamber body - plasma".

При реализации способа получения покрытий осуществлялось измерение параметром покрытий в зависимости от возможных изменений параметров способа. Производительность и энергозатраты в способе зависят от распределения магнитного поля в зонах генерирования транспортирования, смешения и конденсации, образующих единую магнитную систему, а совместно с ΔUа, Uт, Uсм единую систему скрещенных полей. Так, распределение магнитного поля в анодной области разряда, когда отсутствует магнитный поток на анодную область ФА = 0 (магнитная изоляция анода) результаты измерений показали резкий рост потенциала на электродах: ΔUАК= UК+ΔU ≃ 100 B, образование анодных пятен на поверхности анода, т.е. рост уровня привнесенных химических примесей и энергозатрат из-за резкого снижения величины τТАН.Г. Изменение величины ФА осуществлялось регулированием расстояния между соленоидом анода и соленоидом плазмовода lАП. При величине lАП = 5 см потенциал на электродах равен UАК = UК+ΔU ≃ 50 B при отсутствии анодных пятен. Затем осуществлялась оптимизация в распределении магнитного потока

Figure 00000094
. Соотношение между
Figure 00000095
и Фконд определяет производительность способа через
Figure 00000096
, т.к. эта величина определяется величиной слоя Ленгмюра (пропорциональна площади слоя) и задается одним из условий транспортирования плазмы вдоль профилированной поверхности: lленгм>tп>dк. При этом нарушение этого неравенства снижает производительность способа. Оптимальное соотношение между потоками на подложку Фк и магнитный поток на формирование слоя Ленгмюра на этапе транспортирования (смешения) реализуется при условии
Figure 00000097

или, когда Dт >> lленгм
Figure 00000098

Однако, как показал эксперимент, оптимизация топологии магнитного поля есть только необходимое условие повышения производительности способа. Так как плазма генерируется, транспортируется и смешивается в скрещенных
Figure 00000099
полях, достаточным условием является оптимизация условий реализации Е через соответствующие потенциалы ΔUа, Uсм.т, Uсм. Так величина ΔUа определяется, как ранее описано, величиной ФА. Величины Uсм.т и Uсм. определяются во время транспортирования и смешения соотношением постоянных времени участка корпус-плазма, равной Rкп•Cп и контура, равной
Figure 00000100
. Так, если
Figure 00000101
меньше, чем Rкп•Cп (Rксп•Cсм), то емкость Сп (см) успевает разрядиться за счет электронного тока на корпус и в слой Ленгмюра и, как следствие, резкое падение Uсм.т, Uсм и производительности. Ситуация обратна, если
Figure 00000102
или
Figure 00000103
В этом случае Uсм.т и Uсм, за время прохождения плазмой зоны транспортирования и смешения, изменяются незначительно, а следовательно, и производительность.When implementing the method for producing coatings, the parameter of coatings was measured depending on possible changes in the parameters of the method. Productivity and energy consumption in the method depend on the distribution of the magnetic field in the zones of generation of transportation, mixing and condensation, forming a single magnetic system, and together with ΔU a , U t , U cm a single system of crossed fields. Thus, the distribution of the magnetic field in the anode region of the discharge, when there is no magnetic flux to the anode region Ф А = 0 (magnetic insulation of the anode), the measurement results showed a sharp increase in potential on the electrodes: ΔU AK = U K + ΔU ≃ 100 B, the formation of anode spots on the surface of the anode, i.e. an increase in the level of introduced chemical impurities and energy consumption due to a sharp decrease in τ TAN.G. The change in the value of Ф А was carried out by controlling the distance between the anode solenoid and the plasma duct solenoid l АП . When the value of l AP = 5 cm, the potential at the electrodes is equal to U AK = U K + ΔU ≃ 50 B in the absence of anode spots. Then optimization was carried out in the distribution of magnetic flux.
Figure 00000094
. Relationship between
Figure 00000095
and f cond determines the performance of the method through
Figure 00000096
because this value is determined by the size of the Langmuir layer (proportional to the area of the layer) and is determined by one of the conditions for transporting the plasma along the profiled surface: l Langm > t p > d k . Moreover, violation of this inequality reduces the performance of the method. The optimal ratio between the fluxes to the substrate Ф к and the magnetic flux for the formation of the Langmuir layer at the stage of transportation (mixing) is realized under the condition
Figure 00000097

or, when D t >> l Lengm
Figure 00000098

However, as the experiment showed, optimization of the topology of the magnetic field is only a necessary condition for increasing the productivity of the method. Since plasma is generated, transported and mixed in crossed
Figure 00000099
fields, a sufficient condition is to optimize the conditions for the implementation of E through the corresponding potentials ΔU a , U cm t , U see So the value ΔU a is determined, as previously described, by the quantity Ф А. The values of U cm t and U cm are determined during transportation and mixing by the ratio of the time constants of the section of the casing-plasma equal to R kn • C p and the circuit equal to
Figure 00000100
. So if
Figure 00000101
less than R kp • C p (R ksp • C cm ), then the capacitance C p (cm) manages to discharge due to the electronic current to the body and to the Langmuir layer and, as a result, a sharp drop in U cm , U cm and performance. The situation is reversed if
Figure 00000102
or
Figure 00000103
In this case, U cm t and U cm , during the passage of the plasma through the transport and mixing zones, change insignificantly, and therefore, productivity.

Необходимо отметить, что величины Rкп и Rкcп определяются величинами магнитных потоков, замкнутых в слоях Ленгмюра

Figure 00000104
.It should be noted that the values of R KP and R KSP determined by the magnitude of the magnetic flux, closed in the Langmuir layers
Figure 00000104
.

Таким образом, рассмотренные условия повышения качества покрытий только в совокупности признаков обеспечивают достижение поставленной цели. Thus, the considered conditions for improving the quality of coatings only in combination of features ensure the achievement of the goal.

Устройство для осуществления способа получения многокомпонентных покрытий для реализации цели должно удовлетворять во всех своих конструктивных элементах (блоке поджига, генераторе плазмы, плазмоводе, камере смешения) ряду технических условий: сохранение химической однородности потока (ов) и его целенаправленное изменение при минимальных энергозатратах и потерях вещества покрытия. A device for implementing the method of producing multicomponent coatings for achieving the goal must satisfy in all its structural elements (ignition unit, plasma generator, plasma duct, mixing chamber) a number of technical conditions: preservation of the chemical uniformity of the stream (s) and its purposeful change with minimal energy consumption and material losses coverings.

Химический состав покрытия в устройстве обусловлен возможностью его нарушения в блоке поджига, генераторе плазмы, плазмоводе и камере смешения. The chemical composition of the coating in the device is due to the possibility of its violation in the ignition unit, plasma generator, plasma duct and mixing chamber.

Так, в узле поджига нарушения химического состава обусловлены:
1. внесением инородного вещества, в частности эрозией конструктивных элементов блока поджига, а также его принципом работы.
So, in the ignition unit, chemical composition violations are caused by:
1. the introduction of a foreign substance, in particular by erosion of the structural elements of the ignition unit, as well as its principle of operation.

2. генерированием капельной фазы,
3. нестабильностью поджига,
4. отсутствием (блока синхронизации) режима синхронизации блоков поджига и системы напуска реактивного газа.
2. generating a droplet phase,
3. instability of ignition,
4. absence (synchronization block) of the synchronization mode of the ignition blocks and the jet gas inlet system.

Известны конструкции узлов поджига, возбуждение плазмы в которых осуществляется за счет инжекции порции газа, высокого напряжения, механического перемещения электрода, электронного потока, лазерного излучения. Использование в устройстве инжекции порции газа не удовлетворяет первому требованию. Применение высокого напряжения обусловливает нарушение первого требования за счет эрозии диэлектрика, а также электродов отличной от расходуемого катода химической природы, кроме того, металлизация поверхности диэлектрика и выгорание электродов узла поджига обусловливает нестабильность процесса поджига. Использование в устройстве механического перемещения электрода ввиду инерционности системы в целом не позволяет осуществить режим синхронного поджига в пределах длительности разряда (<1 мс) в генераторах плазмы, кроме того, периодическое приваривание электрода поджига и его механическая непрочность для ряда веществ (например, полупроводников) обусловливает нестабильность процесса поджига. There are known designs of ignition units, the plasma in which is excited by injection of a portion of gas, high voltage, mechanical movement of the electrode, electron beam, and laser radiation. The use of a portion of gas in the injection device does not satisfy the first requirement. The use of high voltage causes a violation of the first requirement due to erosion of the dielectric, as well as electrodes of a chemical nature different from the consumable cathode, in addition, the metallization of the dielectric surface and the burning of the electrodes of the ignition unit causes the instability of the ignition process. The use of an electrode mechanical displacement device due to the inertia of the system as a whole does not allow the synchronous ignition to be performed within the discharge duration (<1 ms) in plasma generators, in addition, the periodic ignition of the ignition electrode and its mechanical weakness for a number of substances (for example, semiconductors) instability of the ignition process.

В наибольшей степени требованиям (1-5) удовлетворяет электронно-лучевой и лазерный поджиг. Однако они существенно различаются по условиям фокусировки электронных и лазерных потоков до плотности ~108 Вт/см2 (условие перехода твердое тело - плазма) на торцевой рабочей поверхности катода. Так плотность энергии в случае электронов равна ε= j•U , где j - плотность тока эмиссии с катода, U - ускоряющее напряжение, т.е. для реализации jU~108 Вт/см2 необходимы высокопервеансные электронные пушки. Наличие высоких напряжений (50 кВ) и термокатода в условиях плотных потоков металлической плазмы, а также потоков реактивных технологических газов (N2, O2) обусловливает, во-первых, возникновение паразитных электрических разрядов и, следовательно, эрозию конструктивных элементов блока поджига и, во-вторых, разрушение термокатода и, как следствие, нестабильность j•U и собственно самого поджига. Другая причина нестабильности поджига (состава покрытия) обусловлена эффектом кинжального проплавления торцевой рабочей поверхности катода в зоне фокусировки.To the greatest extent, the requirements (1-5) are satisfied by electron beam and laser ignition. However, they differ significantly in the focusing conditions of electron and laser fluxes to a density of ~ 10 8 W / cm 2 (the condition of the solid – plasma transition) on the end working surface of the cathode. So the energy density in the case of electrons is ε = j • U, where j is the current density of the emission from the cathode, U is the accelerating voltage, i.e. To realize jU ~ 10 8 W / cm 2 , high-performance electron guns are required. The presence of high voltages (50 kV) and a thermal cathode in the presence of dense flows of metal plasma, as well as flows of reactive technological gases (N 2 , O 2 ) causes, firstly, the occurrence of spurious electrical discharges and, therefore, erosion of the structural elements of the ignition unit and, secondly, the destruction of the thermal cathode and, as a consequence, the instability of j • U and the actual ignition itself. Another reason for the instability of the ignition (coating composition) is due to the effect of dagger penetration of the end working surface of the cathode in the focusing zone.

В случае лазерного поджига глубина лунки составляет величину, равную скин-слою (для металлов несколько сотен ангстрем), а в случае электронного потока составляет величину, равную длине пробега электронов при энергии 50 кВ, те несколько микрон, что обусловливает резкое снижение выхода продуктов эрозии (плазмы) из области фокусировки в межэлектродный зазор генератора плазмы. Для лазерного поджига указанные недостатки или отсутствуют (фокусировка), а массоперенос плазмы (или газа) на термокатод заменяется в данном случае массопереносом на оптический ввод, или эти недостатки не так резко выражены (кинжальный эффект). Таким образом, для реализации цели предложения лазерный поджиг (блок) в устройстве наиболее оптимален. Режим синхронизации в устройстве осуществляется блоком синхронизации, управляющий N-канальный выход которого соединен с каждым входом синхронизации блока поджига и системы напуска реактивного газа. In the case of laser firing, the depth of the hole is equal to the skin layer (for metals several hundred angstroms), and in the case of the electron beam is equal to the mean free path of electrons at an energy of 50 kV, those are several microns, which leads to a sharp decrease in the yield of erosion products ( plasma) from the focusing area to the interelectrode gap of the plasma generator. For laser firing, the indicated drawbacks are either absent (focusing), and the mass transfer of plasma (or gas) to the thermal cathode is replaced in this case by mass transfer to the optical input, or these drawbacks are not so pronounced (dagger effect). Thus, to realize the goal of the proposal, laser firing (block) in the device is most optimal. The synchronization mode in the device is carried out by a synchronization unit, the control N-channel output of which is connected to each synchronization input of the ignition unit and the jet gas inlet system.

В генераторах плазмы нарушения химического состава покрытия могут быть предопределены, с одной стороны, типом электрического разряда (тлеющий или вакуумно-дуговой), с другой стороны, обусловлены
- возможностью регулировки выхода количества (массы) плазмы в зависимости от электрических параметров, например емкости (Сн) и рабочего напряжения (U).
In plasma generators, violations of the chemical composition of the coating can be predetermined, on the one hand, by the type of electric discharge (glow or vacuum-arc), on the other hand, due to
- the ability to adjust the output of the quantity (mass) of plasma depending on electrical parameters, for example, capacitance (C n ) and operating voltage (U).

- наличием капельной фазы в потоке плазмы,
- перекрестным массопереносом между расходуемыми катодами генераторов, например, по плазме, капельной фазе,
- энергетическими параметрами ионов потока плазмы,
- анодными процессами,
- длительностью разряда τГ.
- the presence of a droplet phase in the plasma stream,
- cross mass transfer between consumable cathodes of the generators, for example, in plasma, in the droplet phase,
- energy parameters of plasma flow ions,
- anode processes,
- discharge duration τ G.

По критерию типа разряда в генераторе плазмы наиболее оптимален вакуумно-дуговой разряд, т.к. в нем в отличие от других типов электрических разрядов отсутствует рабочий газ (например, Ar), что резко повышает химическую чистоту покрытия. Кроме того, масса вещества (m) расходуемого катода генератора пропорциональна величинам емкости (С) и изменения рабочего напряжения (U). Однако химический состав покрытия может быть локально нарушен в пределах капли (доли - десятки мкм) из-за неоднородности (продольной, т.е. по толщине, и радиальной, т.е. вдоль поверхности) различной химической природы, а также вследствие перекрестного массопереноса между катодами генераторов плазмы по плазме и капельной фазе. За счет чего на торцевых рабочих поверхностях катодов присутствуют пленки или частички (капли) инородного вещества, что обусловливает неоднозначность химического состава плазмы от С и U в каждом из генераторов и, следовательно, в покрытии. According to the criterion of the type of discharge in a plasma generator, the vacuum-arc discharge is most optimal, since unlike other types of electric discharges, it lacks a working gas (for example, Ar), which sharply increases the chemical purity of the coating. In addition, the mass of the substance (m) of the consumable cathode of the generator is proportional to the capacitance (C) and the change in operating voltage (U). However, the chemical composition of the coating can be locally disturbed within the droplet (fractions - tens of microns) due to heterogeneity (longitudinal, i.e. in thickness, and radial, i.e. along the surface) of different chemical nature, as well as due to cross mass transfer between the cathodes of plasma generators in plasma and droplet phase. Due to this, films or particles (droplets) of foreign substance are present on the end working surfaces of the cathodes, which makes the chemical composition of the plasma from C and U ambiguous in each of the generators and, therefore, in the coating.

Энергетический аспект нарушения химического состава покрытия обусловлен наличием в потоках плазмы (особенно лазерной) высокоэнергетичных ионов (до единиц кэВ), способных за счет высокой энергии при ее термализации встраиваться в нижележащие подрешетки слоистой элементарной ячейки многокомпонентного покрытия. Поэтому необходима энергетическая сепарация потока плазмы. В плазмоводах (камере смешения) нарушение химического состава покрытия может быть обусловлено
- наличием капельной фазы в потоке плазмы за выходным торцом плазмовода (камеры смешения),
- перекрестным массопереносом между плазмоводами по плазме и капельной фазе через камеру смешения,
- анодными процессами на внутренней поверхности корпуса плазмовода и камеры смешения.
The energy aspect of the violation of the chemical composition of the coating is due to the presence in the plasma flows (especially laser) of high-energy ions (up to units of keV), capable of incorporating into the underlying sublattices of a layered unit cell of a multicomponent coating due to its high thermalization. Therefore, energy separation of the plasma flow is necessary. In plasma ducts (mixing chamber), a violation of the chemical composition of the coating may be due to
- the presence of the droplet phase in the plasma stream behind the output end of the plasma duct (mixing chamber),
- cross-mass transfer between plasma ducts in plasma and droplet phase through the mixing chamber,
- anode processes on the inner surface of the plasma duct body and mixing chamber.

