(51) МПК (2009) Кох с23с 14/00 М Сб23С 14/35 Сб23С 14/56 НОБН 1/00 НОБН 11/26 НОВ 7/00 нО1 37/08
НО1. 37/30 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Ї НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ о п И С ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД ВЛАСНОСТІ ишиГлРОІОТЛМЛИЬЛЬЛИТЬЛЬЛЬЛИЛДИТЬТЬТЬЬТИЬНЬ6ИЬТЬШИЬИЬТЬТЬТНИТЬТНШЬЬИТСИТИТИОИООТИТИТОИОИИТИИЬЬИИИОИИИИОВЛЛЄОЄИЄЄИБИТНТЦИЖИЄ6ЦООЦТНИИТЛ ОІаІНШШШООЛІТОООЛЇИОООЛООЛЛЛТОООХТОЛИОІЕВПОВШ?ИЙЦТЬНТНТИТИТЬТЬТЬЬЬЬШЬОХОИТЬИЬТИТОИИОСХИХДТИОВИТХИХННЙКЙИХИТИИИИНИТТЯ (54) ВАКУУМНО-ДУГОВЕ ДЖЕРЕЛО ПЛАЗМИ 1 2 (21) а200706629 підключення транспортуючої котушки, яке відріз- (22) 13.06.2007 няється тим, що осьовий канал внутрішньої від- (24) 25.08.2009 хиляючої котушки відкритий принаймні з боку ка- (46) 25.08.2009, Бюл.Мо 16, 2009 р. тода, а всередині цього каналу розміщена (72) АКСЬОНОВ ДМИТРО СЕРГІЙОВИЧ, АКСЬО- перегородка, яка перекриває поперечний переріз НОВ ІВАН ІВАНОВИЧ, СТРЕЛЬНИЦЬКИЙ ВОЛО- цього каналу. ДИМИР ЄВГЕНІЙОВИЧ, ВАСИЛЬЄВ ВОЛОДИМИР 2. Вакуумно-дугове джерело плазми за п. 1, яке ВАСИЛЬОВИЧ й й відрізняється тим, що діаметр зазначеного осьо- (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР "ХАР- вого каналу не менший за третину зовнішнього КІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИИЙ ІНСТИТУТ" діаметра внутрішньої відхиляючої котушки, або (56) 5), 1 040 631, А, 07.09.1983 зовнішнього діаметра кожуха цієї котушки, якщо ОА, 44 842, С2, 15.03.2002 він є, а зазначена перегородка зміщена всередину с ОА, 46 887, С2, 17.06.2002 осьового каналу відносно його отвору з боку еро- (о) ОА, 84 675, С2, 25.11.2008 дуючого катода на відстань не меншу за половину є КИ, 2 180 472, 10.03.2002 його діаметра. мий МО, 92/16959, А1, 01.10.1992 3. Вакуумно-дугове джерело плазми за пп. 1 або 2, СА, 1 176 599, А1, 23.10.1984 яке відрізняється тим, що зазначена перегородка и, 4 551 221, А, 05.11.1985 електрично ізольована від конструктивних елеме- ав! и, 4 512 867, А, 23.04.1985 нтів цього джерела. со УР, 2007-046144, А, 22.02.2007 4. Вакуумно-дугове джерело плазми за будь-яким со Аксенов И.И., Белоус В.А. и др. Устройство для з пп. 1-3 яке відрізняється тим, що витки, які че очистки плазмь вакуумной дуги от микрочас- утворюють внутрішню відхиляючу котушку, вигото- со тиц//Приборь и техника зксперимента, 1978, Мо 5.- влені з електропровідної трубки з можливістю про- ра
С.236-237 тікання по ній охолоджувача. в. (57) 1. Вакуумно-дугове джерело плазми, що 5. Вакуумно-дугове джерело плазми за будь-яким включає еродуючий катод, анод, охоплений елект- з пп. 1-4, яке відрізняється тим, що зовнішня ромагнітною фокусуючою котушкою, прямоліній- транспортуюча котушка складається принаймні з ний плазмовід, охоплений зовнішньою електрома- двох співвісних секцій. « гнітною транспортуючою котушкою, всередині б. Вакуумно-дугове джерело плазми за будь-яким в якого розташована внутрішня електромагнітна з пп. 1-5, яке відрізняється тим, що внутрішня 87 відхиляюча котушка з осьовим каналом і підклю- відхиляюча котушка складається принаймні з двох Кай ченням її до джерела електроструму зустрічно до співвісних секцій. Винахід належить до техніки формування по- користання в іонно-плазмовій обробці матеріалів. токів металевої й газо-металевої плазми для ви- Винахід може бути використаний для осадження високоякісних покриттів різного призначення - зно- 1984). Це вакуумно-дугове джерело плазми вклю- состійких, антифрикційних, декоративних, електро- чає еродуючий катод, анод, охоплений електрома- й теплопровідних, електро- й теплоізолюючих та. гнітною котушкою, прямолінійний плазмовід, охоп-
