RU2207399C2

RU2207399C2 - Вакуумное дуговое устройство

Info

Publication number: RU2207399C2
Application number: RU2001122532A
Authority: RU
Inventors: И.В. Буров; В.Г. Кузнецов; А.А. Лисенков; С.И. Рыбников
Original assignee: Институт проблем машиноведения РАН
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-06-27

Abstract

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной технологии и может быть использовано для обработки длинномерных и крупногабаритных изделий. Устройство содержит протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами, подключенными к электрической схеме включения ограничительных сопротивлений и к источнику питания, поджигающий электрод и анод, при этом электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению. Изобретение направлено на повышение работоспособности источника плазмы, эффективности использования материала катода, равномерности формируемого покрытия. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области вакуумной плазменной технологии и может быть использовано для нанесения покрытий.

В последнее время широкое применение получила технология нанесения покрытий, основанная на применении вакуумно-дуговых устройств с интегрально-холодным катодом. Использование данной технологии позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию.

Технологическое вакуумное дуговое устройство выполняет свое функциональное предназначение лишь в том случае, если зоной вероятного существования катодного пятна является исключительно рабочая поверхность катода.

Управление движением катодных пятен и повышение надежности их удержания в заданной зоне эрозии является одной из самых актуальных проблем при разработке вакуумно-дуговых генераторов плазмы с интегрально-холодным катодом.

По способу решения процесса стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода дуговые источники плазмы можно разделить на источники без применения специальных мер по удержанию катодного пятна и источники с магнитной стабилизацией катодного пятна.

Так в источниках с коаксиальной системой электродов используется внешняя магнитная система, создающая достаточно сильное магнитное поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом α. В этом случае при индукции магнитного поля 10^-2 Тл удержание катодных пятен осуществляется на рабочей - торцевой поверхности конического или цилиндрического катода.

Источники с коаксиальной системой электродов генерируют неоднородный и ограниченный по размерам плазменный поток, что несколько сужает возможность их практического применения.

В связи с этим, для получения равномерного по сечению плазменного потока, например для обработки длинномерных или крупногабаритных изделий, требуется создание вакуумных дуговых устройств протяженной геометрии, которые в настоящее время не имеют еще отработанных конструкционных решений.

При рассмотрении принципа действия протяженного цилиндрического испарителя импульсного действия на движение катодного пятна оказывает влияние магнитное поле токового канала в плазме и тока, протекающего по катоду.

Силовые линии магнитных полей, создаваемые этими токами, в этом случае тангенциальны поверхности катода. Катодные пятна перемещаются от поджигающего электрода в сторону токового ввода, имея составляющие как продольного перемещения вдоль катода, так и азимутальную составляющую. Таким образом, катодное пятно, совершая вращательное движение вокруг цилиндрического катода, смещается в сторону токового ввода. Достигнув дугогасящего экрана, катодные пятна попадают в зазор между катодом и экраном, что и приводит к погасанию разряда. Время жизни катодных пятен на рабочей поверхности катода определяется временем их перемещения к дугогасящему экрану и зависит от величины разрядного тока.

В [1] предложена конструкция протяженного источника плазмы, работающего в импульсном режиме и формирующего направленный ленточный поток за счет наличия внешней магнитной системы. Равномерное распределение плотности ионного тока вдоль оси катода и упорядоченный характер перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода позволяет получить покрытие, равномерное по высоте крупногабаритных изделий.

Кроме этого, импульсный режим работы испарителя обеспечивает более низкую рабочую температуру катода, за счет чего достигается снижение количества капель, генерируемых в плазменный поток, и повышается качество покрытий, формируемых в процессе плазмохимического синтеза соединений.

Источник состоит из протяженного цилиндрического катода, дугогасящего экрана, произвольно расположенного со стороны токового ввода, анода и протяженной магнитной системы, ориентированной вдоль катода и установленной с противоположной стороны относительно генерируемого потока плазмы.

При работе на рабочей поверхности катода у поджигающего электрода формируются катодные пятна, которые в магнитном поле петлевой обмотки перемещаются к токовому вводу. При попадании катодных пятен в зазор между катодом и дугогасящим экраном должно происходить погасание вакуумно-дугового разряда. Интервал между поджигающими импульсами больше или равен среднестатистическому времени жизни катодных пятен на поверхности катода. Накладываемое магнитное поле своей ортогональной составляющей индукции магнитного поля удерживает от азимутального перемещения, в то время как тангенциальная составляющая - обеспечивает их продольное перемещение по прямолинейной траектории. Конструкция магнитной системы выполнена таким образом, чтобы краевые эффекты не искажали прямолинейного характера перемещения катодных пятен на начальном и конечном участках движения. Так наложение внешнего магнитного поля уже величиной в несколько миллитесел упорядочивает характер перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода и сокращает время пробега ими рабочего промежутка.

С целью увеличения одновременно обрабатываемых изделий в [2] предложен плазменный источник с радиально расходящимся плазменным потоком.