Процессу плазмообразования в устройстве сопутствуют несколько механизмов образования капельной фазы (т. е. лазерная плазма и плазма вакуумной дуги являются многофазными). The plasma formation process in the device is accompanied by several mechanisms of the formation of the droplet phase (i.e., laser plasma and vacuum arc plasma are multiphase).

Область образования макрочастиц расположена на торцевой рабочей поверхности расходуемого катода и расширения рабочего вещества от плотности твердого тела (~ 1022 см-3) до плотности плазмы (5•1011 см-3), т.е. на расстоянии нескольких сантиметров от торцевой рабочей поверхности. Поэтому увлечение макрочастиц потоком плазмы в данном случае локализовано в пространстве и находится в области расширения вещества. В импульсных генераторах плазмы твердых веществ наблюдается продольное разделение плазмы и капельной фазы ввиду различия в скоростях и конечной длительности τГ горения вакуумной дуги (τГ< 10-3c).
Следовательно, за время импульса горения вакуумной дуги капли не вылетают за пределы анода и распространяются в плазмоводе после окончания разряда в генераторе в отсутствие плазмы и даже магнитного поля, когда магнитное поле

Figure 00000105
создается током вакуумной дуги. Таким образом, торцевую рабочую поверхность расходуемой мишени и зону расширения можно рассматривать как источник N капель за импульс.The region of macroparticle formation is located on the end working surface of the sacrificial cathode and the expansion of the working substance from the density of the solid (~ 10 22 cm -3 ) to the plasma density (5 • 10 11 cm -3 ), i.e. at a distance of several centimeters from the end working surface. Therefore, the entrainment of particles by the plasma flow in this case is localized in space and is in the region of expansion of the substance. In pulsed solid-state plasma generators, a longitudinal separation of the plasma and the droplet phase is observed due to the difference in the velocities and final duration τ G of the combustion of the vacuum arc (τ G <10 −3 s).
Therefore, during the burning pulse of the vacuum arc, the droplets do not fly outside the anode and propagate in the plasma duct after the discharge in the generator in the absence of plasma and even a magnetic field, when the magnetic field
Figure 00000105
created by the vacuum arc current. Thus, the end face of the sacrificial target and the expansion zone can be considered as a source of N drops per pulse.

В плазмоводе характер распространения макрокапель определяется двумя факторами: фазовым состоянием капель и характером взаимодействия с внутренней стенкой корпуса плазмовода. Возможны два варианта изменения числа капель Nк после зоны расширения: за счет дробления и их коагуляции.In a plasma duct, the nature of the propagation of macrodrops is determined by two factors: the phase state of the droplets and the nature of the interaction with the inner wall of the plasma duct body. There are two options for changing the number of drops N k after the expansion zone: due to crushing and their coagulation.

Капельная фаза в момент образования находится в различных фазовых состояниях (жидком и твердом). Наиболее опасен для дробления первый вариант. Однако за время до первого столкновения с внутренней поверхностью корпуса плазмовода происходит остывание макрокапель с испарением тепловым излучением. Причем капли с диаметром dк, равным или меньшим двух величин α-1, а также поверхностный слой, равный α-1 в каплях большего диаметра, охлаждаются (затвердевают) практически мгновенно, так как этот процесс не лимитируется теплопроводностью материала макрочастицы, где α - коэффициент поглощения вещества макрочастицы в области длин волн максимума функции Планка. Капельная фаза с диаметром dк < 300 мкм за время пролета τ1,K до первого столкновения должна испытать фазовый переход: жидкость ---> твердое тело. Поэтому для ее дробления в момент столкновения она должна испытать обратный фазовый переход: твердое тело ---> жидкость. Условия дробления жидкой фазы реализуются при определенной величине отношения кинетической энергии капли к ее поверхности энергии.The droplet phase at the time of formation is in different phase states (liquid and solid). The first option is most dangerous for crushing. However, the time before the first collision with the inner surface of the plasma duct body, macrodrops cool with evaporation by thermal radiation. Moreover, drops with a diameter d k equal to or less than two values of α -1 , as well as a surface layer equal to α -1 in drops of a larger diameter, cool (solidify) almost instantly, since this process is not limited by the thermal conductivity of the particulate material, where α is particulate matter absorption coefficient in the wavelength region of the maximum of the Planck function. The droplet phase with a diameter d to <300 μm during the flight time τ 1, K before the first collision should undergo a phase transition: liquid ---> solid. Therefore, for its crushing at the moment of collision, it must undergo a reverse phase transition: solid body ---> liquid. The crushing conditions of the liquid phase are realized at a certain value of the ratio of the kinetic energy of a drop to its energy surface.

Сравнение характерной энергии разрушения поверхности капли с величиной поверхностного натяжения показывает, что они отличаются в 4 - 5 раз. В условиях твердофазных веществ энергетические условия дробления более жесткие: кинетической энергии капли должно хватать на фазовый переход исходно твердых, а также охлажденных при пролете капель (твердое тело ---> жидкость) и последующее собственно дробление с учетом первого замечания. Механизм (коагуляция) в плазмоводе будет возможен только в том случае, если длина свободного пробега λКК относительно столкновения капля-капля будет меньше характерных размеров плазмовода (его длины Lг), т.е. когда

Figure 00000106
, где Sк - сечение взаимодействия (площадь) капель, nк - концентрация капель. Более того, процесс коагуляции эффективен в случае жидких микрокапель, но они застывают и, более того, взаимно не сталкиваются
Figure 00000107
.Comparison of the characteristic energy of destruction of the surface of the droplet with the magnitude of the surface tension shows that they differ by 4–5 times. Under the conditions of solid-phase substances, the energy conditions for crushing are more stringent: the kinetic energy of the droplet should be sufficient for the phase transition of the initially solid, as well as droplets cooled during the passage (solid -> liquid) and subsequent crushing proper, taking into account the first remark. The mechanism (coagulation) in the plasma duct will be possible only if the mean free path λ KK relative to the drop-drop collision is less than the characteristic size of the plasma duct (its length L g ), i.e. when
Figure 00000106
where S k is the interaction cross section (area) of the droplets, n k is the droplet concentration. Moreover, the coagulation process is effective in the case of liquid microdrops, but they freeze and, moreover, do not collide
Figure 00000107
.

Таким образом число капель Nк, является неизменным для входного торца плазмовода, но зависит от ряда контролируемых параметров (например, газосодержания, величины тока разряда) и может быть определено из эксперимента.Thus, the number of drops N k is constant for the input end of the plasma duct, but depends on a number of controlled parameters (for example, gas content, discharge current) and can be determined from experiment.

Первым необходимым условием запирания капельной фазы является наличие треугольного профиля внутренней поверхности при условии, что высота и шаг профиля больше размера капельной фазы (в противном случае поверхность является "гладкой"). В данном случае по критерию угла влета, изменяющегося в пределах

Figure 00000108
(и равного величине угла между направлением распространения макрочастицы и нормалью к поверхности профиля, расположенной в радиальной плоскости корпуса) можно выделить три группы макрочастиц. Для первой группы угол влета изменяется в пределах αп> γ > 0, где αп - угол при вершине треугольного профиля. Указанные макрочастицы после соударения с поверхностью выступа отражаются от последнего и соударяются с поверхностью соседнего выступа, отражаются от него и под углом 2αп1 распространяются в направлении выходного торца, т.е. они являются незапертыми после столкновения с треугольным профилем (см. фиг. 4). Для второй группы угол влета изменяется в диапазоне α ≤ γ2< 2αп, и макрочастицы после столкновения с выступами профиля обратно отражаются в направлении влета, т.е. являются запертыми. Для третьей группы угол влета изменяется в диапазоне
Figure 00000109
, и макрочастицы "запираются" в пределах соседних выступов. Максимальную величину выступов hп max, если
Figure 00000110
во втором варианте профиля выбирают такой, чтобы в результате столкновений при входе макрочастиц третьей группы внутрь треугольного профиля они потеряли первоначальный импульс. Величину hп max можно уменьшить в два раза, если учесть, что реальный профиль имеет вид, изображенный на фиг. 5, поэтому макрочастица, отразившись от области К, испытывает еще nст столкновений при выходе из треугольного профиля. Таким образом, для запирания макрочастиц на треугольном профиле (фиг. 5) необходимо устранить первую группу макрочастиц. Рассмотрим условия их запирания. Последнее осуществляется тем, что, во-первых, угол влета макрочастиц увеличивается от величины, заключенной в диапазоне 0 < γ < αп после первого столкновения с треугольным профилем до величины, заключенной в диапазоне γ = αп÷ 2αп и при втором столкновении макрочастиц с треугольным профилем их новый угол влета γ = αп÷ 2αп соответствует уже второй группе макрочастиц. Во-вторых, тем, что макрочастицы отражаются по закону tgφ = Kвtgψ , где φ и ψ - углы падения и отражения соответственно, Kв - коэффициент восстановления (Кв~0,5). При этом началу запирания соответствует случай, когда после первого столкновения с профилем частицы в области r начинают распространяться радиально, а не к выходному торцу. Причем по мере уменьшения αп у них появляется компонента скорости к входному торцу плазмовода. Этому условию соответствует верхняя величина αп, равная
Figure 00000111
,
где Dт - поперечный размер зоны транспортирования,
rк - величина радиуса катода (мишени),
F - величина отрезка прямой, проходящей через торцевую рабочую поверхность в точке Dт/2+rк и точкой касания к поверхности плазмовода в области цилиндра r. По мере дальнейшего уменьшения αп капельная фаза начинает испытывать уже два столкновения в области между соседними выступами профилями, т. е. на одно больше чем при отсутствии профиля. Этому условию соответствует верхняя величина αп, равная
Figure 00000112
.The first necessary condition for locking the droplet phase is the presence of a triangular profile of the inner surface, provided that the height and step of the profile are larger than the size of the droplet phase (otherwise the surface is "smooth"). In this case, according to the criterion of the angle of entry, varying within
Figure 00000108
(and equal to the angle between the direction of propagation of the particles and the normal to the surface of the profile located in the radial plane of the body), three groups of particles can be distinguished. For the first group, the angle of entry varies within α p >γ> 0, where α p is the angle at the apex of the triangular profile. These particles after collision with the surface of the protrusion are reflected from the latter and collide with the surface of the adjacent protrusion, are reflected from it and propagate in the direction of the output end face at an angle 2α p −γ 1 , i.e. they are unlocked after a collision with a triangular profile (see Fig. 4). For the second group, the angle of entry varies in the range α ≤ γ 2 <2α p , and the particles after collision with the protrusions of the profile are reflected back in the direction of entry, i.e. are locked. For the third group, the angle of entry varies in the range
Figure 00000109
, and the particles are "locked" within adjacent protrusions. The maximum size of the protrusions h p max if
Figure 00000110
in the second version of the profile, one is chosen so that as a result of collisions at the entrance of the particles of the third group into the triangular profile, they lose their initial impulse. The value of h p max can be reduced by half if we take into account that the real profile has the form depicted in FIG. 5, therefore, the particulate, reflected from region K, experiences another n st collisions upon exiting the triangular profile. Thus, for locking particles on a triangular profile (Fig. 5), it is necessary to eliminate the first group of particles. Consider the conditions for their locking. The latter is due to the fact that, firstly, the angle of entry of the particles increases from a value enclosed in the range 0 <γ <α p after the first collision with a triangular profile to a value enclosed in the range γ = α p ÷ 2α p and during the second collision of the particles with a triangular profile, their new entry angle γ = α p ÷ 2 α p corresponds to the second group of particles. Secondly, the fact that the particles are reflected according to the law tgφ = K in tgψ, where φ and ψ are the angles of incidence and reflection, respectively, K in is the recovery coefficient (K in ~ 0.5). In this case, the start of locking corresponds to the case when, after the first collision with the profile, the particles in the region r NT begin to propagate radially, and not to the output end. Moreover, as α p decreases, they have a velocity component to the input end of the plasma duct. This condition corresponds to the upper value of α p equal to
Figure 00000111
,
where D t - the transverse size of the transportation zone,
r to - the radius of the cathode (target),
F is the value of the straight line segment passing through the end working surface at the point D t / 2 + r k and the point of tangency to the surface of the plasma duct in the region of the cylinder r NT . With further reduction α n droplet phase already starts to experience two collisions in the region between adjacent protrusions profiles r. E. More than one in the absence of the profile. This condition corresponds to the upper value of α p equal to
Figure 00000112
.

По мере дальнейшего уменьшения αп число столкновений между соседними выступами (tп) увеличивается и их можно рассматривать как области стока капельной фазы.With a further decrease in α p, the number of collisions between adjacent protrusions (t p ) increases and they can be considered as regions of the runoff of the droplet phase.

Возможен второй вариант профилирования внутренней поверхности корпуса, фиг. 6. В данном случае угол влета для третьей группы заключен в диапазоне

Figure 00000113
, для второго: αп< γ2< 5αп.A second variant of profiling the inner surface of the housing is possible, FIG. 6. In this case, the angle of entry for the third group is in the range
Figure 00000113
, for the second: α p2 <5α p .

Для первой группы угол влета изменяется в пределах 0 < γ1< αп. В данном случае первая группа распространяется в направлении выходного торца после столкновения с одним выступом, а не двумя, как в случае первого варианта профиля, что является недостатком второго варианта перед первым вариантом профиля. Условия запирания первой группы осуществляются аналогично условиям запирания в первом варианте профиля. По критерию первого столкновения в плазмоводе можно выделить область 1 (фиг. 3), в которой угол β1 изменяется в пределах 0 < β1≤ π , а βт,о= 180°. В этой области каждая макрочастица, вылетевшая с торцевой рабочей поверхности, испытывает хотя бы одно столкновение со стенкой, что для запирания капельной фазы недостаточно, так как существует первая группа макрочастиц при γ < αп и вследствие того, что реальный треугольный профиль отличается от теоретического в области вершины (фиг. 5). Таким образом, на треугольном профиле макрочастицы 32, попавшие между выступами профиля, "запираются", если γ ≥ αп, а не "запираются", если γ < αп, а также не "запираются" макрочастицы 33, попавшие на вершину реального выступа, т.е. для последних макрочастиц стенки "гладкие". Число "не запертых" на вершине профиля макрочастиц после области первого столкновения равно