ін., а також для поверхневого модифікування ма- лений зовнішньою транспортуючою теріалів опроміненням потоками іонів та/або елек- електромагнітною котушкою, всередині якого роз- тронів. ташована внутрішня відхиляюча електромагнітна Повнота реалізації надзвичайних можливостей котушка з осьовим каналом, із можливістю підклю- вакуумної дуги як інструмента для формування чення її до джерела електроструму зустрічно до високоякісних покриттів залежить від того, наскіль- транспортуючої котушки. Відхиляюча котушка ки успішно буде вирішена проблема так званих розміщена у кожусі, який забезпечує можливість макрочастинок - краплин та твердих фрагментів протоку охолоджувача. Осьовий канал цієї котуш- матеріалу еродуючого катода. Потрапляючи на ки з обох кінців закритий торцевими стінками ко- поверхню виробу, на якому формують покриття, жуха. Прямолінійний плазмовід із зовнішньою такі частинки погіршують його якість, знижують транспортуючою котушкою, внутрішньою відхиля- його службові характеристики. ючою котушкою і кожухом, що її охоплює, утворю- Відоме вакуумно-дугове джерело плазми ГИ. И. ють фільтр для запобігання потрапляння макроча- Аксенов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших стинок вна вихід вакуумно-дугового джерела. «Устройство для очистки плазмь! вакуумной дуги Транспортуюча й відхиляюча котушки включені от макрочастиц», ПТЗ, Мо5, 1978, с. 236-237), що зустрічно й генерують трубчастий магнітний потік в включає еродуючий катод і анод, охоплений елек- проміжку між кожухом відхиляючої котушки та пла- тромагнітною котушкою. Для формування потоків змоводом. Уздовж цього потоку в обхід відхиляю- очищеної від макрочастинок вакуумно-дугової чої котушки з кожухом плазма транспортується до плазми в цьому джерелі використовують криволі- виходу із плазмоводу на поверхню виробу. Зовні- нійний фільтр. Він містить у собі трубоподібний шній діаметр відхиляючої котушки обраний таким, плазмовід, зігнутий у вигляді чверті тора, і систему що між робочою поверхнею катода та вихідним магнітних котушок, розміщених уздовж плазмово- отвором плазмоводу відсутня пряма видимість.
ду. Заряджені компоненти плазми катодного мате- Тому макрочастинки, рухаючись прямолінійними ріалу - іони та електрони - транспортуються за траєкторіями, перехоплюються відхиляючою ко- допомогою магнітоелектричних полів уздовж кри- тушкою в кожусі і на вихід плазмоводу не потрап- волінійного плазмоводу від катода до поверхні ляють. Торцева стінка цього кожуху, звернена до виробу, на якій іони, конденсуючись, утворюють катоду, виконує роль екрана, який перехоплює покриття. Макрочастинки у порівнянні з іонами макрочастинки, які рухаються в напрямку осьового мають дуже велику масу, майже незаряджені, й каналу відхиляючої котушки. тому не реагують ні на магнітні ні на електричні Недоліком пристрою є низька ефективність поля. Рухаючись по прямолінійним траєкторіям пропускання плазми через фільтр. Це обумовлено вони стикаються (можливо декілька разів) з повер- тим, що значна частина первинного потоку іонів хнею плазмоводу, висаджуються на ній але на втрачається, попадаючи на екран, тобто на торце- вихід з фільтра майже не потрапляють. ву поверхню кожуха відхиляючої котушки. Недоліками цього пристрою, які заважають йо- Задачею, на вирішення якої направлений ви- го широкому застосуванню в практиці високих тех- нахід, є удосконалення вакуумно-дугового джере- нологій, є складність. Громіздкість і порівняно ни- ла плазми для зменшення втрат плазми під час її зька ефективність транспортування плазми через фільтрування від макрочастинок і транспортуван- криволінійний фільтр. ня в плазмоводі. Задача повинна вирішуватися Відоме також вакуумно-дугове джерело плаз- шляхом конструктивних змін, які для досягнення ми (І. Аксенов, 05, 4 551221, 1981), яке містить зазначеного результату, повинні створити певні циліндричний або конічний катод з робочою пове- геометричні та магнітоелектричні конфігурації в рхнею, що випаровується катодною плямою дуги, плазмоводі вакуумно-дугового пристрою. трубоподібний циліндричний анод і електромагніт- Поставлена задача вирішується у вакуумно- ні котушки. Останні утворюють магнітні поля для дуговому джерелі плазми, яке також, як і джерело, утримання катодної плями на робочій поверхні прийняте за прототип, включає еродуючий катод, катода і фокусують плазмовий потік, який еміту- анод, охоплений електромагнітною фокусуючою ється катодною плямою. В цьому джерелі внаслі- котушкою, прямолінійний плазмовід, охоплений док того, що практично уся іонна складова спря- зовнішньою електромагнітною