UA63164A

UA63164A - A plasma apparatus

Info

Publication number: UA63164A
Application number: UA2003021162A
Authority: UA
Original assignee: Univ Dnipropetrovsk Nat
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

A plasma apparatus for generation of radial drop-free jet of accelerated metal ions contains one or two axial vacuum-arc evaporators with oppositely disposed cathodes and magnetic system disposed axially to them. The anode of vacuum-arc evaporators is made common, and it consists of two coaxial long water-cooling cylinders with an inner diameter equal to 2-3 diameters of cathode. Cylinders are placed with a gap at the level of intercathode space center. The size of the gap is selected on the conditions of invisibility of evaporated surface of cathode from any point of surface treated with accelerated ions which is disposed coxially to plasma apparatus outside the magnetic system thereof. The magnetic system has cylindrical magnetic poles situated under the negative accelerating potential relative to the anode of evaporators and placed directly outside the external surface of anode with a gap between poles approximately equal to the gap in the anode.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до плазмових технологічних пристроїв для іонно-плазмової обробки поверхні і 2 нанесення покриттів.The invention relates to plasma technological devices for ion-plasma surface treatment and 2 coating.

Відомо технологічний плазмовий пристрій |1), що складається з торцевого вакуумно-дугового випарювача і плазмово-оптичного сепаратора, що розташований на виході випарювача. Сепаратор складається з криволінійного плазмовода, який знаходиться під позитивним, відносно плазмового струменя, потенціалом і намотаної на зовнішню поверхню плазмовода одношарової магнітної котушки. Плазмовод має вигляд однієї чверті тору і, таким чином, непрозорий для крапель і інших твердих частинок матеріалу катода, що мають прямолінійні траєкторії руху. Струмінь заряджених частинок - іонів, направляється плазмово-оптичною системою сепаратора на оброблювану поверхню. Головним недоліком цього пристрою являється незначна прозорість плазмово-оптичної системи для іонів. Це погіршує ефективність плазмового пристрою при нанесені покриттів.A technological plasma device |1) is known, consisting of an end vacuum-arc evaporator and a plasma-optical separator located at the outlet of the evaporator. The separator consists of a curved plasma conductor, which is under a positive, relative to the plasma jet, potential and a single-layer magnetic coil wound on the outer surface of the plasma conductor. The plasma conductor has the shape of one quarter of a torus and, thus, is opaque to droplets and other solid particles of the cathode material that have rectilinear trajectories. The stream of charged particles - ions is directed by the plasma-optical system of the separator to the processed surface. The main drawback of this device is the low transparency of the plasma-optical system for ions. This impairs the efficiency of the plasma device when applying coatings.

Другим важливим недоліком пристрою є те, що для прискорення іонів до енергії, необхідної для попередньої 12 обробки виробів перед нанесенням покриття, на оброблювальний виріб необхідно подавати прискорюючий іони потенціал. Ця обставина унеможливлює застосування пристрою для іонної обробки виробів із діелектричних матеріалів.The second important disadvantage of the device is that in order to accelerate the ions to the energy required for the preliminary 12 treatment of the products before coating, it is necessary to apply an ion-accelerating potential to the processed product. This circumstance makes it impossible to use the device for ion treatment of products made of dielectric materials.

Найближчим аналогом - прототипом винаходу, є пристрій |2), що містить два співвісних вакуумно-дугових випарювача з опозиційне розташованими катодами і розташованої співвісно з ними магнітної системи.The closest analog - the prototype of the invention is the device |2), which contains two coaxial vacuum-arc evaporators with oppositely located cathodes and a magnetic system located coaxially with them.

