WO2012064311A1 - Способ транспортировки вакуумно- дуговой плазмы и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ транспортировки вакуумно- дуговой плазмы и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2012064311A1
WO2012064311A1 PCT/UA2011/000105 UA2011000105W WO2012064311A1 WO 2012064311 A1 WO2012064311 A1 WO 2012064311A1 UA 2011000105 W UA2011000105 W UA 2011000105W WO 2012064311 A1 WO2012064311 A1 WO 2012064311A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
magnetic field
anode
duct
additional
Prior art date
Application number
PCT/UA2011/000105
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Васильевич ВАСИЛЬЕВ
Владимир Евгеньевич СТРЕЛЬНИЦКИЙ
Original Assignee
Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" (Ннц Хфти)
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 Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" (Ннц Хфти) filed Critical Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" (Ннц Хфти)
Priority to CN201180053875.2A priority Critical patent/CN103298969B/zh
Priority to JP2013537644A priority patent/JP5833662B2/ja
Priority to US13/877,708 priority patent/US9035552B2/en
Priority to KR1020137014734A priority patent/KR101575145B1/ko
Priority to EP11839748.8A priority patent/EP2639330B1/en
Publication of WO2012064311A1 publication Critical patent/WO2012064311A1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055—Arc discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H05H1/50—Generating plasma using an arc and using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc

Definitions

  • the invention relates to a technique for forming erosive vacuum-arc cathode plasma flows for obtaining high-quality coatings for various purposes: wear-resistant, antifriction, decorative and others, as well as for surface modification of materials by irradiation with ion and / or electron flows.
  • vacuum-arc cathode plasma filtering from particulates is carried out in crossed electric and magnetic fields when the electrons are magnetized and the ions are not magnetized.
  • the focusing of ions in a plasma is carried out according to the laws of optics, and the systems in which such focusing is provided are called plasmoptical systems.
  • Vacuum-arc cathode plasma is generated by cathode spots of a vacuum arc during electric arc evaporation in the form of high-speed plasma jets and flows of particulates formed from the liquid phase of the cathode spots of a vacuum arc.
  • Plasma flows can be controlled by magnetic and electric fields.
  • the particles that leave the cathode spots of the arc move regardless of the presence of magnetic or electric fields, practically along straight paths, because they have a large mass in comparison with plasma ions and a small charge per unit mass. In this regard, the particles can only be reflected using appropriate means in the form of screens or captured using special traps.
  • the presence of agents that reflect or trap particulates leads to a significant decrease in the plasma flow at the outlet of the conveying system, since a significant part of the plasma we are landing on these funds.
  • a known method [1] is transported by filtering vacuum-arc cathode plasma from particulate matter from an electric arc evaporator to the exit of a plasma source under the action of a curvilinear constant transporting magnetic field created using electromagnetic coils.
  • a plasma-optical system [1] for transporting a vacuum-arc cathode plasma from particulate matter from an electric arc evaporator to a plasma source output, including a plasma duct, filtered by particulate.
  • a plasma source output including a plasma duct, filtered by particulate.
  • electromagnetic coils are used, which cover the cathode, anode, and plasma duct.
  • the plasma duct is bent in the form of a quarter of a torus and is electrically insulated from the anode.
  • a method [2] of transportation with filtering from the particles of the vacuum arc cathode plasma from the electric arc evaporator to the output of the plasma source is considered under the influence of a transporting magnetic field created using electromagnetic coils.
  • a well-known rectilinear plasmooptical system [2] with a plasma duct for transportation with filtering from the particles of a vacuum-arc cathode plasma from an electric arc evaporator to the output of a plasma source is considered.
  • This plasma-optical system contains an anode and a plasma duct with macro-particle reflectors, as well as electromagnetic coils to create a constant transporting magnetic field. These coils span the cathode, anode, and plasma duct.
  • a macro-particle reflector is installed on its axis inside the anode, made in the form of an electrically conductive pipe segment, closed from the end facing the cathode.
  • a deflecting electromagnetic coil is coaxially located inside this section of pipe to create a magnetic field directed opposite to the magnetic field created by electromagnetic coils covering the cathode, anode and plasma duct.
  • a special power source is used to power the electric arc evaporator.
  • one of these maxima is located near the end evaporated surface of the cathode, and the other is in the gap between the inner surface of the anode and the outer side surface of the aforementioned pipe segment.
  • Such polarization is caused by drift motions of magnetized electrons relative to unmagnetized ions across a magnetic field and an external electric field.