транспортуючою мовується фокусуючим магнітним полем на вихід котушкою, всередині якого розташована внутрішня джерела, а макрочастинки, рухаючись переважно електромагнітна відхиляюча котушка з осьовим у радіальних напрямках, перехоплюються стінками каналом, з підключенням її до джерела електро- анода, концентрація макрочастинок у вихідному струму зустрічно до транспортуючої котушки. потоці плазми знижується, а ефективність транс- Відповідно до винаходу, осьовий канал відхи- портування плазми зростає. Конструкція джерела ляючої котушки відкритий, принаймні з боку като- порівняно проста, але ступінь видалення макроча- ду, а всередині цього каналу розміщена перегоро- стинок із плазми значно нижчий, ніж у попере- дка, яка перекриває поперечний переріз цього дньому пристрої з криволінійним фільтром. каналу. Більш ефективне видалення макрочастинок із Діаметр осьового каналу відхиляючої котушки, плазми і значне спрощення конструкції властиві або її кожуху, якщо він є, у кращому варіанті пови- пристрою, що надалі розглядатиметься як прото- нен бути не меншим за третину її зовнішнього діа- тип: (І. Ахепом еї аї., Сападіап Раїепі Мео1176599, метра (або зовнішнього діаметра кожуху), а зазна-
чену перегородку треба змістити усередину цього варіанті виконання відхиляючої котушки їй не по- каналу відносно його отвору з боку катода на від- трібен кожух, в якому циркулює охолоджувач. стань не меншу за половину його діаметра. Відхиляюча та/або транспортуюча котушки Зазначена перегородка може бути електрично можуть складатися з кількох (принаймні з двох) ізольована від конструктивних елементів джерела. секцій для забезпечення тонкої настройки розпо- Для того, щоб відхиляючу котушку можна було ділу магнітних полів в плазмоводі з метою оптимі- використовувати без кожуху, витки, які її утворю- зації умов транспортування плазми. ють, можна виготовити з електропровідної трубки Суть винаходу пояснюється графічними мате- із можливістю протоку по ній охолоджувача. ріалами. Транспортуюча котушка може складатися, На Фіг.1 зображена загальна схема пропонує- принаймні, з двох співвісних секцій. мого пристрою в одному із варіантів його виконан- Відхиляюча котушка також може складатися ня без кожуху відхиляючої котушки. принаймні з двох співвісних секцій. На Фіг.2 показаний подовжній переріз відхи- Завдяки зазначеним особливостям винаходу, ляючої котушки у кожусі відповідно до пристрою, на відміну від пристрою-прототипу, в якому вхід до прийнятому за прототип. осьового каналу відхиляючої котушки перекритий На Фіг.3 наведено схему варіанта плазмового екраном (торцевою стінкою кожуха), на якому пла- фільтра пропонуємого пристрою з секціонованими зма, що надходить від джерела, втрачається, в електромагнітними котушками. пристрої за даним винаходом ця частина плазми На Фіг.4 наведено схему варіанта пропонуємо- проходить через відкритий отвір усередину осьо- го пристрою з плазмоводом, який виконує функцію вого каналу котушки. Тут вона взаємодіє з магніт- анода джерела плазми, і з перегородкою, розмі- ним полем, що посилюється до центру котушки. щеною на утримувачі всередині осьового каналу Таке поле являє собою так зване "магнітне дзер- відхиляючої котушки. кало", яке навіть при невеликих значеннях магніт- На Фіг.5 показане тривимірне зображення ва- ної індукції ефективно відбиває електронну компо- ріанта пристрою з трьома генераторами плазми. ненту плазми. Цього достатньо для того, щоб На Фіг.6 зображений подовжній переріз фільт- услід за електронами рухалися у зворотному на- ра з відхиляючою котушкою, витки якої виготовле- прямку і іони в результаті електростатичної взає- ні з трубчастого провідника. модії з негативним просторовим зарядом електро- На Фіг.7 та 8 зображені схеми силових ліній нів, відбитих від магнітного дзеркала. Таким магнітних полів у пропонуємо-му пристрої з двома чином, принцип квазінейтральності плазми при і чотирма секціями транспортуючої котушки відпо- цьому зберігається. Отже, частина плазми, що відно. надходить до відхиляючої котушки, не втрачаєть- На Фіг.9 зображений графік залежності іонного ся. Вона