RU2501886C1 - Катод установки для ионной имплантации - Google Patents
Катод установки для ионной имплантации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2501886C1 RU2501886C1 RU2012140037/02A RU2012140037A RU2501886C1 RU 2501886 C1 RU2501886 C1 RU 2501886C1 RU 2012140037/02 A RU2012140037/02 A RU 2012140037/02A RU 2012140037 A RU2012140037 A RU 2012140037A RU 2501886 C1 RU2501886 C1 RU 2501886C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- lead
- copper
- alloy
- microstructure
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Катод выполнен из сплава меди со свинцом. Свинец содержится в количестве 36 мас.%, соответствующем монотектической точке сплава, в микроструктуре которого суммарная протяженность межфазных границ на 1 мм поверхности катода составляет 6,5…16,0 мм/мм2. Технический результат - повышение износостойкости имплантируемых деталей. 4 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков (МИП) и может быть использовано в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах.
Известен составной молибденово-свинцовый цилиндрический катод для вакуумно-дугового источника металлов (см. Баталин В.А., Волков Ю.Н., Кулевой Т.В., Петренко С.В. Вакуумно-дуговой источник ионов металлов. // М.: Институт теоретической и экспериментальной физики, 1992. - 10 с.). Для этого в молибденовом катоде был выполнен ряд отверстий, в которые был вплавлен свинец.
Недостатком такого катода является то, что во время горения дуги катодное пятно переходит с более тугоплавкого элемента (молибдена) на менее тугоплавкий (свинец), когда обратный переход не наблюдается. При этом в ионном луче происходит накопление ионов свинца и снижение содержания ионов молибдена. Это сказывается на процессе имплантации: имплантация происходит не комплексом ионов, а практически только ионами свинца. Такое явление сказывается негативным образом на свойствах имплантированных сталей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является катод установки для ионной имплантации выполненный в виде бинарного сплава меди со свинцом с содержанием свинца 25-45% (патент РФ на изобретение №2458182, МКП7 C23c 14/16). Такой катод позволяет получить пучки ионов плотностью тока 60 А/см2 и длительности импульса 60 нс.
Существенным недостатком такого катода является высокий энергетический порог плазмообразования и ограниченное увеличение износостойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов приводит к росту длительности обработки и появлению задиров на имплантированной поверхности при испытаниях на износостойкость.
Предлагаемый катод установки для ионной имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца обеспечивает повышение износостойкости имплантированных деталей при эксплуатации при комнатной температуре.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, обеспечивается тем, что катод содержит свинец в количестве 35,7…36,2 мас.%, а суммарная протяженность межфазных границ между несмешивающимися компонентами меди и свинца на 1 мм2 поверхности катода составляет 6,5…16,0 мм/мм2.
Такая композиция позволяет получить рабочую поверхность катода с высокими электрофизическими характеристиками, необходимыми для возбуждения разряда и образование приповерхностной плазмы плотностью, достаточной для извлечения больших токов. Определяющим физическим параметром рабочей поверхности катода является работа выхода. Снижение работы выхода обеспечивает снижение значения тока, ниже которого самоподдерживающее состояние дугового разряда невозможно. Наблюдается повышение эмиссии и повышение тока в пучке при более низком пороговом значении напряжения. Снижение порога плазмообразования обеспечивает стабильно высокую интенсивность тока в импульсе при снижении энергоемкости процесса.
На глубину проникновения ионов и толщину слоя с измененной дислокационной структурой существенное влияние оказывает протяженность межфазных границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода.
Существенный рост глубины имплантированного слоя и слоя с измененной дислокационной структурой наблюдается при суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода в пределах 6,5…16,0 мм/мм2.
При суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода менее 6,5 мм/мм2 увеличения глубины имплантированного слоя не происходит. Измерение состава ионов в пучке показало, что в этом случае преобладают одно и двух зарядные ионы меди и свинца.
При суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода более 6,5 мм/мм2 увеличение глубины имплантированного слоя и слоя с измененной дислокационной структурой начинает проявляться. В составе пучка помимо одно и двух зарядных ионов меди и свинца появляются многозарядные ионы и кластеры - комплексы из атома свинца и двух однозарядных ионов меди.
По мере роста протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода наблюдается рост количества кластеров в составе пучка. Максимума количество кластеров в пучке достигается при суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода 16,0 мм/мм2. Большее значение суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода для монотектического сплава меди со свинцом получить не удается.