Принцип действия вакуумно-дугового источника плазмы основан на управлении движением катодных пятен с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого протяженной магнитной системой, выполненной в виде спирали. Отрицательный полюс источника питания дуги в этом случае подключен через балластное сопротивление к токовому вводу протяженного катода, а положительный полюс подключен к вводу магнитной системы со стороны поджигающего электрода, другой ввод заземлен и имеет потенциал анода. Магнитная система выполнена из медной трубки и обеспечена водяным охлаждением.

При подаче импульса на поджигающий электрод происходит образование катодных пятен и локальное заполнение межэлектродного пространства плазмой вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом.

Время жизни катодных пятен на поверхности катода определяется временем их движения до дугогасящего экрана. Движение катодных пятен в этом случае носит упорядоченный характер за счет локализации их на рабочей поверхности катода под аркой магнитного поля, создаваемого спиральной магнитной системой при протекании по ней тока дугового разряда I_разр=I_coл. При попадании катодных пятен в зазор дугогасящего экрана происходит погасание дугового разряда и система возвращается в исходное состояние. Интервал между поджигающими импульсами устанавливается большим или равным среднестатистическому времени жизни катодных пятен на поверхности катода.

Величина индукции и структура магнитного поля оказывают влияние не только на стабилизацию катодных пятен на рабочей поверхности катода, но и на такие параметры разряда как величина разрядного тока вакуумной дуги, состав плазменного потока и на пространственное распределение его компонент.

Для обеспечения надежной работы вакуумно-дугового источника плазмы в импульсном режиме необходима электрическая схема, обеспечивающая необходимое количество поджигающих импульсов. Подобный режим существенно усложняет условия эксплуатации электродной системы инициирования разряда, которая в этом случае должна выдерживать большое количество стартовых импульсов, при условии воздействия на нее электротермических ударных нагрузок большой интенсивности. Данное условие в ряде случаев весьма затруднительно при проведении технологических процессов несколько часов подряд.

Кроме этого, данный режим существенно снижает скорость роста наносимого покрытия и увеличивает время протекания процесса.

Известны протяженные конструкции испарителей, работающие в стационарном режиме. Однако особо следует подчеркнуть, что они относятся к системам для получения в рабочем объеме необходимого вакуума.

Наиболее близким по совокупности признаков является вакуумно-дуговой источник плазмы, представленный в [3] и выбранный авторами за прототип.

Указанный источник состоит из анода, протяженного цилиндрического катода с симметрично расположенными с торцов токовыми вводами и с симметричной схемой включения ограничительных сопротивлений. На рабочей поверхности катода расположены электростатические экраны и поджигающий электрод.

При работе данного источника плазмы на поверхности катода у поджигающего электрода формируется катодное пятно. При условии, если электрические сопротивлениях плеч одинаковы, то ток, протекающий в левой - I₁ и правой - I₂ частях протяженного катода, одинаков и равен половине величины от общего разрядного тока. Поэтому схема электрически симметрична относительно местонахождения катодного пятна. Магнитные поля, образованные токами I₁ и I₂, взаимно компенсируются в зоне катодных пятен, а магнитное поле токового канала в плазме не создает дополнительной асимметрии. Катодные пятна не имеют физически предпочтительных областей локализации и хаотически перемещаются по рабочей поверхности катода между электростатическими экранами. Изменяя сопротивления плеч, удается формировать области локализации катодных пятен на любом расстоянии от торцов. При одинаковых сопротивлениях происходит равномерное распыление всего катода. При нарушении баланса сопротивлений возрастает интенсивность распыления той части катода, где сопротивление меньше.

Однако в ходе эксплуатации были выявлены следующие существенные недостатки:
- расположение электростатических экранов на рабочей поверхности приводит к неравномерной эрозии с поверхности катода с явно выраженным максимумом по центру катода;
- подобное расположение экранов затрудняет осуществление их электрической изоляции от катода;
- в процессе работы наблюдается осаждение продуктов эрозии материала катода на электроизоляционные участки, что приводит к возрастанию вероятности ухода катодных пятен на нерабочие участки катода;
- электрическая схема управления имеет сложный характер фиксации катодных пятен.

Задачей заявляемого изобретения является создание надежно управляемого вакуумного дугового источника плазмы протяженной конструкции, работающего в стационарном режиме. Решение поставленной задачи позволит обеспечить следующие технические результаты:
1. повысить надежность работоспособности источника плазмы;
2. наиболее эффективно использовать материал катода;
3. обеспечить равномерность толщины формируемого покрытия на обрабатываемых изделиях.

Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумном дуговом устройстве, содержащем протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами с электрической схемой подключения ограничительных сопротивлений к источнику питания, поджигающим электродом и анодом, электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению.

Предлагаемое устройство отличается от известного. В известном устройстве перемещение катодных пятен в рабочей зоне протяженного катода осуществляется в пределах, ограниченных электростатическими экранами. При этом, как показывает практика, их использование не предотвращает от ухода катодных пятен на нерабочую поверхность. Характер движения катодных пятен осуществляется случайным образом и зависит от величины протекающих токов в плечах.