відбивається магнітним дзеркалом, що струму на виході пристрою, що пропонується, від всередині цієї котушки і, змішавшись з основним відстані між вхідним отвором осьового каналу та потоком плазми, направляється до виходу при- перегородкою всередині відхиляючої котушки (у строю за допомогою магнітного поля між плазмо- відносних величинах). водом і відхиляючою котушкою. Розглянемо варіанти практичного виконання Як показали дослідження, зазначені вище діа- пропонуємого пристрою. метр осьового каналу відхиляючої котушки і вели- Вакуумно-дугове джерело плазми, схема якого чина зміщення перегородки всередину цього ка- зображена на Фіг.1, складається з генератора пла- налу забезпечують оптимальний процес відбиття зми і плазмового фільтра. До складу генератора плазми відхиляючою котушкою і, як наслідок, під- плазми входить еродуючий катод 1, з матеріалу вищення ефективності проходження плазми до (металу, сплаву або графіту) для утворення відпо- виходу пристрою. відної плазми, анод 2, та стабілізуюча й фокусую- Слід також зазначити, що плазма, яка руха- ча електромагнітні котушки З і 4. Фільтр містить ється точно уздовж осі пристрою, не відбивається прямолінійний плазмовід 5, зовнішню транспорту- згаданим вище магнітним дзеркалом і безпереш- ючу електромагнітну котушку б і внутрішню відхи- кодно потрапляє до перегородки всередині каналу ляючу електромагнітну котушку 7. Усередині осьо- котушки й осаджується на цій перегородці. Якщо вого каналу 8 котушки 7 розміщена перегородка 9. ця перегородка електрично ізольована, то, внаслі- Відстань від вхідного отвору осьового каналу ко- док більш високої рухливості, електрони в більшій тушки 7 до цієї перегородки не менша за половину кількості, ніж іони, потрапляють на неї. Вона набу- діаметра її каналу 8, а цей діаметр не менший за ває негативного плаваючого потенціалу, який третину зовнішнього діаметра котушки 7. Пристрій утруднює подальше "витікання" електронів (а від- вихідним отвором 10 плазмоводу пристикований так - і іонів) з плазми перед відхиляючою котуш- до робочої камери технологічної установки (на кою. Отже, втрати плазми внаслідок її "витікання" Фіг.1 не показана), всередині якої проти зазначе- уздовж осі всередину відхиляючої котушки змен- ного вихідного отвору 10 розміщений виріб 11, шуються. поверхня якого обробляється. Живлення вакуум- Якщо витки відхиляючої котушки виготовити з но-дугового розряду між катодом З та анодом 4 електропровідної трубки із забезпеченням можли- здійснюється від джерела струму 12. Підпалюючий вості протоку по ній охолоджувача, то її можна пристрій (на Фіг.1 не показаний) будь-якого відомо- буде примусово охолоджувати рідиною або газом, го типу розміщений біля катоду 3. За допомогою що дасть можливість посилити електричний струм джерела напруги 13 забезпечується можливість у котушці для підсилення магнітного поля і, відпо- подачі на плазмовід 5 примусового позитивного відно, його відбиваючої дії на плазму. При такому потенціалу зміщення. Живлення котушок 3, 4,6 і 7 здійснюється від джерел струму 15, 16 і 14. Зовні- шній діаметр котушки 7 обраний таким, що вихід- р-М /о-М тс/98. ний отвір 10 плазмоводу 5 знаходиться поза пря- мої видимості з робочої поверхні катода 1. На Фіг.1 Тут М. - складова швидкості частинки, перпен- зона відсутності прямої видимості зі зазначеної дикулярна напрямку магнітного поля з індукцією В. поверхні катода знаходиться між двома штрихо- Якщо магнітне поле обране таким, що викону- вими лініями праворуч від котушки 7. Транспорту- ється ліва частина нерівності (1), то електрони, юча й відхиляюча котушки 6 ї 7 можуть підключа- вільно рухаючись уздовж ліній магнітного поля із тися до джерел живлення 16 і 14 зустрічно, тобто подовжньою швидкістю М/, на стінки плазмоводу 5 так, щоб струми у витках цих котушок протікали в і котушки 7 потрапити не можуть, бо їх поперечний протилежних напрямках. направлений рух у магнітному полі перетворився в Описаний пристрій працює наступним чином. круговий з ларморівським радіусом ре значно При заданому тиску залишкової атмосфери або меншим за відстань до зазначених стінок.