Подробнее сущность заявляемого катода установки для ионной имплантации поясняется схемами и фотографией:
- на фиг.1 представлена микроструктура монотектического сплава меди со свинцом с протяженностью протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода 12,2 мм/мм2.
- на фиг.2 представлена схема строения поверхностного слоя стали после ионной имплантации;
- на фиг.3 представлено изменение доли кластеров в ионном пучке в соответствии с ростом суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода;
- на фиг.4 представлено изменение глубины имплантированного слоя h и слоя с измененной дислокационной структурой H при увеличении суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода;
Пример конкретного использования заявляемого изобретения. Катод, представляющий по форме шайбу диаметром 28 мм и толщиной 5 мм изготавливали из монотектического сплава меди со свинцом. Содержание свинца в сплаве составляло 36 мас.%.
Особенность монотектического сплава меди со свинцом заключается в том, что его компоненты являются несмешивающимися. Относительная простота получения данного сплава объясняется особенностями диаграммы состояния данного сплава: невысоким куполом расслоения в жидком состоянии и высоким содержанием свинца в монотектической точки.
Для фиксации структуры монотектического сплава применялась закалка в воду из жидкого состояния. В зависимости от температуры нагрева сплава перед закалкой и температуры воды фиксировались структуры с различной протяженностью границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода.
После токарной обработки катоды использовали в установке для ионной имплантации для получения мощных ионных пучков сложного состава наносекундной длительности. Испытания на пороговое напряжение плазмообразования проводили на установке для ионной имплантации.
Измерение плотности осуществлялось при одном и том же ускоряющем напряжении 30 кВ. Наилучшие результаты, достигнутые при использовании катода по прототипу следующие: амплитуда напряжения в первом импульсе 15 кВ, плотность тока 5,5…6,2 А/см2. Из представленных данных следует, что катод предложенного состава позволяет снизить амплитуду напряжения в первом импульсе до 8,6…9 кВ при незначительном снижении плотности тока. В результате величина коэффициента выхода (отношение плотности тока к напряжению в первом импульсе) возрастает в 1,5 раза по сравнению с соответствующей величиной коэффициента выхода при использовании катода, принятого в качестве прототипа.
Осуществляли имплантацию образцов стали 30ХГСН2А толщиной 3 мм и размерами 60×60 мм. Вакуумную камеру, в которой расположен источник ионов, откачивали до остаточного давления 10-3 Па. На первом этапе делали ионную очистку обрабатываемой поверхности с помощью газового источника ионами аргона. При этом энергия ионов не превышает 10…15 кэВ. Затем энергия ионов меди и свинца повышалась до 35…40 кэВ, и выполнялась имплантация с дозой 2,5×1017 ион/см2.
Образцы стали 30ХГСН2А в исходном состоянии и после имплантации быи подвергнуты испытаниям на износ, а также исследованиям с помощью метода вторичной ионной масс-спектрометрии и просвечивающего электронного микроскопа. Последние два метода позволяли определить толщину имплантированного слоя h и толщину H слоя с измененной дислокационной структурой.
Измерения содержания в ионом пучке кластеров в зависимости от суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода осуществляли с помощью магнитного масс-зарядового сепаратора (GSI) и времяпролетного сепаратора (LBNL). Для исключения влияния длительности влияния длительности импульса дуги все измерения зарядового распределения ионов осуществлялись через 100 µs после зажигания разряда.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Таким образом, использование в качестве катода установки для имплантации монотектического сплава меди со свинцом при суммарной протяженности границ между несмешивающимися компонентами медью и свинцом в микроструктуре катода, приходящуюся на 1 мм2 поверхности катода в пределах 6,5…16,0 мм/мм2 позволяет повысить глубину имплантированного слоя и слоя с измененной дислокационной структурой. Это в совокупности приводит к повышению износостойкости конструкционной стали 30ХГСН2А.