Figure 00000114
, при новом угле влета частиц первой группы, равном γ = αп-2αп. Эффективность очистки можно повысить путем увеличения угла βТ до 360o. В данном случае можно выделить область II (фиг. 3), в которой угол βII изменяется в пределах 180°< βII< 360°, a βт,о= 180°. В этой области каждая макрочастица, вылетевшая с торцевой рабочей поверхности, испытывает минимум два столкновения, а вершины треугольного профиля области 1 являются источником
Figure 00000115
макрочастиц для области II. Число "не запертых" на вершинах профиля макрочастиц после области II равно
Figure 00000116
. Дальнейшее увеличение угла плазмовода до 540o позволяет выделить в нем область III, в которой угол βIII изменяется в пределах 360o < βIII< 540°, а βт,о= 180°. После этой области каждая макрочастица испытывает минимум три столкновения. Необходимое и достаточное условие полного запирания макрочастиц в плазмоводе можно записать в виде неравенства P•Nк <1, где Nк - число макрочастиц, генерируемых в импульсе плазмы, P - геометрическая вероятность запирания, равная
Figure 00000117
. В этом случае все макрочастицы из общего числа Nк "запираются" в плазмоводе. Эффективность очистки от капельной фазы можно
существенно повысить, если внутри внешнего корпуса расположить дополнительный корпус, внешняя и внутренняя поверхность которого профилированы аналогично внешнему. В данном случае (фиг. 4) уменьшается величина βт,o и она становится меньше 180. Однако уменьшение βт,o по всему сечению плазмовода возможно в том случае, даже при наличии дополнительного корпуса для центральной области плазмовода (фиг. 1) βт,o = 180°, и не зависит от числа дополнительных корпусов. Увеличение числа дополнительных корпусов, если малый диаметр 2r проекции сечения основного корпуса больше нуля 2r > 0, будет повышаться эффективность очистки от капельной фазы, однако их средние диаметры должны быть такими, чтобы βтo для всех зон между корпусами должен быть приблизительно одинаков. В противном случае геометрическая вероятность пролета будет различаться по сечению плазмовода. Характер взаимодействия капельной фазы с внутренней поверхностью камеры смешения аналогичен взаимодействию с поверхностью корпуса (корпусов) плазмовода, поэтому требования к ее профилю аналогичны. Однако наличие камеры смешения увеличивает азимутальный угол βт между входным торцом плазмовода и выходным торцом камеры смешения до величины βт,c т.е. практически появляется новая зона (зоны) столкновения с угловым размером одной зоны столкновения, равным βтo, поэтому условия запирания капельной фазы становятся более жесткими.For the first group, the angle of entry varies within 0 <γ 1p . In this case, the first group extends in the direction of the output end after a collision with one protrusion, and not two, as in the case of the first version of the profile, which is a drawback of the second option before the first version of the profile. The locking conditions of the first group are carried out similarly to the locking conditions in the first version of the profile. According to the criterion of the first collision in the plasma duct, we can distinguish region 1 (Fig. 3), in which the angle β 1 varies in the range 0 <β 1 ≤ π, and β t, o = 180 ° . In this region, each particulate emitted from the end working surface experiences at least one collision with the wall, which is not sufficient for locking the droplet phase, since there is a first group of particulates at γ <α p and because the real triangular profile differs from the theoretical one in region of the peak (Fig. 5). Thus, on a triangular profile, the particles 32 that fall between the protrusions of the profile are “locked” if γ ≥ α p and are not “locked” if γ <α p , and also the particles 33 that are not on the top of the real protrusion are not “locked” , i.e. for the last particles the walls are “smooth”. The number of “non-locked” particles at the top of the particle profile after the first collision region is
Figure 00000114
, at a new angle of entry of particles of the first group equal to γ = α p -2α p . The cleaning efficiency can be increased by increasing the angle β T to 360 o . In this case, we can distinguish region II (Fig. 3), in which the angle β II varies within 180 °II <360 ° , and β t, o = 180 ° . In this region, each particulate emitted from the end working surface experiences at least two collisions, and the vertices of the triangular profile of region 1 are a source
Figure 00000115
particulate for region II. The number of “non-locked” particles at the vertices of the profile of particles after region II is
Figure 00000116
. A further increase in the angle of the plasma duct to 540 o allows you to select region III in it, in which the angle β III varies within 360 oIII <540 ° , and β t, o = 180 ° . After this area, each particle experiences a minimum of three collisions. A necessary and sufficient condition for the complete locking of the particles in the plasma duct can be written in the form of the inequality P • N k <1, where N k is the number of particles generated in the plasma pulse, P is the geometric probability of locking equal to
Figure 00000117
. In this case, all of the particulates from a total of N to the "locked" in the plasma guide. The efficiency of cleaning from the droplet phase can
significantly increase if an additional case is located inside the external case, the external and internal surface of which is profiled similarly to the external. In this case (Fig. 4), the value of β t, o decreases and it becomes less than 180. However, a decrease in β t, o over the entire cross section of the plasma duct is possible even if there is an additional housing for the central region of the plasma duct (Fig. 1) β t, o = 180 ° , and does not depend on the number of additional buildings. Increasing the number of additional shells when small diameter 2r NT projection section of the main body is greater than zero 2r NT> 0, will increase the cleaning efficiency of the droplet phase, however, their average diameter should be such that the β verily for all zones between the housings should be about the same. Otherwise, the geometric probability of span will vary across the cross section of the plasma duct. The nature of the interaction of the droplet phase with the inner surface of the mixing chamber is similar to the interaction with the surface of the plasma duct body (s), therefore, the requirements for its profile are similar. However, the presence of the mixing chamber increases the azimuthal angle β t between the input end of the plasma duct and the output end of the mixing chamber to β t, c i.e. practically there is a new zone (s) of collision with a collision angular size area equal to verily β, so dropping the phase locking conditions become more stringent.

Таким образом, характер распространения макрочастиц в плазмооптических системах (и камерах смешения) определяется характером взаимодействия твердых частиц с поверхностью корпуса (корпусов), поэтому все геометрические размеры узлов устройства должны определяться из необходимых и достаточных условий запирания капельной фазы на треугольном профиле внутренней поверхности корпуса (корпусов) и которые физически сводятся, во-первых, к погашению кинетической энергии при неупругих столкновениях микрочастица ---> поверхность профиля Кв-й части энергии (где Кв - коэффициент восстановления, Кв ~ 0,5) на одно столкновение и, во-вторых, изменению направления исходного импульса микрочастиц при столкновениях в направлении к входному торцу плазмовода или внутрь треугольного профиля. При этом лимитирующими геометрическими параметрами устройства являются характеристики треугольного профиля (шаг, высота, угол при вершине и величина затупления вершины), а также азимутальный угол βт(и βт,с) разворота торцов плазмовода (или плазмоводов и камер смешения). Причем эти параметры являются воспроизводимыми техническими характеристиками, закладываемыми на этапе его изготовления (плазмоводов и камеры смешения).Thus, the nature of the propagation of macroparticles in plasma-optical systems (and mixing chambers) is determined by the nature of the interaction of solid particles with the surface of the housing (housings), therefore, all geometric dimensions of the device nodes must be determined from the necessary and sufficient conditions for locking the droplet phase on the triangular profile of the inner surface of the housing (housings) ) and which are physically reduced, firstly, to the extinction of kinetic energy in inelastic collisions, a microparticle ---> the profile surface K at the nth hour energy (where K in is the recovery coefficient, K in ~ 0.5) per one collision and, secondly, a change in the direction of the initial pulse of microparticles during collisions in the direction to the input end of the plasma duct or inside a triangular profile. In this case, the limiting geometric parameters of the device are the characteristics of the triangular profile (step, height, angle at the apex and the dullness of the vertex), as well as the azimuthal angle β t (and β t, s ) of the reversal of the ends of the plasma duct (or plasma ducts and mixing chambers). Moreover, these parameters are reproducible technical characteristics laid down at the stage of its manufacture (plasma ducts and mixing chambers).

По мере транспортирования в плазмоводах потоки плазмы очищаются на профилированной (резьбовой) внутренней поверхности от капельной фазы и поступают в область скрещенных

Figure 00000118
полей камеры смешения (магнитного поля
Figure 00000119
соленоидов камеры смешения и радиального электрического поля
Figure 00000120
корпуса камеры смешения), где они смешиваются и в виде многокомпонентного однофазного потока плазмы поступают в область конденсации через выходной торец камеры смешения.As transportation in the plasma ducts, the plasma flows are cleaned from the droplet phase on the profiled (threaded) inner surface and enter the crossed region
Figure 00000118
fields of the mixing chamber (magnetic field
Figure 00000119
mixing chamber solenoids and radial electric field
Figure 00000120
mixing chamber bodies), where they are mixed and in the form of a multicomponent single-phase plasma flow enter the condensation region through the output end of the mixing chamber.

Камера смешения должна соответствовать в совокупности ряду требований:
1) условиям однородного радиального смешения,
2) однородности покрытий по толщине,
3) минимальным энергетическим затратам на создание скрещенных полей

Figure 00000121
,
4) минимальным потерям плазмы на этапе смешения,
5) запиранию капельной фазы (остатка от этапа транспортирования),
6) отсутствие перекрытого массопереноса между каналами устройства.The mixing chamber must meet in the aggregate a number of requirements:
1) the conditions of uniform radial mixing,
2) uniformity of coatings in thickness,
3) minimum energy costs for creating crossed fields
Figure 00000121
,
4) minimal plasma losses at the mixing stage,
5) locking the droplet phase (residue from the transportation stage),
6) the absence of an overlapped mass transfer between the channels of the device.

Первое требование лимитируется величиной ri (точнее соотношением ri и Dс(ri >Dс, ri<Dс и λii и Dcii> Dc, λii< Dc), а также величинами γNC и lc1, где Dс - диаметр камеры смешения γNC - величина угла при вершине камеры смешения (практически угол слияния исходных) потоков плазмы; lс1 - величина длины области смешения (выходного сегмента камеры смешения, см, описание способа изготовления устройства). Влияние ri и λii на смешение было рассмотрено ранее.The first requirement is limited by the value of r i (more precisely, by the ratio of r i and D c (r i > D c , r i <D c and λ ii and D cii > D c , λ ii <D c ), as well as NC and l c1 , where D с is the diameter of the mixing chamber γ NC is the value of the angle at the apex of the mixing chamber (practically the angle of fusion of the initial) plasma flows; l c1 is the length of the mixing region (output segment of the mixing chamber, see description of the device manufacturing method) The effect of r i and λ ii on mixing was considered previously.

В зависимости от величины γNC в камере смешения имеются два предельных варианта: а) "лобовое" столкновение потоков плазмы, когда γNC= π и б) γNC= 0.
Для практики неприемлем ни первый а) ни второй б) случаи: а)вследствие больших потерь плазмы и низкой однородности покрытий по толщине и по составу, а случай б) вследствие технических трудностей в реализации, но в этом варианте минимальны потери плазмы, можно добиться высокой однородности по толщине и составу покрытия. Поэтому величина γNC должна быть оптимизирована в диапазоне 0 < γNC < π. Оптимальным является вариант, когда γNC= 180°-2αNT.
Рассмотрим влияние lс1. В камере смешения кроме углового размера γNC имеются два линейных, которые должны быть оптимизированы. Первый линейный размер - это расстояние от выходного торца камеры смешения до области пространственного сведения потоков плазмы и которое в сущности является длиной смешивания lc1 (или длина выходного сегмента, см. описание способа изготовления устройства). Второй линейный размер от области пространственного сведения потоков плазмы до ее входных торцов (или длина входного сегмента lс2, см. описание способа изготовления устройства). Величина lс2 определяется из условия радиальной стыковки камеры смешения с системой многозаходных винтовых плазмоводов, а так как радиальные размеры последних оптимизированы, отсюда вытекает величина lс2, равная

Figure 00000122
.Depending on the value of γ NC in the mixing chamber, there are two limiting options: a) frontal collision of plasma flows when γ NC = π and b) γ NC = 0.
For practice, neither the first a) nor the second b) cases are acceptable: a) due to large plasma losses and low uniformity of coatings in thickness and composition, and case b) due to technical difficulties in implementation, but in this embodiment plasma losses are minimal, high uniformity in thickness and composition of the coating. Therefore, γ NC should be optimized in the range 0 <γ NC <π. The best option is when γ NC = 180 ° -2α NT .
Consider the effect of l c1 . In the mixing chamber, in addition to the angular size γ NC, there are two linear ones that must be optimized. The first linear dimension is the distance from the output end of the mixing chamber to the spatial information region of the plasma flows and which in essence is the mixing length l c1 (or the length of the output segment, see the description of the manufacturing method of the device). The second linear dimension from the spatial domain of the plasma flows to its input ends (or the length of the input segment l s2 , see the description of the manufacturing method of the device). The value of l c2 is determined from the condition of radial docking of the mixing chamber with a system of multi-pass screw plasma ducts, and since the radial dimensions of the latter are optimized, this implies the value of l c2 equal to
Figure 00000122
.

Величину lс1 в случае условий смешения можно оптимизировать, исходя из условия хотя бы одного столкновения ионной компоненты с энергетическим барьером Uсм. камеры смешения, что хаотизирует исходное (до смешения) радиальное распределение элементов (ионов). Следовательно,

Figure 00000123

(см. фиг. 33). Величина однородности покрытий по толщине после камеры смешения определяется величиной однородности магнитного поля
Figure 00000124
в зоне конденсации и которая в свою очередь определяется рядом факторов:
а) величиной γN,CN,T) и б) величиной lс1, а также длиной соленоида с тыльной стороны подложки.The value of l c1 in the case of mixing conditions can be optimized based on the condition of at least one collision of the ion component with the energy barrier U see the mixing chamber, which randomizes the initial (before mixing) radial distribution of elements (ions). Consequently,
Figure 00000123

(see Fig. 33). The uniformity of coatings in thickness after the mixing chamber is determined by the uniformity of the magnetic field
Figure 00000124
in the condensation zone and which in turn is determined by a number of factors:
a) the value of γ N, CN, T ) and b) the value of l s1 , as well as the length of the solenoid on the back of the substrate.

Указанные величины уже рассматривались из условия смешения. Необходимо отметить, что изменение этих величин для удовлетворения условий смешения и однородности покрытий не являются противоречивыми: т.е. по мере увеличения lс1 и уменьшения γN,C характеристики улучшаются.The indicated values have already been considered from the mixing condition. It should be noted that a change in these values to satisfy the mixing conditions and uniformity of coatings are not contradictory: i.e. as l c1 increases and γ N, C decreases , the characteristics improve.

Необходимо отметить, что характер токопереноса на профилированную поверхность камеры смешения аналогичен токопереносу на профилированную поверхность корпуса плазмовода, поэтому требования аналогичны. В этом случае, когда оба корпуса гальванически соединены, реализуется случай параллельного включения сопротивлений Rксп Rкп.It should be noted that the nature of the current transfer to the profiled surface of the mixing chamber is similar to the current transfer to the profiled surface of the plasma duct body, therefore, the requirements are similar. In this case, when both cases are galvanically connected, the case of parallel connection of the resistances R ksp R kp is realized .

Коэффициент транспортирования плазмы (производительность), а также однородность покрытий по толщине в устройстве для получения многокомпонентных потоков плазмы путем их синтеза зависит от величин

Figure 00000125
и топологии суммарного магнитного поля
Figure 00000126
в плазмоводах и камере смешения.The plasma transport coefficient (productivity), as well as the uniformity of the coatings over the thickness in the device for obtaining multicomponent plasma flows through their synthesis, depends on the values
Figure 00000125
and topology of the total magnetic field
Figure 00000126
in plasma ducts and mixing chamber.

Отсутствие взаимного влияния совмещенных плазмоводов будет наблюдаться только в том случае, если величина магнитного потока полей рассеяния в каждом из плазмоводов будет равна нулю, т.е. ΔФ = 0. В противном случае будут наблюдаться частичные замыкания силовых линий магнитного поля на корпус плазмовода, что обусловливает снижение коэффициента транспортирования (производительности), так как в каждом из смешиваемых потоков теряется (уходит в стенку) часть плазмы рабочих веществ: Δn ~ ΔФN,T. Аналогично и для камеры смешения. Взаимное влияние магнитных полей совмещенных плазмоводов может быть двух типов: путем изменения однородности магнитного поля или изменения топологии поля. В совмещенных криволинейных системах отсутствуют варианты с ΔФN,Т= 0, но в любом плазмоводе винтовой конструкции эта величина меньше, чем в случае тороидальных плазмоводов. Поэтому с точки зрения уменьшения потерь плазмы рабочих веществ и равномерности толщины покрытий в устройстве, система из винтовых плазмоводов является предпочтительной по сравнению с системой из тороидальных плазмоводов при равнозначном эффекте сепарации капельной фазы в обоих вариантах. Кроме того, в них неограничен азимутальный угол между торцами, а следовательно, степень сепарации капельной фазы.The absence of mutual influence of the combined plasma ducts will be observed only if the magnetic flux of the scattering fields in each of the plasma ducts is zero, i.e. ΔФ NT = 0. Otherwise, partial closures of the magnetic field lines to the plasma duct body will be observed, which leads to a decrease in the transport coefficient (productivity), since in each of the mixed flows part of the plasma of the working substances is lost (goes into the wall): Δn ~ ΔФ N, T. Similarly for the mixing chamber. The mutual influence of magnetic fields of combined plasma ducts can be of two types: by changing the uniformity of the magnetic field or by changing the field topology. In combined curvilinear systems there are no options with ΔФ N, Т = 0, but in any spiral duct plasma duct this value is less than in the case of toroidal plasma ducts. Therefore, from the point of view of reducing the plasma loss of the working substances and the uniformity of the coating thickness in the device, a system of screw plasma ducts is preferable compared to a system of toroidal plasma ducts with the equivalent droplet phase separation effect in both cases. In addition, the azimuthal angle between the ends, and therefore the degree of separation of the droplet phase, is unlimited in them.