У таких робочого газу (зазвичай у межах від 10 до 10" Па) випадках говорять, що електрони плазми замагні- та при ввімкнутих джерелах живлення 12-16 ваку- чені. умно-дугового розряду та котушок за допомогою Що ж стосується позитивно заряджених іонів підпалюючого вузла в генераторі плазми між ано- металу, з яких складається іонна складова плаз- дом 2 і катодом 1 підпалюється дуговий розряд. ми, то ці важкі частинки (маса іона титану, напри- Катодна пляма розряду дією магнітного поля, що клад, вища за масу електрона у 88000 разів) на генеруються котушкою 3, утримується на робочій магнітне поле в проміжку між плазмоводом 5 і ко- поверхні катода 1. Ця катодна пляма емітує плаз- тушкою 7 майже не реагують тому, що їх лармо- мовий потік, що складається з електронів, позити- рівський радіус рі є більшим за ширину 4 цього вних іонів та макрочастинок катодного матеріалу. проміжку, і тому іони з швидкістю М ; мали б руха- Цей потік магнітним полем котушки 4 направля- тись поперек магнітного поля до стінок зазначено- ється у бік плазмоводу 5. Діянням поля, що утво- го проміжку.
Але цього не трапляється, бо іони рюється котушками 4 і 6, плазмовий потік входить утримуються електростатичним полем негативно- у плазмовід.
Тут усереднена в часі периферійна го просторового заряду замагнічених електронів і частина потоку без перешкоди дрейфує плазмо- разом з ними рухаються уздовж магнітного поля ведучим трактом, який утворюється проміжком з до виходу 10 і далі - до поверхні виробу 11. При кільцевим поперечним перерізом між плазмово- цьому виконується принципова умова квазінейт- дом 5 і котушкою 7, уздовж магнітного поля, утво- ральності плазми.
Слід зазначити, що найбільш реного зустрічно увімкнутими котушками 6 і 7. Си- високоенергетичні іони все ж переборюють силу лові лінії цього поля на Фіг.1 схематично зображені притягання замагнічених електронів і потрапляють тонкими безперервними лініями.
У той же час за- на стінки плазмоводу 5, заряджаючі їх позитивно. значене магнітне поле унеможливлює рух заря- Цей позитивний заряд стінок утворює в проміжку джених частинок плазми до стінок плазмоводу 5 і додаткове електростатичне поле, що перешко- поверхні котушки 7. , . джає рухові подальших порцій іонів до стінки пат- Механізм транспортування плазми від робочої рубку і, таким чином, сприяє зменшенню втрат цих поверхні катоду 1 через плазмоведучий тракт до частинок при проходженні плазми через плазмо- вихідного отвору 10 може бути описаний наступ- від. ним чином. | | Для пристроїв за даним винаходом, що мають Інтенсивність магнітних полів, що утворюються ширину а проміжку між плазмоводом і відхиляю- котушками З, 4, 6 ї 7 вибирають такою, щоб вико- чою котушкою від кількох сантиметрів до десяти нувалась умова: сантиметрів, співвідношення (1), яке забезпечує оптимальні умови транспортування плазми через рекка-Ка- Кері (1) фільтр, виконується при магнітних полях приблиз- но від 5 до 50мтТл. де: | | | | шо Особливості руху середньої частини плазмо- Ре І рі - ларморівські радіуси електронів та іонів вого потоку, що надходить від плазмового джере- ВІДПОВІДНО, ла до плазмоводу, полягають у наступному.
В а - ширина плазмоведучого тракту, пристрої, який прийнято за прототип (див.
Фіг.2), Ві РК» - внутрішній радіус плазмоводу 5 і зов- отвір каналу 8 відхиляючої котушки 7 перекритий нішній радіус відхиляючої котушки 7, відповідно. екраном, який є торцевою стінкою кожуху 17, що В магнітному полі з індукцією В заряджені час- обіймає котушку 7. На такому екрані середня час- тинки плазми рухаються уздовж магнітних силових тина плазмового потоку (на Фіг.2 вона умовно зо- лініи за ларморівськими спіралями, обертаючись бражена стрілками) втрачається.