  • the presence of a transverse gradient of the magnetic field directed toward the outer surface of the aforementioned pipe section also leads to electron drift across the magnetic field and its transverse gradient.
  • both of these factors will add up, which will lead to an increase in the electric field strength of the transverse polarization of the plasma jet, in which the electrons will drift toward the inner wall of the anode.
  • the same number of ions will leave the plasma jet. As a result, the ion current at the output of the anode decreases.
  • the second drawback leading to a decrease in the average output ion current from the plasma source, is due to the following reasons.
  • the potential difference between the plasma jet and the anode or between the plasma jet and the plasma duct constantly changes through continuous changes in the positions of the cathode spots of the arc, which move along the working (end) surface of the cathode. If the cathode spots move in the peripheral region of the working (end) surface of the cathode, then the plasma jets that leave these spots pass through go near the inner surfaces of the anode and plasma duct (or reflective particulate screens that are attached to the anode and plasma duct).
  • the problem to which the invention is directed is the improvement of both the method of transportation with filtration from macro particles of the vacuum-arc cathode plasma and the device for its implementation. These improvements should reduce plasma loss during transport. For this, it is necessary to ensure such conditions for transporting plasma flows that, at different positions of the cathode spots of the arc on the end surface of the cathode, the plasma flows effectively envelope structural elements on the surfaces of the plasma source that reflect and trap particulates.
  • the problem is solved in the proposed method of transportation with filtering from the particles of the vacuum-arc cathode plasma from the electric arc evaporator to the output of the plasma source, in which, as in the method adopted for the prototype, the plasma flows are transported under the influence of a transporting magnetic field created using electromagnetic coils.
  • a transporting magnetic field is created by superposition of a constant magnetic field and, varying in intensity, additional magnetic fields deflecting the plasma flows from the surfaces of the structural elements of the plasma source.
  • additional magnetic fields create with using additional electromagnetic coils. The intensity of the corresponding additional magnetic field increases when the plasma stream approaches the surface of the corresponding structural element of the plasma source and decreases when the plasma stream moves away from the surface of this element.
  • a constant transporting magnetic field is created using two electromagnetic coils, one of which covers the cathode, and the other a plasma duct near the outlet.
  • an additional magnetic field is created using an additional electromagnetic coil covering it.
  • the magnetic field of this coil should be aligned with a constant transporting magnetic field on the axis of the plasma-optical system.
  • the intensity of this additional magnetic field is changed so that for a given potential difference between the cathode and the anode, its value is directly proportional to the arc current that flows through the anode, or for a given arc current that flows through the anode , it was inversely proportional to the anode potential drop.
  • a rectilinear plasmooptical system which has an electrically connected particle reflector located on its axis in the form of an electrically conductive pipe segment closed from the end facing the cathode, transporting a plasma stream between the outer surface of this pipe segment and the inner surface of the anode when exposed to the plasma flow a magnetic field created by a deflecting electromagnetic coil coaxially located inside a pipe segment, provided that it is directed opposite to the constant transporting magnetic field on the axis of the plasma-optical system.
  • the intensity of this additional magnetic field is increased or decreased in direct proportion to the increase or decrease in the arc current that flows through this segment of the pipe.
  • the plasma stream that exits the anode is transported in a plasma duct consisting of inlet and outlet parts electrically insulated from each other and from the anode.
  • the plasma flux is acted upon by an additional magnetic field codirectional with a constant transporting magnetic field.
  • it is generated using an additional electromagnetic coil covering the inlet part of the plasma duct.
  • its tension is increased or decreased in direct proportion to the increase or decrease in the current flowing through the output part of the plasma duct when a potential positive with respect to the anode is applied to it.
  • the task is realized in the proposed rectilinear plasmooptical system with a plasma duct for transportation with filtration from the particles of the vacuum arc cathode plasma from the electric arc evaporator to the output of the plasma source.
  • This system as well as the system
  • the model adopted for the prototype includes particulate reflectors, electromagnetic coils covering the cathode, anode and plasma duct, an electrically conductive pipe segment coaxially placed inside the anode, electrically connected to it, closed from the end facing the cathode and having coaxially inside located deflecting electromagnetic coil.
  • the power supply of the electric arc evaporator is connected to the anode through the winding of the electromagnetic coil that covers it.
  • the initial winding coil of the diverting electromagnetic coil inside the pipe section is electrically connected to it, and the output of the last coil of this coil is connected to the positive pole of the arc power source.