Загальними суттєвими ознаками прототипу і припущеного винаходу є наявність двох вакуумно-дугових випарювачів з опозиційне розташованими катодами і разташованої співвісно з ними магнітної системи. В конструкції пристрою-прототипу, над зоною розповсюдження зустрічних плазмових струменів вакуумно-дугових випарювачів, встановлено три співвісні циліндричні електроди. Над електродами, що примикають до випарювачів, розташовані циліндричні, співвісні магнітні котушки. Середній електрод має більший діаметр. Його 29 внутрішня поверхня, біля якої розміщуються оброблювальні вироби, знаходиться поза зоною прямого зору з « боку катодів вирювачів. Це є необхідною умовою захисту оброблювальних виробів від попадання макрочастинок розпиленого матеріалу катода. Усі три електроди знаходяться під позитивним, відносно іонного струменя, потенціалом, і, завдяки відповідній геометрії магнітного поля, заряджені частинки фокусуються на оброблювальних виробах. Попередня іонна обробка виробів здійснюється прикладенням до них прискорюючого З іони потенціалу. Це є спільною рисою і недоліком для аналога й прототипу. Прототип характеризується Ге) максимальним коефіцієнтом використання іонів, що, при ефективному екрануванні макрочастинок, забезпечує високі експлуатаційні характеристики пристрою при нанесенні покриттів на металеві вироби. До недоліків цієї -- схеми слід віднести також підвищені витрати при виготовлені і експлуатації магнітної системи з «95 великогабаритними магнітними котушками, а також деякі незручності при розміщені оброблювальних виробів у 3о робочій зоні. ее,Common essential features of the prototype and the proposed invention are the presence of two vacuum-arc evaporators with oppositely located cathodes and a magnetic system located coaxially with them. In the design of the prototype device, three coaxial cylindrical electrodes are installed above the spreading zone of the oncoming plasma jets of the vacuum-arc evaporators. Cylindrical coaxial magnetic coils are located above the electrodes adjacent to the evaporators. The middle electrode has a larger diameter. Its 29 inner surface, near which the processing products are placed, is outside the direct line of sight from the side of the cathodes of the extractors. This is a necessary condition for the protection of processed products from the ingress of macroparticles of the sprayed cathode material. All three electrodes are under a positive, relative to the ion jet, potential, and due to the appropriate geometry of the magnetic field, the charged particles are focused on the processed products. Preliminary ion treatment of products is carried out by applying to them an accelerating potential with ions. This is a common feature and drawback for the analog and the prototype. The prototype is characterized by the maximum coefficient of use of ions, which, with effective shielding of macroparticles, ensures high operational characteristics of the device when applying coatings to metal products. Among the disadvantages of this scheme should also be attributed the increased costs during the manufacture and operation of the magnetic system with 95 large-sized magnetic coils, as well as some inconveniences when placing the processed products in the 3o working area. eh

В основу припущеного винаходу покладено вирішення задачі автономного регулювання енергії заряджених частинок, що використовуються для попередньої обробки поверхні і для нанесення покриттів. Поставлена задача вирішується тим, що плазмовий пристрій для генерації радіального, безкрапельного струменя « прискорених металевих іонів, містить один або два співвісних вакуумно-дугових випарювача з опозиційно З 70 розташованими катодами, і відрізняється тим, що спільний анод вакуумно-дугових випарювачів складається з с двох співвісних, довгих, водоохолоджуваних циліндрів, з внутрішнім діаметром рівним 2-3 діаметрам катода,The proposed invention is based on solving the problem of autonomous regulation of the energy of charged particles used for preliminary surface treatment and coating. The problem is solved by the fact that the plasma device for generating a radial, dropless jet of accelerated metal ions contains one or two coaxial vacuum-arc evaporators with cathodes located in opposition to 70, and differs in that the common anode of the vacuum-arc evaporators consists of two coaxial, long, water-cooled cylinders, with an inner diameter equal to 2-3 diameters of the cathode,

Із» установлених з зазором, що розміщується на рівні центру міжкатодного проміжку і розмір якого вибирається з умов невидимості випарюваної поверхні катоду з будь якої точки оброблюваної прискореними іонами поверхні, яка розташовується співвісно з плазмовим пристроєм за межами його магнітної системи, що має циліндричні магнітні полюси, які знаходяться під негативним відносно аноду випарювачів прискорюючим потенціалом та б розташовані безпосередньо за зовнішньою поверхнею анода з міжполюсним зазором, що приблизно дорівнює оз зазору в аноді. Плазмовий пристрій відрізняючийся тим, що має газопідводящу трубку, відкриту в розрядну камеру між катодами й анодом випарювачів, а катоди випарювачів мають можливість переміщення вздовж осі - пристрою. б 20 Суть припущеного винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. приведено конструктивну схему пристрою.Of" installed with a gap located at the level of the center of the inter-cathode gap and the size of which is selected from the conditions of invisibility of the evaporated surface of the cathode from any point of the surface treated by accelerated ions, which is located coaxially with the plasma device outside its magnetic system, which has cylindrical magnetic poles, which are under a negative accelerating potential relative to the anode of the evaporators and are located directly behind the outer surface of the anode with an interpolar gap approximately equal to the gap in the anode. The plasma device differs in that it has a gas supply tube, which is opened into the discharge chamber between the cathodes and the anode of the evaporators, and the cathodes of the evaporators can be moved along the axis of the device. b 20 The essence of the proposed invention is explained by the drawing, where in fig. the structural diagram of the device is given.