В пристрої за навколо цих ліній з циклотронною частотою даним винаходом ця частина потоку проходить через відкритий отвір осьового каналу 8 котушки 7 о-дВ/те, (див.
Фіг.1) у середину цього каналу.
Тут плазма взаємодіє з магнітним полем, що посилюється до де: центру порожнини.
Таке поле являє собою так 4 - заряд частинки, зване "магнітне дзеркало". В умовах, що розгля- т - її маса, даються, таке дзеркало навіть при порівняно не- с - швидкість світла. великій індукції магнітного поля, що задовольняє Радіус спіралі (ларморівський радіус) стано- співвідношенню (1), відбиває електронну складову вить: плазми.
На Фіг.1 траєкторію окремого електрона схематично показано лінією зі стрілками всередині ратора плазми до виходу пристрою, забезпечу- каналу 8. Услід за електронами у зворотному на- ються, якщо діаметр ЮО, каналу 8 становить прямі зміщуються і іони в результаті електроста- величину не меншу за третину зовнішнього діаме- тичної взаємодії з просторовим зарядом електро- тра О кожуха 17. Ці дані будуть такими ж і для від- нів, відбитих від магнітного дзеркала, внаслідок хиляючої котушки без кожуха. В цьому випадку О - чого й зберігається принцип квазінейтральності це зовнішній діаметр цієї котушки. плазми в цілому. Таким чином плазма, що надхо- Експериментально виявлено також, що ефек- дить до котушки 7, відбивається від неї та, змішу- тивне відбиття плазми відбувається за умов, якщо ючись з периферійним потоком, рухається уздовж плазма при своєму поздовжньому русі у осьовому магнітного поля через проміжок між відхиляючою каналі 8 не наштовхується на перепону, подолав- котушкою і плазмоводом до отвору 10 їі далі - до ши відстань від вхідного отвору цього каналу не поверхні виробу 11. меншу, ніж половина його діаметра. На графіку На відміну від іонно-електронної складової Фіг.9 показано характер впливу зміщення І пере- плазми, що транспортується до отвору 10 магніт- городки 9 на величину відношення ІЙ. Тут безпе- ним полем в обхід котушки 7, макрочастинки като- рервна лінія відповідає електроізольованій пере- дного матеріалу внаслідок їхньої великої маси городці 9У, а штрихова - перегородці, електрично (найменші з них на кілька порядків масивніші за з'єднаній з кожухом. Як можна побачити, значне іони металів) ні на магнітні, ні на електричні поля підвищення відношення І відбувається, коли зна- майже не реагують, рухаються прямолінійно і тому чення Г/О, становить 0,5. Саме цим, згідно з вина- на поверхню виробу не потрапляють, оскільки во- ходом, визначається місцеположення екрана 9 в на знаходиться в зоні відсутності прямої видимості порожнині 8. з робочої поверхні катоду 1. На шляху до виходу На Фіг.3 схематично зображений плазмовий макрочастинки наштовхуються на "непрозору" для фільтр іншого варіанта пристрою за винаходом, в них перешкоду - котушку 7, канал 8 якої також "не- якому, на відміну від зображеного на Фіг.1 варіан- прозорий", тому що перекритий перегородкою 9. ту, відхиляюча котушка 7 розміщена у захисному Зона відсутності прямої видимості з поверхні като- кожусі 17 із немагнітного матеріалу, наприклад, з да 1 (а відтак - і недосяжності для макрочастинок, нержавіючої сталі. Стінки кожуха облягають із за- що емітуються з цієї поверхні) на Фіг.1 знаходить- зором усі поверхні котушки - як зовнішню, так і ся між двома штриховими лініями праворуч від внутрішню. При цьому стінки кожуха, що обляга- котушки 7. Однак, в цю зону, до отвору 10 можуть ють внутрішню поверхню котушки 7, утворюють потрапити макрочастинки, що відскочили (рикоше- осьовий канал 8. При цьому більша частина плаз- тували) від стінок плазмоводу 5. Запобігти цьому ми, що налітає на отвір цього каналу кожуха, по- можна відомим способом, розміщуючи на стінках трапляє в простір з магнітним дзеркалом, від якого плазмоводу поперечні ребра, що відіграють роль ця плазма відбивається. Магнітне дзеркало як бу- пастки для макрочастинок (на фігурах не показані). ло зазначено вище, утворюється відхиляючою Щоб відбити від котушки 7 якомога більшу ча- котушкою 7. Ця котушка для забезпечення більш стину плазми, що налітає на торець цієї котушки, й тонкого регулювання розподілу магнітного поля в мінімізувати таким чином втрати