  • the deflecting electromagnetic coil inside the pipe section can be made of a water-cooled tube.
  • a plasma duct in such a plasma-optical system can be covered by an additional electromagnetic coil, one end of which is electrically connected to the plasma duct, and the other end is connected to the positive pole of a separate power source, the negative pole of which is connected to the anode.
  • the plasma duct can be made of two parts (input and output), electrically isolated from each other and from the anode.
  • the input part of the plasma duct is covered by an additional electromagnetic coil, one end of which is electrically connected to the output part of the plasma duct, and the other end is connected to the positive pole of a separate power source, the negative pole of which is connected to the anode.
  • the constant component of the transporting magnetic field has a configuration convex from the axis, which is realized, as indicated above, due to two electromagnetic coils, covering, respectively, the cathode and the output part of the plasma duct.
  • the transverse gradient of this component of the magnetic field is directed toward the axis of the plasma-optical system. Under the influence of this gradient, electric charges are separated inside the plasma jet, creating an electric polarization field, which is directed across to the magnetic field and its gradient. This electric field causes electron drift across the magnetic field and the polarization electric field, i.e.
  • the aforementioned transverse gradient should be sufficient so that the gradient speed of the plasma electron drift is at least no less than the speed of the oppositely directed electron drift in an external electric field between the plasma jet and the pipe segment located inside the anode under its potential. This is ensured due to the action of an additional magnetic field created by an electromagnetic coil coaxially placed inside a pipe segment located inside the anode.
  • the intensity of this field increases or decreases in direct proportion to the increase or decrease in the arc current that flows through this pipe segment, since it is electrically connected to one end of the winding of the deflecting electromagnetic coil, the second end of which is connected to the positive pole of the vacuum arc power source.
  • the plasma flows that exit from the cathode spots near the cathode axis deviate with greater efficiency from the outer surface of the aforementioned pipe segment toward the inner surface of the anode, which leads to a significant decrease in the loss of ions from the plasma jet on this structural element reflecting macro particles.
  • the plasma flux emitted by these cathode spots approaches a close distance to the surfaces of the particulate reflectors on the anode and plasma duct.
  • the plasma flows are affected by the corresponding additional magnetic fields aligned with a constant transporting magnetic field. These fields are created by electromagnetic coils, covering, respectively, the anode and plasma duct and connected in an appropriate manner, as indicated above, to power sources. Therefore, the intensities of these fields increase when it is necessary to deviate the plasma flows from the corresponding surfaces and decrease when the plasma flows move away from them. This provides a reduction in the loss of plasma flows during their transportation.
  • the invention is illustrated by a diagram of a device for implementing the proposed method.
  • Example 1 As an example of the implementation of the patented invention, we first consider the proposed device. This is a straightforward version of a plasma-optical system for transporting a vacuum-arc cathode plasma with filtering from particulate matter.
  • This system (see diagram) contains a cathode 1 and anode 2, with macroparticle reflectors located inside it in the form of ring-shaped screens 3.
  • the plasma duct in this system is made of two parts of input 4 and output 5, which are electrically isolated from each other and from anode 2. Inside these parts of the plasma duct, particulate reflectors are located in the form of sets of annular screens 6 and 7.
  • the electromagnetic coils 9 and 10 are pressed, which, respectively, cover the cathode 1 and the output part of the plasma duct 5.
  • a particulate reflector is arranged in the form of a pipe segment 1 1 with a closed end facing the cathode 1.
  • an electromagnetic coil 12 is located, with turns from a tube for cooling with water.
  • This electromagnetic coil is designed to generate an additional deflecting magnetic field 13 directed on the axis of the system opposite to the direction of the constant part of the transporting magnetic field 8.
  • the assembly 14 is designed to ignite the vacuum arc.
  • the power supply of the vacuum arc 15 is connected to the anode 2 through the winding of the electromagnetic coil 16, which covers it.
  • a pipe segment 1 1 is electrically connected to one end of the winding of the deflecting electromagnetic coil 12, the second end of which is connected to the positive pole of the vacuum arc power source 15.
  • the plasma duct is connected to a separate power source 17, the negative pole of which is connected to the anode 2, and the positive the pole through the winding of the coil 18, which covers the inlet section 4 of the plasma duct, is connected to its output section 5.