На практике габариты устройства (плазмоводы, камеры смешения) являются лимитирующим фактором, в частности, это обусловливается пролетными и центробежными эффектами разделения компонент плазмы, а также потерями плазмы, т.к. магнитный поток и поток электронов (ионов) пропорционален площади внутренней поверхности корпуса плазмовода, поэтому она должна быть минимальна (т.е. минимальный объем). Уменьшение габаритов устройства из винтовых плазмоводов сводится к уменьшению радиальных и продольных размеров. Радиальные размеры будут наименьшими, когда обеспечена плотная компоновка винтовых плазмоводов в плоскости поперечного сечения, см. фиг. 10. Минимальное расстояние между ними определяется из величины технологического зазора hТ.In practice, the dimensions of the device (plasma ducts, mixing chambers) are a limiting factor, in particular, this is due to the span and centrifugal effects of separation of the plasma components, as well as plasma losses, because the magnetic flux and the flux of electrons (ions) are proportional to the area of the inner surface of the plasma duct body, therefore, it should be minimal (i.e., the minimum volume). The reduction in the size of the device from screw plasma ducts is reduced to a decrease in radial and longitudinal dimensions. The radial dimensions will be smallest when a tight arrangement of screw plasma ducts is provided in the plane of the cross section, see FIG. 10. The minimum distance between them is determined from the value of the technological gap h T.

Условие наименьших радиальных габаритов формируется следующим образом: в плоскости А-А (фиг. 10) по окружности радиуса r равномерно и с зазором 2hТ относительно друг друга распределены N эллипсов с малой осью OТ, равной внешнему радиусу обмотки корпуса плазмовода (фиг. 10), образующих с осью О угол

Figure 00000127
. Рассмотрим прямоугольный треугольник Δ СОМ (фиг. 11):
Figure 00000128

Получаем величину
Figure 00000129

Продольные габариты устройства будут наименьшими, когда обеспечена плотная компоновка винтовых плазмоводов в плоскости продольного сечения, проходящей через центральную ось О конструкции, т.е. когда в одном шаге системы многозаходных винтовых цилиндров укладывается N плазмоводов с внешним диаметром DТ и зазором 2hТ. Последнее условие запишется в виде
Figure 00000130
, где Lэ - величина дуги эллипса АВ (см. фиг. 11).Conditions smallest radial dimensions is formed as follows: in the plane A-A (Figure 10.) At r NT radius circumferentially evenly and with a gap 2h T relative to each other are distributed N ellipse with the minor axis O T equal to the outer radius of the winding duct body (FIG. 10) forming an angle with the axis O
Figure 00000127
. Consider a right triangle Δ COM (Fig. 11):
Figure 00000128

We get the value
Figure 00000129

The longitudinal dimensions of the device will be the smallest when a tight arrangement of screw plasma ducts is provided in the plane of the longitudinal section passing through the central axis O of the structure, i.e. when N plasma ducts with an external diameter D T and a gap of 2h T are stacked in one step of a multi-start screw cylinder system. The last condition is written as
Figure 00000130
, where L e - the magnitude of the arc of the ellipse AB (see Fig. 11).

Выражая параметры эллипса а, в и ε через конкретные выражения и подставив полученную величину Lэ в выражение

Figure 00000131
,
а величину H в равенство
Figure 00000132

(см. фиг. 12), получаем уравнение для нахождения величины αNT
Figure 00000133
,
где E(...) эллептический интеграл второго рода.Expressing the parameters of the ellipse a, b and ε through specific expressions and substituting the obtained value of L e in the expression
Figure 00000131
,
and the value of H in the equality
Figure 00000132

(see Fig. 12), we obtain the equation for finding α NT
Figure 00000133
,
where E (...) is an elliptic integral of the second kind.

Отклонение величины αNT и r в меньшую сторону от указанного в равенствах ведет к невозможности реальной сборки устройства, так как в этом случае поверхности плазмоводов начинают взаимно пересекаться. Отклонение величин αNT и r в сторону увеличения от указанных ведет к неоправданному увеличению габаритов устройства и, следовательно, потерям плазмы на избыточных поверхностях плазмоводов и увеличению роли пролетных эффектов на состав покрытий. Последние замечания относятся и к камере смешения.Deviation of α NT and r NT values to a smaller side from that indicated in the equalities leads to the impossibility of real assembly of the device, since in this case the surfaces of the plasma ducts begin to intersect. Deviation quantities r and α NT NT upwards from the said leads to an unjustified increase of the device size and, consequently, the plasma losses on the plasma duct redundant surfaces and increase the role of transit effects on the composition of the coatings. Recent comments apply to the mixing chamber.

Возможны три варианта устройства для получения покрытий согласно критерию количества камер смешения и количества систем многозаходных винтовых плазмоводов: во-первых, одна камера смешения и одна или несколько систем многозаходных винтовых плазмоводов, во-вторых, несколько камер смешения (т. е. выходной торец одной соединен с одним из входных торцов другой камеры смешения) и одна система многозаходных винтовых плазмоводов и; в-третьих, несколько камер смешения и несколько систем многозаходных винтовые плазмоводов. Во всех вариантах оптимальная величина угла γN,m определяется из условия γN,m≤ 180°-2αNT, где N - число плазмоводов в системе эквидистантных многозаходных винтовых плазмоводов, m - число систем эквидистантных многозаходных винтовых плазмоводов в устройстве. Радиус основания ZСNm в данном случае определяется из выражения

Figure 00000134

hтm - величина технологического зазора между системами многозаходных винтовых плазмоводов. В области подложки вследствие наличия системы N многозаходных винтовых плазмоводов или m подобных систем, во-первых, неравномерно распределение силовых линий магнитного поля и, во-вторых, из-за кручения вектор
Figure 00000135
не перпендикулярен поверхности подложки, что в совокупности ухудшает равномерность покрытия и возможность конденсации на профилированные подложки без "подпыла" на вертикальные стенки. Указанные недостатки можно частично снять путем расположения с тыльной стороны подложки N соленоидов или полностью путем симметричного расположения относительно плоскости подложки (или двух подложек, сложенных вместе (устройства и просто магнитной системы) или двух аналогичных устройств, причем направления кручения винтовых плазмоводов в обоих устройствах противоположны, а соленоиды плазмоводов включены согласно (см. фиг. 15). В противном случае, когда направления кручения плазмоводов одинаковы, проблема усугубляется, так как суммируемые векторы магнитных полей соленоидов плазмоводов в области подложки имеют одинаковое направление, а в случае, когда направления противоположны, то суммарный вектор
Figure 00000136
области конденсации перпендикулярен поверхности пoдложки. Последнее справедливо, если соленоиды плазмоводов включены согласно, так как в противном случае в области подложки реализуется топология магнитного поля антипробкотрона, что устраняет перпендикулярность суммарного магнитного поля
Figure 00000137
поверхности подложки, и снижает, кроме того, производительность. Таким образом симметричное расположение с обратным кручением при согласном включении обеспечивает повышение производительности в 2 раза при реализации требований, изложенных в цели изобретения.Three variants of the device for producing coatings are possible according to the criterion of the number of mixing chambers and the number of systems of multi-pass screw plasma ducts: firstly, one mixing chamber and one or more systems of multi-pass screw plasma ducts, and secondly, several mixing chambers (i.e., the output end face of one connected to one of the input ends of the other mixing chamber) and one system of multi-pass screw plasma ducts and; thirdly, several mixing chambers and several systems of multi-pass screw plasma ducts. In all cases, the optimal value of the angle γ N, m is determined from the condition γ N, m ≤ 180 ° -2α NT , where N is the number of plasma ducts in the system of equidistant multi-start screw plasma ducts, m is the number of systems of equidistant multi-start screw plasma ducts in the device. The radius of the base Z CNm in this case is determined from the expression
Figure 00000134

h tm - the size of the technological gap between systems of multiple screw plasma ducts. In the substrate region, due to the presence of a system of N multi-helical plasma ducts or m similar systems, firstly, the distribution of magnetic field lines is uneven and, secondly, because of torsion, the vector
Figure 00000135
not perpendicular to the surface of the substrate, which together worsens the uniformity of the coating and the possibility of condensation on the profiled substrates without "dusting" on the vertical walls. These disadvantages can be partially removed by arranging N solenoids on the back of the substrate or completely by symmetrically positioning relative to the plane of the substrate (or two substrates stacked together (a device and simply a magnetic system) or two similar devices, the torsion directions of the screw plasma ducts in both devices being opposite, and the plasma duct solenoids are turned on according to (see Fig. 15). Otherwise, when the torsion directions of the plasma ducts are the same, the problem is aggravated, since s of the magnetic field of solenoids plasma ducts in the region of the substrate in the same direction, and in the case when the directions are opposite, the total vector
Figure 00000136
the condensation area is perpendicular to the surface of the substrate. The latter is true if the plasma duct solenoids are switched on according to, since otherwise the topology of the magnetic field of the antiprobotron is realized in the region of the substrate, which eliminates the perpendicularity of the total magnetic field
Figure 00000137
surface of the substrate, and reduces, in addition, performance. Thus, a symmetric arrangement with reverse torsion with consonant inclusion provides a 2-fold increase in productivity when implementing the requirements set forth in the purpose of the invention.

Надежность работы и уровень примесей в генераторе плазмы твердых веществ с лазерным узлом поджига может изменяться за счет массопереноса с торцевой рабочей поверхности катода на окно ввода (или прозрачный экран) как в режиме поджига, так и в режиме горения основного разряда, когда массообмен максимален и происходит последующая регенерация их прозрачности лазерным излучением. Последнее обусловливает рост шероховатости рабочей поверхности окна ввода (или прозрачного экрана), а также привнесенных химических примесей в направлении к торцевой рабочей поверхности расходуемого катода. Указанный массоперенос осуществляется потоком плазмы, который содержит капельную фазу, ионизованную и нейтральную компоненты. Для устранения осаждения капельной фазы на окно ввода (или прозрачный экран) их необходимо установить на расстоянии от торцевой рабочей поверхности катода, при пролете которого капельная фаза остывает (происходит фазовый переход жидкости в твердое тело) и упруго отражается от их поверхности: т.е. случай длиннофокусной линзы. С целью снижения потока ионизованной и нейтральной компонент плазмы на поверхность окна ввода (или прозрачный экран) расстояние от торцевой рабочей поверхности до фокусирующей системы должно быть больше, чем фокусное расстояние последней. Подобное техническое решение позволяет, во-первых, использовать диафрагму, разместив ее на оптической оси узла поджига между торцевой рабочей поверхностью и окном ввода излучения на расстоянии, равном фокусному расстоянию фокусирующей системы, и, во-вторых, уменьшить рост глубины кратера в зоне фокусирования лазерного излучения на торцевой рабочей поверхности, и в-третьих, согласовать величину диаметра Dд в диафрагме с величиной слоя Ленгмюра (Dд <lленгм). В этом случае лазерное излучение частично расфокусировано, что обусловливает уменьшение глубины кратера в режиме поджига и соразмерность его роста с его уменьшением за счет эрозии торцевой рабочей поверхности в режиме горения основного разряда. Использование диафрагмы позволяет уменьшить поток плазмы на окно ввода излучения.The reliability and level of impurities in the plasma of solids with a laser ignition unit can vary due to mass transfer from the end working surface of the cathode to the input window (or transparent screen) both in the ignition mode and in the main discharge combustion mode, when mass transfer is maximal and occurs subsequent regeneration of their transparency by laser radiation. The latter leads to an increase in the roughness of the working surface of the input window (or transparent screen), as well as introduced chemical impurities towards the end working surface of the sacrificial cathode. The specified mass transfer is carried out by a plasma stream, which contains a droplet phase, ionized and neutral components. To eliminate the deposition of the droplet phase onto the input window (or transparent screen), they must be installed at a distance from the end working surface of the cathode, during which the droplet phase cools down (there is a phase transition of the liquid into a solid) and is elastically reflected from their surface: i.e. case of a telephoto lens. In order to reduce the flow of ionized and neutral plasma components to the surface of the input window (or a transparent screen), the distance from the end working surface to the focusing system should be greater than the focal length of the latter. Such a technical solution allows, firstly, to use the diaphragm by placing it on the optical axis of the ignition unit between the end working surface and the radiation input window at a distance equal to the focal length of the focusing system, and, secondly, to reduce the growth of the crater depth in the laser focusing zone radiation on the end working surface, and thirdly, to coordinate the diameter D d in the diaphragm with the size of the Langmuir layer (D d <l Langm ). In this case, the laser radiation is partially defocused, which leads to a decrease in the crater depth in the ignition mode and its growth is commensurate with its decrease due to erosion of the end working surface in the main discharge combustion mode. The use of a diaphragm reduces the plasma flow to the radiation input window.

Практически минимальная величина Dд выбирается такой, чтобы, во-первых, лазерное излучение в фокусе не вызывало эрозии материала диафрагмы в режиме поджига и горения основного разряда (за счет возбуждения анодных пятен на диафрагме), что снижает уровень химической чистоты потока плазмы по сравнению с исходным уровнем чистоты вещества расходуемого катода. И, во-вторых, величина отверстия в диафрагме Dд ограничивается снизу величиной диаметра dк капель: Dд >dк. Сверху величина диаметра Dд диафрагмы ограничивается величиной слоя Ленгмюра: Dд < lленгм.
В данном случае положительный скачок потенциала у анода (+ΔUa) захватывает область отверстия диафрагмы, и ионная компонента отражается потенциальным барьером ΔUа от отверстия в плазму. В отверстие диафрагмы может пройти ионизованная компонента (ионы), энергия которых больше величины скачка потенциала +ΔUа. В противном случае (когда Dд >lленгм потенциальный барьер (+ ΔUа) вблизи оптической оси диафрагмы отсутствует и ионы беспрепятственно проходят через отверстие в диафрагме. Кроме того, величину потока плазмы через диафрагму можно снизить, если толщину S диафрагмы принять равной S=(3-4)Dд. В данном случае полость диафрагмы размером DдxS является полым анодом, поэтому плазма в данном случае проникает в полость на несколько калибров последней. Оптимизация размеров диафрагмы позволяет снизить поток ионов плазмы через отверстие на окно ввода излучения, что повышает надежность работы генератора плазмы и уровень чистоты потока плазмы. Величина Dд диафрагмы имеет физические ограничения сверху - lленгм и снизу - dк. При этом lленгм определяет условие "запирания" ионной компоненты плазмы, а величина dк- - ввода лазерного излучения. Оптимальная величина Dд расположена между этими крайними значениями.
Almost the minimum value of D d is chosen so that, firstly, the laser radiation in focus does not cause erosion of the material of the diaphragm in the ignition and combustion mode of the main discharge (due to the excitation of the anode spots on the diaphragm), which reduces the level of chemical purity of the plasma stream in comparison with initial level of purity of the substance of the sacrificial cathode. And, secondly, the size of the hole in the diaphragm D d is limited from below to the diameter d to drops: D d > d k . From above, the diameter D d of the diaphragm is limited by the size of the Langmuir layer: D d <l Langm.
In this case, the positive potential jump at the anode (+ ΔU a ) captures the region of the diaphragm hole, and the ion component is reflected by the potential barrier ΔU a from the hole into the plasma. An ionized component (ions) can pass into the aperture of the diaphragm, whose energy is greater than the value of the potential jump + ΔU a . Otherwise (when D d > l Langm the potential barrier (+ ΔU a ) near the optical axis of the diaphragm is absent and ions pass through the hole in the diaphragm unhindered. In addition, the plasma flow through the diaphragm can be reduced if the thickness of the diaphragm S is taken to be S = (3-4) D d . In this case, a diaphragm cavity of size D d xS is a hollow anode, so the plasma in this case penetrates the cavity several calibers of the latter. Optimizing the size of the diaphragm reduces the flow of plasma ions through the hole to the input window cheniya, which increases the reliability of the plasma generator and the level of the plasma stream purity size D d of the diaphragm has a physical upper limit -. l lengm and bottom -. d a However l lengm determines the condition of "locking" the ionic component of the plasma, and the value d k - - input laser radiation The optimal value of D d located between these extreme values.

Величина расстояниях d между торцевой рабочей поверхностью расходуемой мишени и фокусирующей линзой ограничено минимальной величиной, равной f, когда диафрагма находится в области торцевой рабочей поверхности и максимальной, равной 2f, когда равны диаметры (и плотности) исходного лазерного излучения (до линзы) и сфокусированного (после линзы) на расходуемом катоде. The distance d between the end working surface of the sacrificial target and the focusing lens is limited to a minimum value of f when the diaphragm is in the region of the end working surface and maximum equal to 2f when the diameters (and density) of the initial laser radiation (to the lens) and focused ( after the lens) on the sacrificial cathode.