Основою конструкції пристрою являється магнітна система, що має два трубчаті, співвісні магнітніThe basis of the design of the device is a magnetic system, which has two tubular, coaxial magnets

Т» магнітопровода 1 із попреречним міжполюсним зазором 2. Величина міжполюсного зазору вибирається з умов технічної можливості забезпечення в зазорі магнітної індукції приблизно 0.1Тл і щільності струму іонів, що витягуються з камери іонізації через зазор, приблизно 10 З А/м2. У внутрішній порожнині магнітопроводів, 59 співвісно з ними, розташовано один або два торцеві вакуумно-дугові випарювача. Катоди З випарювачів в. розташовані назустріч один одному. Катоди встановлено з можливістю переміщення вздовж осі магнітної системи, відносно середньої лінії міжполюсного зазору 2. Аноди 4 випарювачів, мають вигляд водоохоложуваних циліндрів, змонтованих у порожнині магнітної системи, електроізольовано від неї, із зазором між анодом і магнітопроводами 1-2мм. Аноди змонтовано нерухомо відносно полюсів таким чином, що зазор між анодами 60 співпадає з міжполюсним зазором магнітної системи. Аноди, катоди і допоміжні електроди 5 утворюють камеру іонізації з виходом для іонів Через кільцевий зазор 2. Через трубку 6 у камеру іонізації може подаватись робочий газ -аргон. За межами конструктивних елементів магнітної системи (на схемі не зображені) розміщується монтажний конструктивний елемент 7, на якому розміщуються вироби під час попередньої іонної обробки й нанесення покриття. Розмір І елементу 7 вибирається з умов розташування виробів у межах кута а, бо що визначає зону струменю, вільну від мікрокрапельної фази.T" of the magnetic wire 1 with a transverse interpolar gap 2. The size of the interpolar gap is selected from the conditions of the technical possibility of ensuring a magnetic induction in the gap of approximately 0.1T and the current density of ions extracted from the ionization chamber through the gap of approximately 10 C A/m2. One or two end vacuum-arc evaporators are located in the inner cavity of the magnetic conductors, 59 coaxially with them. Cathodes from evaporators in located facing each other. Cathodes are installed with the possibility of movement along the axis of the magnetic system, relative to the middle line of the interpolar gap 2. Anodes of 4 evaporators have the form of water-cooled cylinders, mounted in the cavity of the magnetic system, electrically isolated from it, with a gap between the anode and magnetic conductors of 1-2 mm. The anodes are mounted stationary relative to the poles in such a way that the gap between the anodes 60 coincides with the interpole gap of the magnetic system. Anodes, cathodes and auxiliary electrodes 5 form an ionization chamber with an outlet for ions. Through the annular gap 2. The working gas - argon can be supplied to the ionization chamber through the tube 6. Outside the structural elements of the magnetic system (not shown in the diagram), the assembly structural element 7 is placed, on which the products are placed during the preliminary ion treatment and coating. The size I of the element 7 is selected from the conditions of the location of the products within the angle a, because that determines the zone of the jet free from the microdroplet phase.