  • Arc jigging is performed by applying a high-voltage pulse to the ignition unit of arc 14 (see diagram), which initiates the excitation of the cathode spot of the arc on the side surface of cathode 1, which is pushed by the magnetic field onto the end (working) surface of the cathode.
  • arc 14 see diagram
  • several cathode spots can form on the end surface of the cathode 1, which, moving along it, emit jets of cathode plasma with high ionization along with macroparticles of the cathode material.
  • the particles moving along rectilinear trajectories are delayed by reflectors 3, 6, 7 and the end surface of pipe segment 1 1.
  • Plasma jets whose ionization is close to 100%, moving along a conveying magnetic field 8, which bends around pipe segment 1 1, pass through all holes of reflectors 3, 6 and 7 output plasma source.
  • electromagnetic coils 16 and 18, which cover the anode 2 and the input section of the plasma duct 4, respectively create electromagnetic fields that vary in intensity. These fields change the configuration and intensity of the resulting transporting magnetic field, the constant component of which is created using electromagnetic coils 9 and 10.
  • An additional deflecting magnetic field 13 inside the anode 2 also acts on the plasma stream. This deflecting magnetic field is opposite to the constant transporting magnetic field on the axis of the system and is created using a deflecting electromagnetic coil 12, located coaxially inside the pipe section of the filter element 1 one.
  • the intensities of the additional magnetic fields inside the anode 2 will be proportional to the arc currents that flow through the anode 2 and the pipe segment of the particulate reflector 1 1. The intensities of these fields will also be inversely proportional to the anode potential drop. If the source 15 operates in a fixed voltage mode, then when the plasma flows approach the inner surface of the anode 2 or the outer surface of the pipe section 11, the anode current to these electrodes will increase. As a result, the current that flows through the corresponding coil 16 or 12 will increase and the intensity of the corresponding magnetic field will increase, which will deflect the plasma flow from the wall of the corresponding structural element of the plasma source.
  • the intensity of the additional magnetic field inside the input part 4 of the plasma duct at a given constant potential relative to the anode supplied to the electromagnetic coil 18 will be is proportional to the magnitude of the current that flows through the output part 5 of the plasma duct.
  • Example 2 An embodiment of the proposed method and device in the case of a curvilinear plasmooptical system differs from the option for the case of a rectilinear plasmooptical system in that the constant component of the transporting magnetic field is created by electromagnetic coils covering the cathode, anode and plasma duct.
  • U a is determined using a compiler, in which the constant value U K selected for a given cathode material is set.
  • T_1 d U x . x
  • U x . x is the open circuit voltage of the arc power source.
  • the power source of the additional electromagnetic coil is locked and the current in this coil is zero.
  • U a decreases and the power source of this coil is unlocked.
  • a current will flow through the coil inversely proportional to the anode drop in potential U a , generating a corresponding additional magnetic field.
  • the stability of the arc discharge does not deteriorate, and the plasma losses during its transportation inside the anode decrease on average.
  • the positive potential relative to the anode is supplied to the curved plasma duct through an additional electromagnetic coil covering this plasma duct.
  • the proposed invention can be implemented for the deposition of high-quality coatings for various purposes.
  • the productivity of the process of deposition of coatings, which are free from defects caused by particulates, is significantly increased.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технике формирования потоков эрозийной вакуумно-дуговой катодной плазмы для получения высококачественных покрытий. Плазменные потоки транспортируют в плазмооптической системе от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием транспортирующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнитных катушек. Транспортирующее магнитное поле создают путем суперпозиции постоянного магнитного поля и изменяемых по напряженности дополнительных магнитных полей, отклоняющих потоки плазмы от поверхностей конструктивных элементов источника плазмы. Напряжённость соответствующего дополнительного магнитного поля увеличивают при приближении плазменного потока к поверхности конструктивного элемента источника плазмы и уменьшают при удалении плазменного потока от поверхности этого элемента. В устройстве для осуществления способа источник питания вакуумной дуги (15) подключен к аноду (2) через обмотку электромагнитной катушки (16), которая его охватывает. В прямолинейном варианте плазмооптической системы электропроводящий отрезок трубы (11) внутри анода (2) электрически соединен с одним концом обмотки отклоняющей электромагнитной катушки (12). Второй конец этой обмотки соединен с положительным полюсом источника питания вакуумной дуги (15). При использовании способа и устройства значительно уменьшаются потери плазмы, очищенной от макрочастиц.

Description

СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВАКУУМНО- ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ И
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Область техники.