Надежность работы генератора плазмы можно увеличить при снижении уровня привнесенных примесей, если, во-первых, лучепровод лазерного излучения между диафрагмой и окном ввода гальванически изолировать от анода и заземлить или подать отрицательный потенциал и, во-вторых, перед окном ввода расположить подвижный в продольном направлении прозрачный экран, закрепленный в механизме подачи и перемещаемый механизмом регулирования длины гофрированной трубки. В первом случае в лучепроводе устраняется отражающий потенциальный барьер (+ ΔUа) и ионы осаждаются на поверхности лучепровода, во втором случае, по мере запыления части прозрачного экрана за счет остаточного массопереноса, в поток лазерного излучения вводится синхронно с расходуемой мишенью чистая рабочая поверхность прозрачного экрана.The reliability of the plasma generator can be increased by reducing the level of introduced impurities, if, firstly, the laser beam between the diaphragm and the input window is galvanically isolated from the anode and grounded or applies a negative potential, and secondly, a longitudinally movable beam is placed in front of the input window a transparent screen fixed in the feed mechanism and moved by a mechanism for controlling the length of the corrugated tube. In the first case, the reflecting potential barrier (+ ΔU a ) is eliminated in the beam line and ions are deposited on the surface of the beam line, in the second case, as part of the transparent screen is dusted due to the residual mass transfer, a clean transparent surface of the transparent screen is introduced into the laser beam synchronously with the target being consumed .

Для устранения массопереноса и влияния регенерации на химический состав в области между диафрагмой и окном ввода устанавливается нормально открытая заслонка в виде рычага, который приводится в движение электромагнитной системой, включающей якорь, соединенный с меньшим рычагом заслонки, а также магнитопровод и две катушки, расположенные в магнитопроводе. Одна из катушек включена последовательно в цепь разряда ламп накачки излучателя, а вторая - согласно с первой и последовательно в цепь разряда генератора плазмы. Подобное включение катушек позволяет предварительно привести в движение (разогнать) заслонку с якорем перед возбуждением разряда в генераторе, что позволяет, во-первых, избежать прохождения капельной фазы и нейтральной компоненты на переднем фронте тока разряда в генераторе плазмы вследствие инерционности (разгона) заслонки и якоря и, во-вторых, перекрыть отверстие диафрагмы с максимальной скоростью, так как заслонка к моменту появления тока разряда (массопереноса) уже имеет отличную от нуля скорость. To eliminate mass transfer and the effect of regeneration on the chemical composition in the area between the diaphragm and the input window, a normally open shutter is installed in the form of a lever, which is driven by an electromagnetic system that includes an armature connected to the smaller lever of the shutter, as well as a magnetic circuit and two coils located in the magnetic circuit . One of the coils is connected in series to the discharge circuit of the pump lamps of the emitter, and the second - according to the first and sequentially to the discharge circuit of the plasma generator. Such switching on the coils allows you to pre-set (accelerate) the shutter with the armature before initiating a discharge in the generator, which allows, firstly, to avoid the passage of the droplet phase and the neutral component at the leading edge of the discharge current in the plasma generator due to the inertia (acceleration) of the shutter and the armature and, secondly, block the aperture opening at maximum speed, since the shutter already has a non-zero speed by the time the discharge current (mass transfer) appears.

При этом время перекрытия отверстия в диафрагме уменьшается пропорционально начальной скорости и произведения отношений длин рычагов заслонки и площадей сечения лазерного луча и отверстия в диафрагме. Кроме того, при заданной величине отверстия в диафрагме применение рычага-заслонки позволяет уменьшить ход (δ) якоря (δ~ 0,2 - 0,3 мм), что в свою очередь увеличивает величину силы (скорости) якоря, так как в этой области δ величина силы пропорциональна

Figure 00000138
. Начальное положение (нормально открытое) конца большого рычага-заслонки в области диафрагмы устанавливают путем регулирования, чтобы к моменту прекращения тока разряда лампы накачки край большего рычага-заслонки совпадал с кромкой отверстия в диафрагме, что позволяет беспрепятственно пройти через диафрагму лазерному излучению за время ~10-9 с. За это время положение заслонки остается практически неизменным. Затем происходит перекрытие заслонкой отверстия в диафрагме вплоть до момента прекращения разряда (т.е. массопереноса). После чего осуществляется возвращение пружиной заслонки в нормально открытое состояние до момента следующих импульсов тока накачки в лампе и тока разряда в генераторе.In this case, the overlap time of the hole in the diaphragm decreases in proportion to the initial speed and the product of the ratio of the lengths of the levers of the damper and the cross-sectional areas of the laser beam and the hole in the diaphragm. In addition, for a given value of the aperture in the diaphragm, the use of the shutter-lever allows decreasing the stroke (δ) of the armature (δ ~ 0.2 - 0.3 mm), which in turn increases the strength (speed) of the armature, since in this region δ magnitude of force is proportional
Figure 00000138
. The initial position (normally open) of the end of the large damper lever in the diaphragm region is established by adjusting so that by the time the discharge current of the pump lamp ceases, the edge of the larger damper arm coincides with the edge of the hole in the diaphragm, which allows laser radiation to pass through the diaphragm unhindered for a time of ~ 10 -9 p. During this time, the position of the flap remains virtually unchanged. Then, the shutter closes the opening in the diaphragm until the discharge ceases (i.e., mass transfer). After that, the damper spring returns to the normally open state until the next impulses of the pump current in the lamp and the discharge current in the generator.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что корпус плазмовода в виде винтового цилиндра и корпус камеры смешения с профилированными внутренними поверхностями аппроксимируется совокупностью сваренных сегментов, являющихся элементами прямого полого цилиндра (трубы) с профилированной внутренней поверхностью. The essence of the proposed method lies in the fact that the body of the plasma duct in the form of a screw cylinder and the body of the mixing chamber with profiled inner surfaces is approximated by a combination of welded segments that are elements of a straight hollow cylinder (pipe) with a profiled inner surface.

Возможны два варианта изготовления корпуса винтового плазмовода из сегментов прямой трубы. Первый вариант реализуется в том случае, если плоскости торцов сегмента образуют угол, равный

Figure 00000139
, при этом большие оси эллипса в сечениях развернуты на угол, равный γк, в плоскости, перпендикулярной оси трубы (фиг. 27 и фиг. 28). Второй вариант реализуется в том случае, если плоскости торцов сегмента образуют угол, равный
Figure 00000140
(угол между большими осями эллипсов сечений), т. е. как в первом случае, но в отличие от него малые оси эллипсов в сечениях развернуты на угол, равный γК в диаметральной плоскости трубы. Таким образом, эллипсы сечений в обоих вариантах имеют равные большие оси, но разные малые. Во втором варианте малая ось в
Figure 00000141
раз больше, что обусловливает и большую длину периметра эллипса, поэтому этот вариант менее предпочтителен, так как суммарный вакуумный шов в таком винтовом корпусе больше,
чем в первом варианте, что в свою очередь обусловливает рост трудоемкости изготовления и вероятности образования негерметичности.There are two options for manufacturing a screw plasma duct housing from straight pipe segments. The first option is implemented if the planes of the end faces of the segment form an angle equal to
Figure 00000139
while the large axes of the ellipse in sections are rotated at an angle equal to γ k in a plane perpendicular to the axis of the pipe (Fig. 27 and Fig. 28). The second option is realized if the planes of the end faces of the segment form an angle equal to
Figure 00000140
(the angle between the large axes of the ellipses of the sections), i.e., as in the first case, but in contrast to it, the small axes of the ellipses in the sections are rotated by an angle equal to γ K in the diametrical plane of the pipe. Thus, the ellipses of the cross sections in both cases have equal major axes, but different small ones. In the second embodiment, the minor axis in
Figure 00000141
times more, which leads to a greater length of the perimeter of the ellipse, therefore this option is less preferable, since the total vacuum seam in such a screw housing is greater,
than in the first option, which in turn leads to an increase in the complexity of manufacturing and the likelihood of leakage.

Определим параметры сегмента - расстояние lк и величину угла γК - между нормалями последовательных К сечений прямой трубы для изготовления апроксимацией винтового цилиндра набором прямых сегментов (см. фиг. 29). Для определения lк рассчитаем длину винтовой линии по внутренней поверхности винтового цилиндра. Общая длина винтовой линии равна

Figure 00000142
(см. фиг. 12), причем
Figure 00000143

Таким образом,
Figure 00000144
.We define the parameters of the segment — the distance l k and the angle γ K — between the normals of the consecutive K sections of the straight pipe for the approximation of a screw cylinder by a set of straight segments (see Fig. 29). To determine l to calculate the length of the helix along the inner surface of the screw cylinder. The total length of the helix is
Figure 00000142
(see Fig. 12), and
Figure 00000143

Thus,
Figure 00000144
.

При этом возможны два варианта расчета - по внешнему диаметру системы многозаходных винтовых цилиндров (в этом случае

Figure 00000145
и по внутреннему (когда
Figure 00000146
).In this case, two calculation options are possible - according to the outer diameter of the multi-helical screw cylinder system (in this case
Figure 00000145
and inward (when
Figure 00000146
)

Расчет и изготовление винтового цилиндра по внутреннему диаметру предпочтителен в том плане, что в этой области расстояние между двумя сечениями минимально. Поэтому, зная минимально возможную величину расстояния lсв между двумя сварными швами, можно определить максимальное число сегментов аппроксимации

Figure 00000147
, где Lв - длина винтовой линии.Calculation and manufacture of a screw cylinder according to the internal diameter is preferable in the sense that in this region the distance between the two sections is minimal. Therefore, knowing the minimum possible distance l sv between two welds, we can determine the maximum number of approximation segments
Figure 00000147
where L in - the length of the helix.

Используя разложение в ряд подинтегрального выражения, получаем следующее приближенное выражение для lк:

Figure 00000148

где
Figure 00000149
, причем для винтового цилиндра на один шаг φТ= π.
Определим угол поворота γК между двумя последовательными сечениями сегмента (см. фиг. 29).Using the expansion of a series of integrands, we obtain the following approximate expression for l to :
Figure 00000148

Where
Figure 00000149
, and for a screw cylinder one step φ T = π.
We determine the angle of rotation γ K between two consecutive sections of the segment (see Fig. 29).

Таким образом, γК равно

Figure 00000150

Подобная последовательность операций позволяет изготовить при φт = π винтовой корпус на один шаг винтового цилиндра. Для реализации винтового корпуса на m шагов необходимо изготовить число сегментов, равное к•m.Thus, γ K is equal to
Figure 00000150

Such a sequence of operations makes it possible to fabricate at φ t = π a screw housing for one step of a screw cylinder. To implement a screw housing with m steps, it is necessary to produce the number of segments equal to • m.

Способ изготовления камеры смешения подобен способу изготовления винтовых плазмоводов, т. е. из прямолинейных сегментов профилированной трубы внутренним диаметром Dс. В частном случае Dт-Dс. Камера смешения (фиг. 30) изготавливается из (2N + 1) сегментов: один выходной сегмент 34, N - входных сегментов 35 и N - переходных сегментов 36. Длину выходного сегмента lс1 выбираем из условия хотя бы одного соударения ионной компоненты с энергетическим барьером Uсм стенки (фиг. 33):

Figure 00000151

Из условия стыковки выходного с N входными сегментами, расположенными вдоль образующих ДМ и ДЕ конуса с углом при вершине γNC (см. фиг. 33), следуют требования к геометрии торцов выходного и N входных сегментов. У выходного сегмента торец со стороны входных сегментов получают сечением трубы N плоскостями, каждая из которых наклонена к оси трубы под углом ξ1 (фиг. 33) и повернута относительно соседних по азимуту на угол
Figure 00000152
вокруг оси выходного сегмента (фиг. 35). Величина ξ1 определяется из условия
Figure 00000153
(фиг. 33). Соблюдение соотношения
Figure 00000154
обеспечивает равномерное распределение по азимуту N входных сегментов относительно оси LO (фиг. 33) выходного сегмента, а также стыковку соседних входных сегментов между собой по периметру ДО (фиг. 35). Входные сегменты сопрягаются с выходным путем стыковки их торцов, поэтому каждый из входных сегментов должен иметь часть торца ДС и АВ (фиг. 33), образованного сечением плоскостью, размещенной под углом ξ1 (фиг. 35) относительно трубы (сегмента), а также для сопряжения входных торцов между собой, оставшаяся часть ДО их торцов должна быть образована вторым сечением, двумя скрещенными под углом
Figure 00000155
плоскостями, при этом линия пересечения скрещенных плоскостей должна иметь угол ξ3 с осью трубы (сегмента) и совпадать с осью выходного сегмента, при этом величина ξ3 определяется из соотношения
Figure 00000156
(фиг. 33, фиг. 32). Длину входных сегментов lс2 выбирают из условия равенства радиальных размеров камеры смешения с системой многозаходных винтовых плазмоводов (фиг. 33, фиг. 32), т.е.A method of manufacturing a mixing chamber is similar to the method of manufacturing screw plasma ducts, i.e., from straight segments of a profiled pipe with an inner diameter D c . In the particular case of D t -D with . The mixing chamber (Fig. 30) is made of (2N + 1) segments: one output segment 34, N - input segments 35 and N - transition segments 36. The length of the output segment l c1 is selected from the condition of at least one collision of the ion component with an energy barrier U cm wall (Fig. 33):
Figure 00000151

From the condition of coupling the output with N input segments located along the generators of the DM and DE cones with an angle at the vertex γ NC (see Fig. 33), the geometry requirements for the ends of the output and N input segments follow. At the output segment, the end face from the input segments is obtained by N pipe section by planes, each of which is inclined to the pipe axis at an angle ξ 1 (Fig. 33) and is rotated relative to the azimuthally adjacent ones
Figure 00000152
around the axis of the output segment (Fig. 35). The quantity ξ 1 is determined from the condition
Figure 00000153
(Fig. 33). Compliance ratio
Figure 00000154
provides a uniform distribution in azimuth of N input segments relative to the LO axis (Fig. 33) of the output segment, as well as the joining of adjacent input segments among themselves along the perimeter of the DO (Fig. 35). The input segments are mated to the output by docking their ends, so each of the input segments must have a part of the end face of the DS and AB (Fig. 33), formed by a section by a plane placed at an angle ξ 1 (Fig. 35) relative to the pipe (segment), and for the input ends to be interconnected, the remaining part BEFORE their ends must be formed by a second section, two crossed at an angle
Figure 00000155
planes, while the line of intersection of the crossed planes must have an angle ξ 3 with the axis of the pipe (segment) and coincide with the axis of the output segment, while the value ξ 3 is determined from the relation
Figure 00000156
(Fig. 33, Fig. 32). The length of the input segments l c2 is chosen from the condition that the radial dimensions of the mixing chamber are equal to the system of multi-pass screw plasma ducts (Fig. 33, Fig. 32), i.e.

Figure 00000157

Геометрия камеры смешения существенно отличается от геометрии винтовых плазмоводов, поэтому необходимо осуществить переход от винтовой геометрии плазмоводов с углом захода αNT к прямолинейной по круглым (разъемным) соединениям.
Figure 00000157

The geometry of the mixing chamber differs significantly from the geometry of screw plasma ducts, so it is necessary to make the transition from the screw geometry of plasma ducts with an angle of entry α NT to straight-line along round (detachable) connections.