Claims (1)
- Катод установки для ионной имплантации, выполненный из сплава меди со свинцом, отличающийся тем, что сплав содержит свинец в количестве 36 мас.%, соответствующем монотектической точке сплава, в микроструктуре которого суммарная протяженность межфазных границ на 1 мм2 поверхности катода составляет 6,5…16,0 мм/мм2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012140037/02A RU2501886C1 (ru) | 2012-09-19 | 2012-09-19 | Катод установки для ионной имплантации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012140037/02A RU2501886C1 (ru) | 2012-09-19 | 2012-09-19 | Катод установки для ионной имплантации |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2501886C1 true RU2501886C1 (ru) | 2013-12-20 |
Family
ID=49785186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012140037/02A RU2501886C1 (ru) | 2012-09-19 | 2012-09-19 | Катод установки для ионной имплантации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2501886C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU172049U1 (ru) * | 2016-06-24 | 2017-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" | Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов |
CN112126818A (zh) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 国标(北京)检验认证有限公司 | 一种空心阴极铅灯阴极用铜铅合金及其制备方法 |
CN112680625A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-20 | 南京国重新金属材料研究院有限公司 | 一种Cu-Pb偏晶合金及其制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1483891A (en) * | 1973-12-14 | 1977-08-24 | Engel N | Superhard martensite and method of making the same |
RU2283367C1 (ru) * | 2004-06-22 | 2006-09-10 | Аплайд Филмс Гмбх Унд Ко. Кг | Распылительный катод для процессов нанесения покрытий |
RU2458182C1 (ru) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца |
-
2012
- 2012-09-19 RU RU2012140037/02A patent/RU2501886C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1483891A (en) * | 1973-12-14 | 1977-08-24 | Engel N | Superhard martensite and method of making the same |
RU2283367C1 (ru) * | 2004-06-22 | 2006-09-10 | Аплайд Филмс Гмбх Унд Ко. Кг | Распылительный катод для процессов нанесения покрытий |
RU2458182C1 (ru) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU172049U1 (ru) * | 2016-06-24 | 2017-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" | Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов |
CN112126818A (zh) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 国标(北京)检验认证有限公司 | 一种空心阴极铅灯阴极用铜铅合金及其制备方法 |
CN112126818B (zh) * | 2019-06-25 | 2022-02-11 | 国标(北京)检验认证有限公司 | 一种空心阴极铅灯阴极用铜铅合金及其制备方法 |
CN112680625A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-20 | 南京国重新金属材料研究院有限公司 | 一种Cu-Pb偏晶合金及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Koval’ et al. | Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams | |
RU2501886C1 (ru) | Катод установки для ионной имплантации | |
Devyatkov et al. | Modernization of cathode assemblies of electron sources based on low pressure arc discharge | |
RU2413033C2 (ru) | Способ плазменного азотирования изделия из стали или из цветного сплава | |
Law et al. | Diagnosing asymmetric bipolar HiPIMS discharges using laser Thomson scattering | |
Shaim et al. | Aluminum multicharged ion generation from laser plasma | |
Weijie et al. | Theoretical model and experimental investigation optically triggered hollow-cathode discharge formation | |
Bolotov et al. | Diagnosis of plasma glow discharge energy parameters in the processes of treatment small diameter long tubes | |
Ryabchikov et al. | Modification of 40X13 steel at high-intensity nitrogen ion implantation | |
RU107657U1 (ru) | Форвакуумный плазменный электронный источник | |
RU2436864C1 (ru) | Способ нанесения композиционного ламинатного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность | |
RU2513119C2 (ru) | Способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для системы генерации азотной плазмы | |
Fu et al. | Characterization of high-current pulsed electron beam interaction with AISI 1045 steel and the microstructure evolution | |
Naeem et al. | Development of a laser ablation-hollow cathode glow discharge emission source and the application to the analysis of steel samples | |
Sinelnikov et al. | Arc tracks on nanostructured surfaces after microbreakdowns | |
RU2486281C1 (ru) | Способ поверхностной модификации конструкционных материалов и изделий | |
RU155002U1 (ru) | Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов | |
RU2483500C2 (ru) | Способ локального нагрева участка поверхности катода | |
Teh et al. | A Study on the Surface Hardness Obtained by Nitriding with a Plasma Focus Machine | |
Wood | Fundamentals of plasma immersion ion implantation and deposition | |
Zeltser et al. | Fabrication of nitrogen-containing coatings in reed switches by pulsed ion-plasma treatment | |
RU2339735C1 (ru) | Способ нанесения пленочного покрытия | |
RU2725788C1 (ru) | Устройство для поверхностной обработки металлических и металлокерамических изделий | |
RU2801364C1 (ru) | Способ генерации потоков ионов твердого тела | |
Proskurovsky | Use of droplet spots burning for decreasing of droplet fraction in vacuum arc plasma |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20161114 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20170427 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190920 |