потоку плазми на фільтрі складається з двох секцій. З цією ж метою зазначеному торці, діаметр каналу 8, як виявлено транспортуюча котушка б також секціонована. У експериментально, має бути не меншим за трети- цьому варіанті ця котушка складається з трьох ну зовнішнього діаметру котушки 7, або її кожуху, секцій. Охолоджувальна рідина (вода) й струмо- якщо він є. При цьому більша частина плазми, що води електроживлення до відхиляючої котушки 7 налітає на цю котушку, потрапляє до осьового ка- надходять через патрубок 18. Подача охолоджую- налу 8 з магнітним дзеркалом, від якого ця плазма чої води здійснюється за будь-якою відомою схе- й відбивається. Ефективність джерела плазми, мою й на Фіг.3 не відображена. Патрубок 18 про- характеризується проходженням плазмового пото- ходить крізь стінку плазмоводу 5 за допомогою ку від генератора до вихідного отвору. Її можна герметичного ізолятора. Електроізольованість визначити відношенням ІЙ (І - іонний струм на кожуха 17 дозволяє при необхідності подавати на виході пристрою, І - струм дугового розряду). Ці нього додатково позитивний електричний потенці- величини для різних відношень Бу - діаметра ал зміщення від окремого джерела (на Фіг.3 не осьового каналу відхиляючої котушки в кожусі й показане), що сприяє утриманню іонів у плазмове- зовнішнього діаметра кожуха наведені у таблиці. дучому просторі між кожухом і плазмоводом 5. З цією ж метою може бути поданий додатковий (крім Таблиця плаваючого) позитивний потенціал зміщення від джерела 16 (див. Фіг.1) на плазмовід 5. В осьовому каналі 8 перегородка 9 розміщена на відстані від (В) " ' ' торця кожуху 17, зверненого до катоду, не меншій за половину діаметра цього осьового каналу. Для Ї , , , , зменшення втрат плазми, що рухається по осі ка- налу 8 і від магнітного дзеркала не відбивається,
(0. для прототипу. 0//0-0 відповідає вхідному перегородка 9, згідно з винаходом, може бути еле- отвору осьового каналу 8, перекритому торце- ктроізольвана від кожуху 17. У такому разі зазна- вості електронів (у порівнянні з іонами), З наведених у таблиці даних виходить, що оп- заряджається негативно, що утрудняє подальший тимальні умови транспортування плазми від гене-
рух електронів, як наслідок - і іонів, а отже і плазми ми (на Фіг.б не показано), поступившись при цьому в цілому, у бік перегородки 9. можливістю регулювати магнітне поле незалежно На Фіг.А4 схематично зображений ще один ва- від струму дуги генератора плазми. ріант вакуумно-дугового джерела плазми за вина- Як зазначено вище, внаслідок того, що транс- ходом. У цьому варіанті джерела плазми з метою портуюча котушка та відхиляюча котушка генеру- спрощення його конструкції функції анода вакуум- ють протилежно спрямовані магнітні поля, навпро- но-дугового генератора плазми виконує плазмовід ти обох торців відхиляючої котушки утворюються
5. Фокусуюча котушка 4 у цьому випадку розміще- області, в яких ці поля взаємно компенсують одне на на вхідній частині плазмоводу, який підключено одного. Це, так звані, області мінімуму магнітного до позитивного полюса джерела живлення 12 ду- поля. На Фіг.7, показані результати комп'ютерних гового розряду (див. Фіг.1). розрахунків проходження силових ліній магнітних На Фіг4А показана також одна з можливих полів у варіанті пристрою, плазмовід якого виконує конструкцій перегородки 9. Вона складається з також функції анода (відповідно до варіанту на двох частин, прикріплених з обох боків за допомо- Фіг.4). Всередині кожної такої області магнітне гою ізоляторів 20 до утримувача 19, механічно поле майже відсутнє й зростає у периферійному з'єднаного з кожухом 17. В такій конструкції необ- напрямі, являючи собою магнітну пастку для елек- хідного негативного плаваючого потенціалу набу- тронів, які покидають цю пастку, головним чином, вають електроізольвані частини перегородки. Пе- через канал між секціями транспортуючої 6 і секці- рекриття каналу 8, необхідне для запобігання ями відхиляючої 7 котушок. Негативний просторо- проходження макрочастинок, забезпечується вий заряд електронів, що деякий час утримується утримувачем 19, а ізолятори 20, розміщені між зазначеною пасткою, являє собою "потенціальну зазначеними