Данный переход возможен с помощью переходного сегмента, соединяющего каждый входной сегмент камеры смешения с винтовым плазмоводом. Таким образом, один торец переходного сегмента, соединенного с плазмоводом, выполняется сечением, перпендикулярным оси трубы. Второй торец, соединяющийся с входным сегментом, должен обеспечить поворот оси сегмента (нормали торца) в двух плоскостях (фиг. 33, фиг. 31, фиг. 32) на угол ξ1 (фиг. 33) в плоскости осей выходного и входного сегментов (т.е. когда оси выходного и переходного сегментов параллельны в этой плоскости), причем параллельность осей обеспечивает равенство радиальных размеров камеры смешения и системы многозаходных винтовых плазмоводов, которое реализуется (см. фиг. 33) при условии

Figure 00000158

а также поворот плоскости сечения на угол
Figure 00000159
т.е. ξ4 = ξ1
(фиг. 34) в направлении кручения (левое, правое) системы N многозаходных винтовых плазмоводов в плоскости, перпендикулярной плоскостей осей выходного и входного сегментов и параллельной оси выходного сегмента. Аналогично рассмотренному проводится сечение второго торца входных сегментов на расстоянии lс2, что обеспечивает стыковку между входными и переходными сегментами. Введение переходных сегментов обеспечивает угловую стыковку по круглому (т.е. разъемному) сечению системы N многозаходных винтовых плазмоводов с камерой смешения. Необходимо отметить, что при реализации угла
Figure 00000160

в переходных сегментах может произойти нарушение радиальной стыковки, что обусловлено величиной длины lс3 переходного сечения. Причем при величине
Figure 00000161

неизбежно произойдет взаимное пересечение винтовых цилиндров. Поэтому в hт необходимо это учесть путем добавки в hг величины lC3/cosαNT.
Таким образом, требование к длине переходного сегмента можно сформулировать следующим образом: l< lC3< rNTcosαNT, где lсв - минимально возможное расстояние между двумя сварными швами.This transition is possible using a transition segment connecting each input segment of the mixing chamber with a screw plasma duct. Thus, one end of the transition segment connected to the plasma duct is made by a section perpendicular to the axis of the pipe. The second end, connecting with the input segment, must ensure the rotation of the axis of the segment (normal to the end) in two planes (Fig. 33, Fig. 31, Fig. 32) by an angle ξ 1 (Fig. 33) in the plane of the axes of the output and input segments ( i.e., when the axes of the output and transition segments are parallel in this plane), and the parallelism of the axes ensures the equality of the radial dimensions of the mixing chamber and the system of multi-pass screw plasma ducts, which is realized (see Fig. 33) under the condition
Figure 00000158

as well as rotation of the section plane by an angle
Figure 00000159
those. ξ 4 = ξ 1
(Fig. 34) in the torsion direction (left, right) of the system N of multi-pass screw plasma ducts in a plane perpendicular to the planes of the axes of the output and input segments and parallel to the axis of the output segment. Similarly to the considered section of the second end of the input segments is carried out at a distance l s2 , which provides a connection between the input and transition segments. The introduction of transition segments provides an angular docking over a circular (i.e., detachable) section of the system N of multi-pass screw plasma ducts with a mixing chamber. It should be noted that when implementing the angle
Figure 00000160

in the transition segments, a radial docking violation may occur, which is due to the length l c3 of the transition section. Moreover, at
Figure 00000161

inevitably there will be a mutual intersection of the screw cylinders. Therefore, in h t, it is necessary to take this into account by adding l C3 / cosα NT to h g .
Thus, the requirement to the length of the transition segment may be formulated as follows: l CB <l C3 <r NT cosα NT , where communication l - minimum possible distance between the two weldings.

Выполнение сегментов камеры смешения указанным образом с соблюдением приведенных соотношений обеспечивает оптимальный переход от винтовой конструкции плазмооптической системы к камере смешения с выполнением условий герметичности и без нарушения параметров профиля. The execution of the segments of the mixing chamber in this way, in compliance with the above ratios, ensures an optimal transition from the screw design of the plasma-optical system to the mixing chamber with the tightness conditions fulfilled and without violating the profile parameters.

После изготовления N входных, N переходных и одного выходного сегментов производят их сборку путем перемещения в пространстве за счет совмещения периметров частей торца выходного сегмента, выполненных под углом

Figure 00000162

и азимутальным углом
Figure 00000163
,
с частью периметров торцов N выходных сегментов, образованных сечением плоскостью под углом
Figure 00000164
.After manufacturing the N input, N transition and one output segments, they are assembled by moving in space by combining the perimeters of the ends of the end segment end, made at an angle
Figure 00000162

and azimuth angle
Figure 00000163
,
with a part of the perimeters of the ends of the N output segments formed by a plane section at an angle
Figure 00000164
.

При этом происходит стыковка соседних выходных сегментов оставшейся части ДО торцов (см. фиг. 33 и фиг. 35), выполненной сечением скрещенными плоскостями под углами

Figure 00000165
и
Figure 00000166
.In this case, the adjacent output segments of the remaining part of the DO end are docked (see Fig. 33 and Fig. 35), made by cross-section with crossed planes at angles
Figure 00000165
and
Figure 00000166
.

Затем производят сборку переходных сегментов с системой выходного и входных сегментов за счет совмещения свободных торцов N входных сегментов, выполненных под углами

Figure 00000167

с торцами N переходных сегментов, выполненных под углами
Figure 00000168

После сборки осуществляют сварку камеры смешения по внешней поверхности совмещенных торцов. В результате получают конструкцию камеры смешения, которую в свою очередь стыкуют торцами N переходных сегментов с выходными торцами N винтовых плазмоводов, образующих в совокупности с генераторами плазмы устройство для получения покрытий.Then the transition segments are assembled with the system of output and input segments by combining the free ends of the N input segments made at angles
Figure 00000167

with ends N of transition segments made at angles
Figure 00000168

After assembly, the mixing chamber is welded on the outer surface of the combined ends. The result is a design of the mixing chamber, which, in turn, is joined by the ends of N transition segments with the output ends of N screw plasma ducts, which together with the plasma generators form a coating device.

Таким образом, рассмотренные условия изготовления корпуса винтового плазмовода, системы многозаходных винтовых плазмоводов и камеры смешения в совокупности обеспечивают достижение поставленной цели - повышения качества покрытий. Thus, the considered manufacturing conditions for a screw plasma duct housing, multi-pass spiral plasma duct systems and mixing chambers together ensure the achievement of the set goal - improving the quality of coatings.

Claims (22)

1. Способ получения покрытий в вакууме, включающий возбуждение вакуумной дуги длительностью τг в парах материала расходуемого катода путем пробоя межэлектродного промежутка, наложение магнитного поля
Figure 00000169
на области генерирования и транспортирования потока плазмы, генерирование потока плазмы с капельной фазой в катодных пятнах дуги, транспортирование потока плазмы к области конденсации в радиальном электрическом поле
Figure 00000170
потенциала смещения Uсм.т и в скрещенном продольном магнитном поле
Figure 00000171
плазмооптической системы при выполнении условий:
ri > Dт, re < < Dт, ωeτei>1,
где ri, re - ларморовские радиусы иона и электрона соответственно;
Dт - поперечный размер зоны транспортирования;
ωeτei - параметр Холла электронов;
ωe - циклотронная частота электрона;
τei - время электрон-ионных столкновений,
сепарацию потока плазмы от капельной фазы, подачу потенциала смещения на поверхность конденсации, напуск реактивного газа компонента вещества покрытия, смешение и конденсацию потоков плазмы, отличающийся тем, что, с целью повышения качества покрытий и расширения технологических возможностей, состав покрытия задают пространственным разделением вакуумных дуг и регулированием режима их синхронизации на этапе возбуждения, а также регулированием величины заряда электричества, протекающего на этапе генерирования, причем возбуждение вакуумных дуг осуществляют циклически во времени синхронно или последовательно путем инжекции лазерной плазмы, при этом осуществляют дополнительную сепарацию ионов по поперечным импульсам, транспортирование осуществляют в пространственно разделенных областях, а их смешение производят в области пространственного совмещения магнитных полей областей транспортирования в скрещенных
Figure 00000172
- полях после сепарации капельной фазы за счет многократных столкновений ионов с потенциальным барьером Uсм при выполнении условий:
ri > Dсм, re < Dсм, ωeτei>1, λii>Dсм,
где Dсм - поперечный размер области смешения;
λii - длина ион-ионных столкновений,
при этом состав многокомпонентного покрытия А, В, С... задают из условия:
NA/NB/NC=KAtA•CнА•UA/KBtBСнВUB/KCtCСнСUC,
где NA, NB, NC... - концентрации химических элементов А, В, С... в многокомпонентном покрытии;
KA, KB, KC. .. - коэффициенты эрозии плазмообразующих веществ А, В, С, кг/Кл;
tA, tB, tC... - коэффициенты транспортирования потоков плазмы А, В, С,.. . СНА, СНВ и СНС...;
UA, UB, UC - величины емкостей (Ф) и изменений напряжения (В) емкостных накопителей соответственно,
причем последовательность импульсов задают исходя из порядка расположения подрешеток (слоев) формируемой кристаллической элементарной ячейки слоистого вещества покрытия (например, сверхпроводника сэндвич-структура), число импульсов плазмы nA, nB... в последовательности для каждой подрешетки определяют из выражения:
Figure 00000173

где ρA(B)(C) - плотность наносимого материала (химического элемента) в покрытии, кг/м3;
Sт - площадь поперечного сечения А(В)(C) области транспортирования (смешения), мг;
dА(В)(C) - толщина подрешетки А(В)(C) в элементарной ячейке, м;
qА(В)(C) - заряд, протекающий в цепи разряда, Кл;
а число циклов m последовательности импульсов плазмы определяют из равенства dя•m=l, где dя - размер элементарной ячейки в направлении роста покрытия, м; l - толщина покрытия, м; при транспортировании и смешении ионную компоненту плазмы сепарируют от капельной фазы в области слоя Ленгмюра lленгм потенциала смещения Uсм.т путем многократных столкновений с профилированной поверхностью при выполнении условия: Р x Nк<1, где Р - вероятность пролета капли в области транспортирования и смешения, Nк - число капель, генерируемых за импульс, причем генерирование, транспортирование и смешение потоков плазмы осуществляют за время τгт и τсм, определяемые из условия: τгтан.г и τттан.тсмтан.см, где τтан.гтан.ттан.см - время развития соответственно тепловых анодных неустойчивостей, процессов генерирования, транспортирования и смешения потоков плазмы, величину электрического поля Ет потенциала смещения Uсм.т выбирают из выражения:
eUсм.т+ezUсм.п<Wдеф.,
где Wдеф. - энергия дефектообразования на поверхности конденсации,
е - заряд электрона,
Z - кратность ионизации иона,
а величину потенциала смещения Uсм.п при конденсации выбирают из выражения: eUсм.т+ezUcм.п<Wдеф., при этом конденсацию потока плазмы осуществляют в магнитном поле Нк, неоднородность
Figure 00000174
которого задают из соотношения
Figure 00000175
,
где ΔНк - разброс напряженности магнитного поля,
Δl - разброс толщины покрытия,
l - толщина покрытия,
путем наложения магнитного поля на область конденсации и с тыльной стороны области конденсации, причем возбуждение вакуумной дуги осуществляют расфокусированным лазерным излучением длительностью τл при выполнении условия τл≪ τг, а образующийся поток лазерной плазмы направляют в анодную область разряда и перекрывают зону фокуса лазерного излучения.
1. A method of producing coatings in vacuum, including the excitation of a vacuum arc of duration τ g in the vapor of the material of the sacrificial cathode by breaking the interelectrode gap, applying a magnetic field
Figure 00000169
in the field of generating and transporting a plasma flow, generating a plasma flow with a droplet phase in the cathode spots of the arc, transporting the plasma flow to the condensation region in a radial electric field
Figure 00000170
bias potential U cm t and in a crossed longitudinal magnetic field
Figure 00000171
plasmooptical system under the following conditions:
r i > D t , r e <<D t , ω e τ ei > 1,
where r i , r e are the Larmor radii of the ion and electron, respectively;
D t - the transverse size of the transportation zone;
ω e τ ei is the Hall parameter of electrons;
ω e is the cyclotron frequency of the electron;
τ ei is the time of electron-ion collisions,
separation of the plasma flow from the droplet phase, applying a bias potential to the condensation surface, injecting reactive gas of a component of the coating material, mixing and condensing plasma flows, characterized in that, in order to improve the quality of coatings and expand technological capabilities, the coating composition is determined by the spatial separation of vacuum arcs and regulation of their synchronization mode at the stage of excitation, as well as regulation of the magnitude of the charge of electricity flowing at the stage of generation, and the excitation of vacuum smart arcs are carried out cyclically in time synchronously or sequentially by injection of a laser plasma, while additional ions are separated by transverse momenta, transportation is carried out in spatially separated regions, and their mixing is performed in the field of spatial alignment of the magnetic fields of the transport regions in crossed
Figure 00000172
- fields after separation of the droplet phase due to multiple collisions of ions with a potential barrier of U cm under the following conditions:
r i > D cm , r e <D cm , ω e τ ei > 1, λ ii > D cm ,
where D cm is the transverse size of the mixing region;
λ ii - the length of ion-ion collisions,
the composition of the multicomponent coating A, B, C ... is set from the condition:
N A / N B / N C = K A t A • C A A • U A / K B t B S B U B / K C t C S B U C ,
where N A , N B , N C ... are the concentrations of chemical elements A, B, C ... in a multicomponent coating;
K A , K B , K C. .. - erosion coefficients of plasma-forming substances A, B, C, kg / C;
t A , t B , t C ... - transport coefficients of plasma flows A, B, C, ... C ON , C HB and C NS ...;
U A , U B , U C - values of capacitance (Ф) and voltage changes (V) of capacitive storage, respectively,
moreover, the pulse sequence is set based on the arrangement of the sublattices (layers) of the formed crystalline unit cell of the layered coating material (for example, a superconductor sandwich structure), the number of plasma pulses n A , n B ... in the sequence for each sublattice is determined from the expression:
Figure 00000173