Изобретение относится к технике формирования потоков эрозийной вакуумно-дуговой катодной плазмы для получения высококачественных по- крытий различного назначения: износостойких, антифрикционных, декора- тивных и других, а также для поверхностного модифицирования материалов путем облучения потоками ионов и/или электронов.
Предшествующий уровень техники.
Известно, что транспортировку с фильтрованием от макрочастиц ваку- умно-дуговой катодной плазмы осуществляют в скрещенных электрическом и магнитном полях, когда электроны замагничены, а ионы не замагничены. В этих условиях фокусировка ионов в плазме осуществляется по законам опти- ки, а системы, в которых обеспечивается такая фокусировка, называют плаз- мооптическими системами.
Вакуумно-дуговая катодная плазма генерируется катодными пятнами вакуумной дуги при электродуговом испарении в виде высокоскоростных плазменных струй и потоков макрочастиц, образованных из жидкой фазы ка- тодных пятен вакуумной дуги. Потоками плазмы можно управлять с помо- щью магнитного и электрического полей. Макрочастицы, которые выходят из катодных пятен дуги, движутся независимо от наличия магнитного или электрического полей, практически, по прямолинейным траекториям, т.к. они имеют большую массу по сравнению с ионами плазмы и малый заряд на еди- ницу их массы. В связи с этим макрочастицы можно только отражать с по- мощью соответствующих средств в виде экранов или улавливать с помощью специальных ловушек. Наличие средств, которые отражают или улавливают макрочастицы, приводит к значительному уменьшению плазменного потока на выходе транспортирующей системы, поскольку значительная часть плаз- мы высаживается на этих средствах.
Известен способ [1 ] транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием криволинейного постоянного транспорти- рующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнит- ных катушек.
Известна плазмооптическая система [1] для транспортировки с фильт- рованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электроду- гового испарителя к выходу источника плазмы, включающая плазмовод. Для создания транспортирующего магнитного поля используются электромаг- нитные катушки, которые охватывают катод, анод и плазмовод. В этой сис- теме плазмовод изогнут в виде четверти тора и электроизолирован от анода.
Однако, для уменьшения потерь плазмы при её транспортировке в та- ких изогнутых плазмооптических системах нужны сильные магнитные поля или большие поперечные размеры плазмовода и анода. Это является недос- татком, как известного способа, так и устройства для его осуществления. Еще одним недостатком является значительная неоднородность интенсивности плазменного потока по его сечению на выходе из плазмовода. Поток плазмы, усреднённый по времени, на выходе источника плазмы с такой плазмоопти- ческой системой распределяется на осаждаемой поверхности неравномерно из-за больших потерь плазмы, когда она эмитируется из периферийной об- ласти рабочей (торцевой) поверхности расходуемого катода. Поэтому полу- чение равных по толщине покрытий на площади с диаметром пятна боль- шим, чем диаметр катода без вращения подложки вокруг оси, которая долж- на быть смещена относительно оси плазменного потока, является достаточно проблематичным.
В качестве прототипа патентуемого способа рассматривается спо- соб [2] транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием транспортирующего магнитного поля, создаваемого с исполь- зованием электромагнитных катушек.
В качестве прототипа патентуемого устройства рассматривается из- вестная прямолинейная плазмооптическая система [2] с плазмоводом для транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катод- ной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы. Эта плазмооптическая система содержит анод и плазмовод с отражателями мак- рочастиц, а также электромагнитные катушки для создания постоянного транспортирующего магнитного поля. Эти катушки охватывают катод, анод и плазмовод. Внутри анода на его оси установлен отражатель макрочастиц, выполненный в виде электропроводящего отрезка трубы, закрытого с торца, обращенного к катоду. Внутри этого отрезка трубы коаксиально ему распо- ложена отклоняющая электромагнитная катушка для создания магнитного поля, направленного встречно магнитному полю, создаваемому электромаг- нитными катушками охватывающими катод, анод и плазмовод. Для питания электродугового испарителя служит специальный источник электропитания.
При использовании этого способа и устройства плазменные потоки, ко- торые выходят из катодных пятен дуги в вакуумном электродуговом разряде, движутся вдоль транспортирующего магнитного поля и огибают отрезок тру- бы внутри анода. В результате потери плазмы из-за осаждения на этом участке несколько уменьшаются.