Пристрій працює наступним чином. При попередній обробці виробів, для зменшення щільності струму іонів на оброблювальну поверхню, вмикається розряд плазмових випарювачів із розрядним струмом на межі горіння розряду. Для подальшого зменшення щільності струму іонів на оброблювану поверхню, міжкатодний проміжок збільшується шляхом переміщення катодів випарювачів відносно центру вихідного зазору. сумішшю атоми газу іонізуються електронами, що генеровані дуговим розрядом і замагнічені в міжполюсному зазорі. Виконання умов замагніченості електронної компоненти в схрещених електричному й магнітному полях обумовлюють виникнення в перетині вихідного зазору камери іонізації подвійного електричного шару, що має фокусуючу іони конфігурацію і прискорює іони в напрямку оброблюваних виробів. Регулюванням величини прискорюючого потенціалу, /о регулюється енергія іонів, що бомбардують оброблювану поверхню. Таким чином відбувається незалежне регулювання параметрів іонного струменю, що значно розширює технологічні можливості пропонованого плазмового пристрою. В режимі нанесення покриття, струм металевих іонів збільшується шляхом зменшення міжкатодного проміжку випарювачів до розміру, що визначається умовами екранування мікрокрапельних частинок кромками магнітних полюсів. Струмінь металевих іонів формується в міжполюсному зазорі, в якому 7/5 реалізуються іонно-оптичні властивості. Зміненням величини прискорюючого потенціалу ефективно регулюються умови на поверхні конденсації покриття.The device works as follows. During the preliminary processing of products, to reduce the ion current density on the treated surface, a discharge of plasma vaporizers with a discharge current at the limit of discharge burning is turned on. To further reduce the ion current density on the treated surface, the intercathode gap is increased by moving the cathodes of the evaporators relative to the center of the output gap. with the mixture, gas atoms are ionized by electrons generated by the arc discharge and magnetized in the interpolar gap. Fulfillment of the conditions of magnetization of the electronic component in crossed electric and magnetic fields cause the emergence of a double electric layer at the intersection of the exit gap of the ionization chamber, which has an ion-focusing configuration and accelerates the ions in the direction of the processed products. By adjusting the value of the accelerating potential, /o, the energy of the ions bombarding the treated surface is regulated. In this way, the parameters of the ion jet are independently adjusted, which significantly expands the technological capabilities of the proposed plasma device. In the coating mode, the current of metal ions is increased by reducing the intercathode gap of the evaporators to the size determined by the conditions of shielding of the microdroplet particles by the edges of the magnetic poles. A stream of metal ions is formed in the interpolar gap, in which 7/5 ion-optical properties are realized. By changing the value of the accelerating potential, the conditions on the condensation surface of the coating are effectively regulated.

Таким чином, перевагою плазмового пристрою, що пропонується як припущений винахід, реалізуються умови незалежного регулювання параметрів іонно-плазмової обробки і нанесення покриттів в діапазоні параметрів ширшому ніж у відомих зразках технологічних плазмових пристроїв.Thus, the advantage of the plasma device, which is proposed as a putative invention, realizes the conditions of independent regulation of parameters of ion-plasma processing and application of coatings in a range of parameters wider than in known samples of technological plasma devices.

Список використаних джерел 1. Аксенов И.И., Белоус В.А. и др. Транспортировка плазменньїх потоков в криволинейной плазмо-оптической системе. Физика плазмь! Т.4.вьіп.4,1978. 2 АКквепом 1.1. Рогтайоп ої гадіа! ЯКегед звігеатев масиут-агс еговіоп ріазта, // ХМТЕ-4, Кпагком, ОКгаїпе, 2001.List of used sources 1. Aksenov I.Y., Belous V.A. etc. Transportation of plasma flows in a curvilinear plasma-optical system. Physics of plasmas! Volume 4. Issue 4, 1978. 2 AKkwepom 1.1. Rogtaiop oh gadia! YaKeged zvigeatev masiut-ags egoviop riazta, // KhMTE-4, Kpagkom, OKGaipe, 2001.

Claims

29 Formula of the invention "

1. A plasma device for generating a radial, dropless jet of accelerated metal ions, containing one or two coaxial vacuum-arc evaporators with oppositely located cathodes and a magnetic system located coaxially with them, which is distinguished by the fact that the anode of the vacuum-arc evaporators is made common, it consists of two coaxial long water-cooled cylinders with an inner diameter equal to (Ce) 2-3 diameters of the cathode, installed with a gap that is placed at the level of the center of the inter-cathode gap, and the size of which is chosen from the conditions of invisibility of the evaporated surface of the cathode from any - any point of the surface treated with accelerated ions, which is located coaxially with the plasma device outside its magnetic 9 35 system, which has cylindrical magnetic poles that are under the negative relative to the anode of the evaporators with an accelerating potential and are located directly behind the outer surface of the anode with an interpole gap that approximately equal to the gap in a never

2. The plasma device according to claim 1, which differs in that it has a gas supply tube opened into the discharge chamber between the cathodes and the anode of the evaporators. "

3. A plasma device according to claim 1, which is characterized by the fact that the cathodes of the evaporators have the ability to move from c along the axis of the device. . and? (o) (95) - (o) c» 60 b5