where ρ A (B) (C) is the density of the applied material (chemical element) in the coating, kg / m 3 ;
S t is the cross-sectional area A (B) (C) of the transportation (mixing) region, mg;
d A (B) (C) is the thickness of the sublattice A (B) (C) in the unit cell, m;
q A (B) (C) - charge flowing in the discharge circuit, C;
and the number of cycles m of the sequence of plasma pulses is determined from the equality d i • m = l, where d i is the unit cell size in the direction of coating growth, m; l is the coating thickness, m; during transportation and mixing, the ionic component of the plasma is separated from the droplet phase in the region of the Langmuir layer l Langm of the displacement potential U cm by repeated collisions with the profiled surface under the condition: P x N k <1, where P is the probability of droplet passage in the transport region and mixing, N к - the number of droplets generated per pulse, and the generation, transportation and mixing of plasma flows is carried out for the time τ g , τ t and τ cm , determined from the conditions: τ gtan g and τ ttan. t , τ cmtan.cm , where τ tan.g , τ tan.t , τ tan.sm - development time of thermal anode instabilities, processes of generation, transportation and mixing of plasma flows, respectively, the magnitude of the electric field E t of the displacement potential U cm t is chosen from the expression:
eU see t + ezU see p <W def. ,
where W def. - energy defect formation on the surface of the condensation,
e is the electron charge,
Z is the ionization multiplicity of the ion,
and the magnitude of the bias potential U cm at condensation is chosen from the expression: eU cm t + ezU cm b <W def. wherein the condensation of the plasma stream is carried out in a magnetic field H k , the heterogeneity
Figure 00000174
which is set from the relation
Figure 00000175
,
where ΔН to - the spread of the magnetic field,
Δl is the variation in coating thickness,
l is the thickness of the coating,
by applying a magnetic field to the condensation region and on the back side of the condensation region, and the vacuum arc is excited by defocused laser radiation of duration τ l under the condition τ l ≪ τ g , and the resulting laser plasma flow is directed to the anode region of the discharge and overlap the focus area of laser radiation .
2. Способ получения покрытий по п.1, отличающийся тем, что генерирование плазмы из плазмообразующего вещества сложного состава осуществляют в течение времени τг, величину которого выбирают меньше времени τII жизни катодных пятен второго рода: τг< τII, транспортирование осуществляют при выполнении условия Lтii, а длительность τEH наложения магнитного
Figure 00000176
и электрического
Figure 00000177
полей на этапах транспортирования и смешения определяют из условия τEH= τгпрол, где τпрол - время пролета плазмой области транспортирования и смешения.
2. The method of producing coatings according to claim 1, characterized in that the generation of plasma from a plasma-forming substance of complex composition is carried out for a time τ g , the value of which is chosen less than the time τ II of the life of cathode spots of the second kind: τ gII , transportation is carried out at the condition L tii is satisfied, and the duration τ EH of the magnetic
Figure 00000176
and electric
Figure 00000177
fields at the stages of transportation and mixing is determined from the condition τ EH = τ g + τ prol , where τ prol is the time of flight by the plasma of the transport and mixing area.
3. Способ получения покрытий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поток плазмы дополнительно транспортируют в продольных каналах, объем которых ограничивают проводящими немагнитными стенками, на которые накладывают потенциал Земли, при этом протяженность hc каналов и расстояние Lк до поверхности конденсации определяют из условия:
V∥п•εii<hc+Lк,
где
Figure 00000178
V∥п,
V⊥п - величина продольной скорости иона в потоке плазмы после сепарации по импульсам,
lc - поперечный размер стенок между каналами,
при этом на зону сепарации и конденсации накладывают магнитное поле
Figure 00000179
параллельное стенкам каналов и перпендикулярное поверхности конденсации, причем величину напряженности магнитного поля Hс определяют из условия:
ri>V•τc≫re,
где Vτc - поперечный размер канала,
Figure 00000180
- время пролета плазмой зоны сепарации, при этом сепарацию ионов по импульсам осуществляют после смешения потоков плазмы.
3. The method of producing coatings according to claims 1 and 2, characterized in that the plasma stream is additionally transported in longitudinal channels, the volume of which is limited by conducting non-magnetic walls, on which the Earth's potential is superimposed, while the length h c of the channels and the distance L to the condensation surface determined from the condition:
V ∥п • ε ii <h c + L к ,
Where
Figure 00000178
V ∥п ,
V ⊥ p - the longitudinal velocity of the ion in the plasma stream after separation by momentum,
l c - the transverse size of the walls between the channels,
at the same time, a magnetic field is applied to the separation and condensation zone
Figure 00000179
parallel to the walls of the channels and perpendicular to the surface of the condensation, and the magnitude of the magnetic field strength H s is determined from the condition:
r i > V • τ c ≫r e ,
where V τ c is the transverse dimension of the channel,
Figure 00000180
- the time of flight of the plasma separation zone, while the separation of ions by momentum is carried out after mixing the plasma flows.
4. Способ получения покрытий по пп.1 - 3, отличающийся тем, что зону конденсации нескольких продольно направленных потоков плазмы располагают на расстоянии, выбранном из выражения Lп∥ = V∥пл•τп, где τп - время радиальной релаксации плотности в общем потоке плазмы.4. The method of producing coatings according to claims 1 to 3, characterized in that the condensation zone of several longitudinally directed plasma flows is located at a distance selected from the expression L p∥ = V ∥pl • τ p , where τ p is the time of radial density relaxation in total plasma flow. 5. Способ получения покрытий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зону конденсации нескольких радиально направленных потоков плазмы располагают на расстоянии, равном Lк,r≥lленгм от границы их взаимного перекрытия.5. The method of producing coatings according to claims 1 and 2, characterized in that the condensation zone of several radially directed plasma flows is located at a distance equal to L k, r ≥l Langm from the border of their mutual overlap. 6. Способ получения покрытий по пп.4 и 5, отличающийся тем, что нестабильность возбуждения
Figure 00000181
при формировании продольно или радиально направленных потоков плазмы задают из условия:
Figure 00000182
, где Nв - число импульсов возбуждения, ΔNв= Nв-Nr - количество несрабатываний возбуждения вакуумной дуги, Nr - число импульсов возбуждения вакуумной дуги.
6. The method of producing coatings according to claims 4 and 5, characterized in that the instability of the excitation
Figure 00000181
when forming longitudinally or radially directed plasma flows, they are set from the condition:
Figure 00000182
where Nv is the number of excitation pulses, ΔNv = Nv-Nr is the number of failures of excitation of the vacuum arc, Nr is the number of excitation pulses of the vacuum arc.
7. Способ получения покрытий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности способа, снижения энергозатрат, при генерировании потока плазмы формируют положительный скачок потенциала ΔUa в анодной области разряда за счет замыкания на эту область части магнитного потока Фк, пронизывающего катодную область вакуумной дуги путем регулирования плотности намотки в катодной области разряда или регулирования расстояния между соленоидом анодной области разряда и соленоидом области транспортирования, при этом остальную часть продольного потока Фт(см)тсм(lленгм)конд магнитного поля распределяют между областью транспортирования Фт(lленгм) (смешения Фсм(lленгм)) в слое lленгм и областью конденсации Фконд согласно выражению:
Figure 00000183

путем замыкания магнитных силовых линий на корпус плазмовода в слое lленгм и регулирования его величины.
7. The method of producing coatings according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to increase the productivity of the method and reduce energy consumption, a positive potential jump ΔUa is generated in the anode region of the discharge when the plasma flow is generated due to the closure of a part of the magnetic flux F to this region penetrating the cathode region of the vacuum arc by adjusting the winding density in the cathode region of the discharge or by adjusting the distance between the solenoid of the anode region of the discharge and the solenoid of the transport region, with the rest longitudinal flow Part F t (cm) F = SCI (llengm) + F cond magnetic field region is partitioned between conveying F m (llengm) (mixture F cm (llengm)) in layer l lengm domain and condensing cond F according to the expression:
Figure 00000183

by locking the magnetic field lines to the plasma duct body in the l langm layer and adjusting its magnitude.
8. Способ получения покрытий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подрешетку сложного химического состава конденсируют из нескольких синхронно возбуждаемых во времени пространственно разделенных вакуумных дуг, число которых определяют из количества химических элементов, входящих в подрешетку, при этом напуск реакционного газа производят в область генерирования импульсно и синхронно с возбуждением вакуумных дуг. 8. The method of producing coatings according to claims 1 and 2, characterized in that the sublattice of complex chemical composition is condensed from several spatially separated vacuum arcs synchronously excited over time, the number of which is determined from the number of chemical elements entering the sublattice, while the reaction gas is poured into the generation region pulsed and synchronously with the excitation of vacuum arcs. 9. Устройство для получения покрытий в вакууме, содержащее генератор плазмы с блоком поджига и подвижный расходуемый катод, размещенный внутри полого анода и соленоид, охватывающий анод, при этом электроды генератора плазмы подключены цепью разряда к блоку питания в виде емкости Сн, а так же плазмовод, примыкающий к выходному торцу генератора, выполненный в виде полого корпуса и катушки, размещенной на корпусе, подключенном к емкости Сп цепи смещения корпуса плазмовода, при этом соленоид анода и плазмовода образуют магнитную систему устройства и включены согласно, а также систему напуска реактивного газа, камеру смешения и подложку, отличающееся тем, что, с целью повышения качества многокомпонентных покрытий и расширения технологических возможностей, оно снабжено дополнительными генераторами плазмы, каждый из которых подсоединен к входному торцу плазмовода, причем выходной торец каждого из плазмоводов соединен с одним из входных торцов камеры смешения, а выходной торец камеры смешения расположен в области размещения подложки, причем плазмоводы образуют систему эквидистантных многозаходных винтов цилиндров диаметром Dт, образованную перемещением кольца диаметром Dт по эквидистантным винтовым линиям на цилиндре, радиусом rNT с углом захода αNT и максимальным расстоянием hт между плазмоводами, определяемых из соотношений:
Figure 00000184

Figure 00000185

где N - число плазмоводов в системе эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров, Е [. ..] - эллиптический интеграл второго рода, при этом входные торцы, по крайней мере, одной камеры смешения являются продолжением цилиндров плазмоводов, корпус которой образован совмещением одного торца прямого выходного цилиндра и N входных прямых или винтовых полых цилиндров так, что оси входных цилиндров проходят вдоль образующих конуса, обращенного вершиной к выходному торцу камеры смешения с углом αNC при вершине и радиусом основания rNC, определяемых из соотношений:
Figure 00000186

где hт - величина зазора между плазмоводами, причем каждый из входных цилиндров охвачен соленоидом, а выходной цилиндр охвачен N соосными соленоидами, образуя магнитную систему камеры смешения, при этом каждая из обмоток соленоида входного цилиндра подключена согласно к одной из обмоток N соленоидов выходного цилиндра и в магнитную систему устройства, при этом профиль внутренней поверхности корпуса плазмовода выполнен треугольным, причем высота профиля hп и его шаг tп выбраны из неравенств: hп>dк, lленгм>hп>dк, а угол αп при вершине треугольного профиля выбран из условия:
Figure 00000187

где Dт - поперечный размер зоны транспортирования;
rк - величина радиуса катода (мишени);
F - величина отрезка прямой, проходящей через торцевую рабочую поверхность в точке Дт/2 + rк и точкой касания к поверхности плазмовода в области цилиндра rNT,
причем азимутальный угол βT - между торцами плазмовода выбран из условия:
Figure 00000188
,
где dп - величина затупления вершины треугольного профиля,
βто - максимальный угол, образованный радиус - векторами, проведенными в точке пересечения внешней окружности с касательной к внутренней окружности проекции винтового плазмовода на плоскость, перпендикулярную оси плазмовода (угловой размер одной зоны столкновений),
при этом блоки поджига генераторов плазмы снабжены блоком синхронизации, управляющий n - канальный выход которого соединен с каждым входом синхронизации блока поджига и системы напуска реактивного газа.
9. A device for producing coatings in vacuum, containing a plasma generator with an ignition unit and a movable consumable cathode located inside the hollow anode and a solenoid covering the anode, while the electrodes of the plasma generator are connected by the discharge circuit to the power supply in the form of a capacitance C n , as well as plasma duct adjacent the output end of the generator, designed as a hollow body and a coil disposed on the housing, connected to the capacitance C f bias circuit duct housing, the anode and the plasma duct solenoid form a magnetic mouth system The properties are included in accordance with, as well as a reactive gas inlet system, a mixing chamber and a substrate, characterized in that, in order to improve the quality of multicomponent coatings and expand technological capabilities, it is equipped with additional plasma generators, each of which is connected to the input end of the plasma duct, and the output the end face of each of the plasma ducts is connected to one of the input ends of the mixing chamber, and the output end of the mixing chamber is located in the region of the substrate, and the plasma ducts form the equi system istantnyh multistart screw cylinder diameter D t, the diameter of the ring formed by the displacement D m of equidistant helical lines on the cylinder, r NT radius with an angle of approach α NT, and maximum distance between the duct h t determined from the relations:
Figure 00000184

Figure 00000185

where N is the number of plasma ducts in the system of equidistant multi-start screw cylinders, E [. ..] is an elliptic integral of the second kind, while the input ends of at least one mixing chamber are a continuation of the plasma duct cylinders, the body of which is formed by combining one end of the direct output cylinder and N input straight or screw hollow cylinders so that the axes of the input cylinders pass along the generatrices of the cone facing the apex to the outlet end of the mixing chamber with the angle α NC at the apex and the base radius r NC , determined from the relations:
Figure 00000186

where h t is the gap between the plasma ducts, each of the input cylinders being surrounded by a solenoid, and the output cylinder being surrounded by N coaxial solenoids, forming a magnetic system of the mixing chamber, while each of the windings of the solenoid of the input cylinder is connected according to one of the windings of N solenoids of the output cylinder and in the magnetic system of the device, while the profile of the inner surface of the plasma duct body is triangular, with the profile height h p and its pitch t p selected from the inequalities: h p > d k , l Langm > h p > d k , and the angle α p at the apex tre golnogo profile chosen from the condition:
Figure 00000187

where D t is the transverse size of the transportation zone;
r to - the radius of the cathode (target);
F is the value of the straight line segment passing through the end working surface at the point D t / 2 + r k and the point of tangency to the surface of the plasma duct in the region of the cylinder r NT ,
moreover, the azimuthal angle β T between the ends of the plasma duct is selected from the condition:
Figure 00000188
,
where d p - the bluntness of the vertices of the triangular profile,
β then is the maximum angle formed by the vectors drawn at the point of intersection of the outer circle with the tangent to the inner circle of the projection of the screw plasma duct onto a plane perpendicular to the axis of the plasma duct (angular size of one collision zone),
wherein the ignition units of the plasma generators are equipped with a synchronization unit, the control n - channel output of which is connected to each synchronization input of the ignition unit and the reactive gas inlet system.
10. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающийся тем, что сепаратор ионов по поперечным импульсам расположен в области выходного торца камеры смешения и состоит из N соленоидов, расположенных на полом корпусе, внутренний объем которого разделен проводящими стенками на систему продольных каналов, при этом каждый из соленоидов сепаратора включен согласно и последовательно в магнитную систему устройства. 10. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that the ion separator for transverse impulses is located in the area of the output end of the mixing chamber and consists of N solenoids located on the hollow body, the internal volume of which is divided by the conducting walls into a system of longitudinal channels, each of the separator solenoids is included according to and in series in the magnetic system of the device. 11. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что каждый входной торец дополнительной камеры смешения является продолжением камеры смешения системы эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров, при этом радиус основания rC,N,m конуса выбран из соотношения
Figure 00000189
,
где hТМ - расстояние между системами эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров, каждая из которых содержит N винтовых цилиндров;
m - число систем эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров.
11. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that each input end face of the additional mixing chamber is a continuation of the mixing chamber of the system of equidistant multi-start screw cylinders, while the radius of the base r C, N, m of the cone is selected from the ratio
Figure 00000189
,
where h ТМ is the distance between systems of equidistant multi-start screw cylinders, each of which contains N screw cylinders;
m is the number of equidistant multi-helical screw cylinder systems.
12. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что внутренняя поверхность камеры смешения профилирована аналогично корпусу плазмовода. 12. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that the inner surface of the mixing chamber is profiled similarly to the body of the plasma duct. 13. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что плазмовод или камера смешения снабжена, по крайней мере, одним дополнительным корпусом, выполненным в виде эквидистантного полого корпуса, внешняя и внутренняя поверхность которого профилирована аналогично основному корпусу. 13. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that the plasma duct or mixing chamber is provided with at least one additional body made in the form of an equidistant hollow body, the outer and inner surface of which is profiled similarly to the main body. 14. Устройство для получения покрытий по пп.9 - 11, отличающееся тем, что с тыльной стороны подложки взаимно соосно соленоидам выходного цилиндра камеры смешения расположены соленоиды, обмотки которых включены согласно и последовательно в магнитную систему устройства. 14. The device for producing coatings according to claims 9 to 11, characterized in that solenoids are located on the rear side of the substrate mutually coaxially with the solenoids of the output cylinder of the mixing chamber, the windings of which are connected in accordance with and sequentially in the magnetic system of the device. 15. Устройство для получения покрытий по пп.9 - 11, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, два аналогичных устройства, выходные торцы которых расположены симметрично плоскости подложки, а их магнитные системы включены согласно, при этом направление кручения многозаходных винтовых плазмоводов противоположны. 15. The device for producing coatings according to claims 9 to 11, characterized in that it contains at least two similar devices, the output ends of which are located symmetrically to the plane of the substrate, and their magnetic systems are turned on according to the torsion direction of the multi-thread screw plasma ducts opposite. 16. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что содержит несколько устройств, входные торцы которых расположены по окружности и направлены или к центру или от центра окружности, при этом магнитные системы устройств, расположенных симметрично относительно центра, включены согласно. 16. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that it contains several devices, the input ends of which are located on a circle and directed either to the center or from the center of the circle, while the magnetic systems of devices located symmetrically with respect to the center are included according to. 17. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что блок поджига выполнен в виде расположенных на одной оптической оси лазерного излучателя, ориентированного к торцевой рабочей поверхности расходуемого катода, окна ввода лазерного излучения и фокусирующую систему в виде линзы, размещенной между окном ввода лазерного излучения и лазерным излучателем, а также диафрагмы с отверстием, размещенной на одной оптической оси между торцевой рабочей поверхностью расходуемого катода и окном ввода на расстоянии от линзы, равном фокусному расстоянию f линзы фокусирующей системы, причем величина фокусного расстояния и величина расстояния d от торцевой рабочей поверхности расходуемого катода до линзы связаны неравенством f<d<2f, а диаметр Dд отверстия диафрагмы выбран из условия lленгм>Dд>dк, где dк - диаметр капли, lленгм - величина слоя Ленгмюра в области ввода излучения, при этом нормаль
Figure 00000190
к торцевой рабочей поверхности расходуемого катода в области оптической оси блока поджига пересекает внутреннюю поверхность анода.
17. The device for producing coatings according to claim 9, characterized in that the ignition unit is made in the form of a laser emitter located on the same optical axis, oriented to the end working surface of the sacrificial cathode, a laser radiation input window and a focusing system in the form of a lens placed between the window input laser radiation and a laser emitter, as well as a diaphragm with a hole located on the same optical axis between the end working surface of the consumable cathode and the input window at a distance from the lens equal to the focus CB distance f of the lens focusing system, wherein the focal length and the magnitude of the distance d from the end working surface of the sacrificial cathode to the lens are related by the inequality f <d <2f, and the diameter D d orifice aperture is selected from the condition l lengm> D d> d k, wherein d to - droplet diameter, l Langm - the magnitude of the Langmuir layer in the field of radiation input, while the normal
Figure 00000190
to the end working surface of the sacrificial cathode in the region of the optical axis of the ignition unit crosses the inner surface of the anode.
18. Устройство для получения покрытий по п.17, отличающееся тем, что блок поджига снабжен подвижной поперек оптической оси прозрачной заслонкой, расположенной перед окном ввода лазерного излучения. 18. The device for producing coatings according to 17, characterized in that the ignition unit is equipped with a transparent shutter movable across the optical axis located in front of the laser radiation input window. 19. Устройство для получения покрытий по п.17, отличающееся тем, что блок поджига снабжен электромагнитной системой, импульсным источником тока и заслонкой в виде рычага, один конец которого находится в области отверстия диафрагмы, а второй расположен в области окна ввода лазерного излучения и соединен с якорем электромагнитной системы, содержащей магнитопровод и, по крайней мере, одну катушку, соединенную с импульсным источником тока, вход которого соединен с выходом блока синхронизации. 19. The device for producing coatings according to 17, characterized in that the ignition unit is equipped with an electromagnetic system, a pulsed current source and a damper in the form of a lever, one end of which is located in the region of the aperture opening, and the second is located in the region of the laser input window and connected with the armature of an electromagnetic system containing a magnetic circuit and at least one coil connected to a pulsed current source, the input of which is connected to the output of the synchronization unit. 20. Устройство для получения покрытий по п.19, отличающееся тем, что электромагнитная система содержит два соленоида, включенных согласно, причем один из соленоидов включен в цепь накачки лазерного излучателя узла поджига генератора плазмы, а второй соленоид - в цепь разряда этого же генератора плазмы. 20. The device for producing coatings according to claim 19, characterized in that the electromagnetic system contains two solenoids included in accordance with one of the solenoids included in the pump circuit of the laser emitter of the ignition unit of the plasma generator, and the second solenoid in the discharge circuit of the same plasma generator . 21. Устройство для получения покрытий по п.9, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности, величина зазора lап между торцами соленоидов анода и плазмовода выбрана из условия 0<lап<2Dа, где Dа - диаметр анода, при этом на внутренней поверхности в области торцов корпусов плазмоводов и камеры смешения размещены диафрагмы с внутренним диаметром, равным Dт(см) - 2lленгм и гальванически связанные с корпусами, причем величину емкости цепи смещения корпуса плазмовода выбирают из условия
Figure 00000191
,
где Rкп - величина сопротивления участка "корпус" плазмовода - плазма, Ом;
Lг - величина индуктивности цепи разряда, Гн;
а величину емкости Ссм - цепи смещения корпуса камеры смешения выбирают из условия:
Figure 00000192
, где Rксп - величина сопротивления участка "корпус камеры смешения - плазма".
21. An apparatus for producing coatings according to claim 9, characterized in that, in order to increase productivity, the value of the gap l between the ends of an anode and the plasma duct solenoids chosen from the condition 0 <l an <2D and where D a - diameter of the anode, with this diaphragm with an inner diameter equal to D t (cm) - 2l Langm and galvanically connected with the housings are placed on the inner surface in the region of the ends of the housings of the plasma ducts and the mixing chamber, and the bias circuit capacitance of the plasma duct is selected from the condition
Figure 00000191
,
where R kn - the value of the resistance of the section "body" of the plasma duct - plasma, Ohm;
L g - the magnitude of the inductance of the discharge circuit, GN;
and the value of the capacitance C cm - the bias circuit of the housing of the mixing chamber is selected from the condition:
Figure 00000192
where R ksp is the resistance value of the section "mixing chamber body - plasma".
22. Способ изготовления устройства для получения покрытий в вакууме, содержащего винтовой плазмовод с внешним Dв и внутренним 2rNT диаметрами винтового цилиндрического корпуса плазмовода с азимутальным углом βT поворота между торцами и углом αNT захода винтового цилиндра с профилированной внутренней поверхностью, включающий профилирование внутренней поверхности прямой трубы диаметром
Figure 00000193
разрезку трубы на К сегментов путем последовательных К сечений профилированной трубы плоскостями, ориентированными под углом
Figure 00000194
относительно нормалей к цилиндрической поверхности, размещенных на расстоянии lк, сборку сегментов путем совмещения их торцов за счет их поворота через один сегмент на угол φ ≥ π, разворота в диаметральной плоскости трубы на угол
Figure 00000195
и дополнительного продольного перемещения каждого К-го сегмента в направлении кручения вдоль оси винтового цилиндра на высоту
Figure 00000196
и последующей сварки по внешней поверхности торцов сегментов винтового цилиндра, причем расстояние lк и угол γK между нормалями последовательных К сечений профилированной трубы выбирают из выражений:
Figure 00000197