В заявляемом устройстве движение катодных пятен осуществляется по всей длине катода, что достигается как предложенным использованием экранов и магнитных систем, так и электрической схемой.

Расположение дугогасящего экрана у токового ввода цилиндрического катода обеспечивает надежное удержание дугового разряда на рабочей поверхности и совместно с магнитными системами, формирующими аксиально-симметричное встречное магнитное поле, предотвращает уход катодных пятен на нерабочие участки испарителя.

Даже при условии попадания катодных пятен в зазор экран - катод произойдет их погасание. Подобное расположение экрана исключает изменение дугогасящего зазора в процессе работы, тем самым повышая надежность работы устройства.

Встречное магнитное поле при нахождении катодного пятна у одного из токовых вводов препятствует дальнейшему его перемещению и создает благоприятное условия для смены направления его движения.

Устройство коммутации обеспечивает поочередное подключение источников питания. Частота коммутации меняется в диапазоне 1...20 Гц. При условии отключения одного из источников питания катодное пятно движется в направлении подключенного токового ввода. Чередование подключений источников питания обеспечивает перемещение катодных пятен от одного торца катода к другому, что обеспечивает высокую степень равномерности нанесения покрытия. Управляющее сопротивление повышает стабильность горения дугового разряда при условии разделения протекающих токов на I₁ и I₂.

Для известного устройства и предлагаемого - указанные отличия принципиальны.

Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам неизвестна. Вся заявляемая совокупность признаков позволила достичь технических результатов, указанных выше.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструкция вакуумно-дугового источника плазмы.

Конструкция вакуумно-дугового источника плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода 1 с симметрично расположенными с торцов токовыми вводами 2, на которых расположены электрически изолированные дугогасящие экраны 3 и магнитные системы 4, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле величиной порядка 100 мТл. Поджигающий электрод 5 упирается в рабочую поверхность катода. Функции анода 6 обычно выполняют стенки вакуумной камеры.

Электрическая схема включения состоит из коммутирующего устройства 7, подключающего источники питания 8 и 9 к управляющему сопротивлению R_yпp.
Принцип действия предлагаемого источника плазмы протяженной конструкции основан на управляемом характере горения вакуумной дуги на увеличенной рабочей поверхности катода при устраненной возможности ухода катодных пятен на нерабочую поверхность катода за счет совместного воздействия дополнительных экранов и магнитных систем, формирующих аксиально-симметричное встречное магнитное поле.

Электростатические экраны 3, электрически изолированные от катода 1, выполнены из немагнитного материала. При горении дугового разряда они приобретают плавающий потенциал. Используемые магнитные системы 4 выполнены или в виде соленоидов, или постоянных магнитов с заданной намагниченностью.

Источник плазмы работает следующим образом: на поверхности катода 1 у поджигающего устройства 5 формируются катодные пятна, которые перемещаются по рабочей поверхности катода, сформированной электростатическими экранами 3. При нахождении катодного пятна у одного из токовых вводов на него начинает оказывать воздействие магнитное поле соленоида, препятствующее дальнейшему его перемещению и создающее благоприятные условия для смены направления их движения.

После смены включения источников питания катодное пятно движется в направлении подключенного токового ввода. Регулирование частоты следования импульсов позволяет управлять временем нахождения на заданных участках рабочей зоны катода.

Осаждение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии, расположенном на пути ее движения.

Распределение плотности ионного тока вдоль оси катода имеет равномерный характер, при этом неравномерность не превышает единиц процентов. Использование разработанных конструкций вакуумно-дуговых источников плазмы позволило обрабатывать крупногабаритные изделия высотой до 450 мм. Неравномерность толщины наносимого покрытия по высоте изделия при этом не превышала нескольких процентов.

Практически предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства с протяженным цилиндрическим катодом длиной 500 мм была опробована в серийном производстве для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп. В этом случае неравномерность получаемого покрытия как по длине, так и по внешней стороне не превышала единиц процентов.

Источники информации
1. Патент 2072642 России. МКИ 4 С 23 С 14/32. Вакуумно-дуговое устройство /И.С.Абрамов, Ю.А.Быстров, А.А.Лисенков и др. - 1996. - БИ 11.

2. Патент 2098512 России. МКИ 4 С 23 С 14/32. Вакуумно-дуговое устройство /Абрамов И.С., Быстров Ю.А., Лисенков А.А. - 1997. - БИ 34.

3. Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 277с. (152 стр.).

Claims

Вакуумное дуговое устройство, содержащее протяженный цилиндрический катод с симметрично расположенными на нем электростатическими экранами, снабженный с торцов токовыми вводами, подключенными к электрической схеме включения ограничительных сопротивлений и к источнику питания, поджигающий электрод и анод, отличающееся тем, что электростатические экраны установлены у токовых вводов по срезу катода, за которыми расположены магнитные системы, формирующие аксиально-симметричное встречное магнитное поле, а электрическая схема снабжена коммутирующим устройством подключения раздельных источников питания к управляющему сопротивлению.