частинами перегородки і утримувача, яму" для позитивно заряджених іонів. Отже іонна надійно захищені від прямого попадання на них складова плазмового потоку, що має на своєму плазми й утворення на їхній поверхні електропро- шляху таку потенціальну яму, дещо уповільнюєть- відної плівки. ся, енергія напрямного руху іонів помітно знижу- На Фіг.5 наведене тривимірне зображення ще ється. Наприклад, енергія іонів титану при прохо- одного варіанта вакуумно-дугового пристрою за дженні плазми через плазмовід зменшується винаходом. Головною відмінністю цього варіанту майже вдвічі. Ефект зниження енергоємності пла- пристрою є те, що він містить кілька генераторів змового потоку, що конденсується, вкрай важли- плазми. На Фіг.5 їх три, один з них показано у роз- вий при осадженні покрить на вироби з матеріалів, різі. Кожен з цих генераторів містить катод 1, анод які мають низьку границю допустимого теплового 2 і магнітну котушку 3. Плазма з цих катодів через навантаження (наприклад, у випадку нанесення аноди надходить до спільного плазмоводу 5 з захисного покриття на активний шар магнітних прямокутним поперечним перерізом, охопленого носіїв інформації - жорстких дисків пам'яті, або на секціонованою транспортуючою котушкою 6. В поверхні виробів з полімерних матеріалів). плазмоводі встановлені відповідної форми відхи- На Фіг.7, праворуч від виробу 11, показана ляюча котушка 7 в кожусі 17 і перегородка 9. Для форма радіального розподілу товщини осаджува- подальшого підвищення ступеню непрозорості ного покриття на його поверхні, характерна для фільтра для макрочастинок (а отже - і ступеню пристрою з магнітними полями, силові лінії яких очищення плазми) плазмовід 5 на виході має зву- зображені на цій фігурі. Мінімум розподілу у центрі жену ділянку з додатковою секцією транспортую- підкладки обумовлений значним "затіненням" цієї чої котушки б. Для конструктивного спрощення області відхиляючою котушкою 7 та екраном 9. пристрою аноди 2 генераторів поєднані з плазмо- Подовжена вихідна частина плазмоводу 5 з роз- водом 5 в один блок, так що внутрішня поверхня міщеними на ній додатковими секціями котушки б плазмоводу являє собою додаткову струмоприй- (Фіг.8) забезпечують можливість корекції розподілу мальну анодну поверхню, що, як відомо, сприяє густини плазмового потоку на виході пристрою, а стабільності горіння вакуумного дугового розряду. відтак - і розподілу товщини покриття по поверхні Такий варіант вакуумно-дугового пристрою доці- виробу (наприклад, так, як показано на діаграмі льно використовувати для формування покрить на праворуч від виробу на Фіг.8). листові вироби 11 або на рулонні матеріали при Вакуумно-дуговий пристрій за винаходом у ва- забезпеченні їхнього руху поперек вихідного пря- ріанті за схемою Фіг.1 був виготовлений і випробу- мокутного отвору фільтра (можливі напрямки руху ваний на установці для вакуумно-дугового оса- показані стрілками). дження покрить. Пристрій мав наступні параметри. Відхиляюча котушка 7 вакуумно-дугового дже- Анод 2 мав форму відрізка труби з подвійними рела плазми за винаходом може бути виготовлена стінками. Через створену ним порожнину пропус- у вигляді одношарового соленоїда з металевої калась охолоджувальна вода. Внутрішній діаметр трубки, через яку пропускається охолоджувач (во- анода 2 дорівнював 130мм, довжина - 190мм. Ка-
да). Схема пристрою з таким варіантом відхиляю- тод 1 мав форму зрізаного конуса висотою 45мМм з чої котушки 7 показана на Фіг.б. Котушка 7 з пере- основами діаметром 60 і 4А5мм. Водоохолоджува- городкою 9 розташовані в плазмоводі 5, ний плазмовід 5 довжиною 2боОмм і внутрішнім охопленому секціонованою транспортуючою коту- діаметром 210мм також мав подвійні стінки для шкою б. Для живлення котушки 7, виготовленої з протоку води. На плазмоводі 5 була розміщена трубки, має бути використане окреме потужност- двосекційна транспортуюча котушка 6. Відхиляюча румове джерело. Для спрощення схеми живлення двосекційна котушка 7 була розміщена у кожусі 17, цієї котушки доцільно включити її послідовно в розміри якого були наступні: довжина - 100мм, електричний контур живлення дуги джерела плаз- внутрішній і зовнішній діаметри - 40 і 110 мілімет-