Figure 00000198

23. Способ изготовления устройства для получения покрытий по п.22, отличающийся тем, что камеру смешения для N потоков плазмы изготавливают из (2N + 1) сегментов, N входных, N переходных и одного выходного сегмента, при этом торец выходного сегмента со стороны входных сегментов получают сечением прямой профилированной трубы N плоскостями, каждая из которых наклонена к оси трубы под углом
Figure 00000199
и повернута по азимуту относительно соседних плоскостей на угол
Figure 00000200
вокруг оси выходного сегмента, второй торец выходного сегмента образован сечением плоскостью, перпендикулярной оси трубы на расстоянии lc1, определяемом из условия:
Figure 00000201

где Lв - длина винтового плазмовода;
hc - длина сепаратора ионов по поперечным импульсам,
причем часть торцов N входных сегментов, соединяющихся в камере смешения с выходным сегментом образована сечением плоскостью, размещенной под углом
Figure 00000202
относительно оси в плоскости осей выходного и входного сегментов, а оставшаяся часть этих торцов N входных сегментов, соединяющихся в камере смешения между собой в соседних сегментах, образована вторым сечением двумя скрещенными под углом
Figure 00000203
плоскостями, при этом линии пересечения скрещенных плоскостей образуют с осью входных сегментов угол
Figure 00000204
и совпадают с осью выходного сегмента, второй торец N входных сегментов образован сечением трубы на расстоянии
Figure 00000205
от первого плоскостью под углом
Figure 00000206
в плоскости осей выходного и входного сегментов, а также под углом
Figure 00000207
в плоскости, перпендикулярной плоскости осей выходного и входного сегментов и параллельной оси выходного сегмента в направлении кручения многозаходных винтовых плазмоводов, причем торцы переходных сегментов со стороны входных сегментов образованы сечением плоскостью под углом
Figure 00000208
в плоскости осей выходного и входного сегментов, а также под углом
Figure 00000209
в плоскости, перпендикулярной плоскости осей выходного и входного сегментов и параллельной оси выходного сегмента в направлении кручения многозаходных винтовых плазмоводов, а второй торец N переходных сегментов образован сечением плоскостью, перпендикулярной оси трубы на расстоянии lc3, равном
Figure 00000210
и последующей сборкой сегментов путем их перемещения в пространстве за счет совмещения периметров частей торца выходного сегмента, выполненных под углом
Figure 00000211
и азимутальным углом
Figure 00000212
с частью периметров торцов N входных сегментов, образованных сечением плоскостью под углом ξ1 и ξ4, а также совмещением торцов N входных сегментов, выполненных под углами ξ1 и ξ4 с торцами N переходных сегментов, выполненных под углами ξ1 и ξ4 последующей сваркой по внешней поверхности совмещенных торцов, а также стыковкой торцов N переходных сегментов камеры смешения с выходными торцами N винтовых плазмоводов.
22. A method of manufacturing a device for producing coatings in vacuum, containing a screw plasma duct with an external D in and internal 2r NT diameters of the cylindrical screw housing of the plasma duct with an azimuth angle of rotation β T between the ends and the contact angle α NT of the screw cylinder with a profiled inner surface, including profiling the inner diameter of a straight pipe
Figure 00000193
cutting a pipe into K segments by successive K sections of a profiled pipe by planes oriented at an angle
Figure 00000194
relative to the normals to the cylindrical surface, placed at a distance l to , the assembly of segments by combining their ends due to their rotation through one segment by an angle φ ≥ π, a turn in the diametrical plane of the pipe by an angle
Figure 00000195
and additional longitudinal movement of each Kth segment in the direction of torsion along the axis of the screw cylinder to a height
Figure 00000196
and subsequent welding on the outer surface of the ends of the segments of the screw cylinder, and the distance l to and the angle γ K between the normals of consecutive K sections of the profiled pipe are selected from the expressions:
Figure 00000197

Figure 00000198

23. A method of manufacturing a device for producing coatings according to item 22, wherein the mixing chamber for N plasma flows is made of (2N + 1) segments, N input, N transition and one output segment, while the end of the output segment from the input segments are obtained by a section of a straight profiled pipe N by planes, each of which is inclined to the pipe axis at an angle
Figure 00000199
and rotated in azimuth relative to adjacent planes at an angle
Figure 00000200
around the axis of the output segment, the second end of the output segment is formed by a section of a plane perpendicular to the axis of the pipe at a distance l c1 , determined from the condition:
Figure 00000201

where L in - the length of the screw plasma duct;
h c - the length of the ion separator for transverse momenta,
moreover, part of the ends N of the input segments connecting in the mixing chamber with the output segment is formed by a section of a plane placed at an angle
Figure 00000202
relative to the axis in the plane of the axes of the output and input segments, and the remaining part of these ends N input segments connecting in the mixing chamber to each other in adjacent segments, is formed by a second cross section of two crossed at an angle
Figure 00000203
planes, while the intersection lines of the crossed planes form an angle with the axis of the input segments
Figure 00000204
and coincide with the axis of the output segment, the second end face N of the input segments is formed by a pipe section at a distance
Figure 00000205
from the first plane at an angle
Figure 00000206
in the plane of the axes of the output and input segments, as well as at an angle
Figure 00000207
in a plane perpendicular to the plane of the axes of the output and input segments and parallel to the axis of the output segment in the torsion direction of the multi-helical plasma ducts, and the ends of the transition segments from the input segments are formed by a plane section at an angle
Figure 00000208
in the plane of the axes of the output and input segments, as well as at an angle
Figure 00000209
in the plane perpendicular to the plane of the axes of the output and input segments and parallel to the axis of the output segment in the torsion direction of the multi-thread screw plasma ducts, and the second end face N of the transition segments is formed by a section of a plane perpendicular to the pipe axis at a distance l c3 equal to
Figure 00000210
and the subsequent assembly of the segments by moving them in space by combining the perimeters of the parts of the end face of the output segment, made at an angle
Figure 00000211
and azimuth angle
Figure 00000212
with a part of the perimeters of the ends of the N input segments formed by a plane section at an angle ξ 1 and ξ 4 , as well as the combination of the ends of the N input segments made at angles ξ 1 and ξ 4 with the ends of the N transition segments made at angles ξ 1 and ξ 4 of the subsequent by welding along the outer surface of the combined ends, as well as by joining the ends of the N transition segments of the mixing chamber with the output ends of the N screw plasma ducts.
SU4761942/02A 1989-11-22 1989-11-22 Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device RU2176681C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4761942/02A RU2176681C2 (en) 1989-11-22 1989-11-22 Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4761942/02A RU2176681C2 (en) 1989-11-22 1989-11-22 Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2176681C2 true RU2176681C2 (en) 2001-12-10

Family

ID=21480974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4761942/02A RU2176681C2 (en) 1989-11-22 1989-11-22 Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2176681C2 (en)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461664C2 (en) * 2006-07-19 2012-09-20 Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах Method for deposition of electric insulating layers
RU2485209C1 (en) * 2011-11-17 2013-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Formation method of ultrathin film
RU2486279C1 (en) * 2011-11-17 2013-06-27 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method of forming ultrathin film
RU2487188C1 (en) * 2011-11-21 2013-07-10 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method for formation of ultrathin film
US8546724B2 (en) 2010-01-26 2013-10-01 King Fahd University Of Petroleum & Minerals Apparatus and method for controlling laser cutting through surface plasma monitoring
RU2551739C2 (en) * 2009-09-25 2015-05-27 Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах Method of obtaining layers of cubic zirconium oxide
RU2615743C2 (en) * 2012-08-08 2017-04-11 Берндорф Хюк Банд-Унд Прессблехтехник Гмбх Device and method for plasma substrate coating, in particular, to press list
RU2681587C1 (en) * 2018-01-22 2019-03-11 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method of application of a nanofilm coating on a substrate
CN110568474A (en) * 2019-10-08 2019-12-13 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 Charged particle spectrometer with wide energy spectrum range
CN113777660A (en) * 2021-09-15 2021-12-10 核工业航测遥感中心 Method for solving atmospheric radon correction parameter by energy spectrum ratio method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Труды института инженеров электроники и радиоэлектроники (ТИИЭР), №8-560, 1972, с. 65. Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. - М.: ВНТИЦ, 1978, с. 379-380. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. Наука, 1981. *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461664C2 (en) * 2006-07-19 2012-09-20 Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах Method for deposition of electric insulating layers
RU2551739C2 (en) * 2009-09-25 2015-05-27 Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах Method of obtaining layers of cubic zirconium oxide
US8546724B2 (en) 2010-01-26 2013-10-01 King Fahd University Of Petroleum & Minerals Apparatus and method for controlling laser cutting through surface plasma monitoring
RU2485209C1 (en) * 2011-11-17 2013-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Formation method of ultrathin film
RU2486279C1 (en) * 2011-11-17 2013-06-27 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method of forming ultrathin film
RU2487188C1 (en) * 2011-11-21 2013-07-10 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method for formation of ultrathin film
RU2615743C2 (en) * 2012-08-08 2017-04-11 Берндорф Хюк Банд-Унд Прессблехтехник Гмбх Device and method for plasma substrate coating, in particular, to press list
RU2681587C1 (en) * 2018-01-22 2019-03-11 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method of application of a nanofilm coating on a substrate
CN110568474A (en) * 2019-10-08 2019-12-13 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 Charged particle spectrometer with wide energy spectrum range
CN110568474B (en) * 2019-10-08 2024-04-12 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 Charged particle spectrometer with wide energy spectrum range
CN113777660A (en) * 2021-09-15 2021-12-10 核工业航测遥感中心 Method for solving atmospheric radon correction parameter by energy spectrum ratio method
CN113777660B (en) * 2021-09-15 2023-10-20 核工业航测遥感中心 Method for solving atmospheric radon correction parameters by energy spectrum ratio method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gudmundsson et al. High power impulse magnetron sputtering discharge
US9793098B2 (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
RU2176681C2 (en) Method of making coats in vacuum, device for making such coats and method of manufacture of said device
US10679829B1 (en) Reactors and methods for making diamond coatings
EP1033068B2 (en) Plasma processing apparatus having rotating magnets
EP1245694B1 (en) Vacuum arc vapor deposition apparatus and vacuum arc vapor deposition method
Anders et al. Transport of vacuum arc plasmas through magnetic macroparticle filters
Grigoriev et al. Specific features of the structure and properties of arc-PVD coatings depending on the spatial arrangement of the sample in the chamber
CA2855698C (en) Systems and methods for forming and maintaining a high performance frc
CA2867451C (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
Vardelle et al. Heat generation and particle injection in a thermal plasma torch
US10056237B2 (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
US9761424B1 (en) Filtered cathodic arc method, apparatus and applications thereof
Ryabchikov et al. Investigations of forming metal-plasma flows filtered from microparticle fraction in vacuum arc evaporators
US20240043142A1 (en) Sources for plasma assisted electric propulsion
Coll et al. Design of vacuum arc-based sources
US20180240656A1 (en) Hybrid Filtered Arc-Magnetron Deposition Method, Apparatus And Applications Thereof
Anders et al. Plasma distribution of cathodic arc deposition systems
US3282815A (en) Magnetic control of film deposition
Bilek et al. A study of filter transport mechanisms in filtered cathodic vacuum arcs
Baranov et al. Direct current arc plasma thrusters for space applications: Basic physics, design and perspectives
US20240120115A1 (en) System and methods for forming and maintaining high energy and temperature frc plasma via neutral beam injection
WO2003087425A1 (en) Filtered ion source
CN111748777A (en) Variable-angle variable-diameter magnetic filtration cathode arc film deposition equipment and method
JP2001081550A (en) Reactive sputtering system, and method of film deposition

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20031123