Однако, несмотря на некоторое уменьшение таких потерь этот способ, принятый за прототип, и плазмооптическая система, в которой этот способ осуществляется, имеют недостатки, приводящие всё ещё к значительным по- терям плазменных потоков при их транспортировке. Одним из таких недос- татков является образование в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной боковой поверхностью вышеупомянутого отрезка трубы магнитного зеркала за счет роста напряженности магнитного поля в продоль- ном направлении. Из-за этого электроны плазмы, которые имеют энергию движения поперек магнитного поля большую, чем вдоль него, оказываются запертыми в магнитной ловушке, ограниченной участками с максимумами магнитного поля. Причём один из этих максимумов находится вблизи торце- вой испаряемой поверхности катода, а другой - в промежутке между внутрен- ней поверхностью анода и наружной боковой поверхностью вышеупомянуто- го отрезка трубы. Эти электроны, двигаясь вдоль магнитного поля и много- кратно отражаясь от магнитных пробок, образуемых в областях с максимума- ми магнитного поля, быстро уходят из плазменного потока на внутреннюю поверхность анода. Такой уход электронов происходит, как за счёт их диффу- зии поперёк магнитного поля в результате столкновений, так и за счёт дрейфа электронов в сторону внутренней поверхности анода под действием электри- ческого поля поперечной поляризации плазменной струи в магнитном поле. Такая поляризация вызывается дрейфовыми движениями замагниченных электронов относительно незамагниченных ионов поперёк магнитного поля и внешнего электрического поля. Наличие поперечного градиента магнитного поля, направленного в сторону внешней поверхности вышеупомянутого от- резка трубы, также приводит к дрейфу электронов поперёк магнитного поля и его поперечному градиенту. В таких условиях оба этих фактора будут сумми- роваться, что приведет к увеличению напряжённости электрического поля по- перечной поляризации плазменной струи, в котором электроны будут дрейфо- вать в сторону внутренней стенки анода. В соответствии с условием квази- нейтральности плазмы, плазменную струю покинет такое же количество ио- нов. В результате уменьшается ионный ток на выходе из анода.
Второй недостаток, приводящий к уменьшению среднего выходного ионного тока из источника плазмы, обусловлен следующими причинами. При фиксированном токе дуги разница потенциалов между плазменной стру- ёй и анодом или между плазменной струёй и плазмоводом постоянно изме- няется через непрерывные изменения положений катодных пятен дуги, кото- рые перемещаются по рабочей (торцевой) поверхности катода. Если катод- ные пятна перемещаются в периферийной области рабочей (торцевой) по- верхности катода, то плазменные струи, которые выходят из этих пятен, про- ходят вблизи внутренних поверхностей анода и плазмовода (или отражаю- щих макрочастицы экранов, которые прикреплены к аноду и к плазмоводу). Чем ближе плазменная струя приближается к внутренним поверхностям ано- да и плазмовода, тем большая часть плазменного потока попадает на эти по- верхности и, как следствие, уменьшается ионный ток из источника плазмы. Этот недостаток свойственен всем существующим электродуговым источни- кам плазмы, в которых транспортировка с фильтрованием от макрочастиц катодной плазмы осуществляется подобным способом в подобной системе, как в прототипе, так и в других аналогах.
Раскрытие предлагаемого изобретения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, являются усо- вершенствования, как способа транспортировки с фильтрованием от макро- частиц вакуумно-дуговой катодной плазмы, так и устройства для его осуще- ствления. Эти усовершенствования должны уменьшить потери плазмы при её транспортировке. Для этого необходимо обеспечить такие условия транспор- тировки плазменных потоков, чтобы при разных положениях катодных пятен дуги на торцевой поверхности катода плазменные потоки эффективно огиба- ли конструкционные элементы на поверхностях источника плазмы, которые отражают и улавливают макрочастицы.
Поставленная задача решается в предложенном способе транспорти- ровки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы, в котором, также как и в способе, принятым за прототип, транспортировку плазменных пото- ков осуществляют под действием транспортирующего магнитного поля, соз- даваемого с использованием электромагнитных катушек.
В отличие от прототипа, в предложенном изобретении транспорти- рующее магнитное поле создают путём суперпозиции постоянного магнит- ного поля и, изменяемых по напряжённости, дополнительных магнитных по- лей, отклоняющих потоки плазмы от поверхностей конструктивных элемен- тов источника плазмы. При этом дополнительные магнитные поля создают с помощью дополнительных электромагнитных катушек. Напряжённость со- ответствующего дополнительного магнитного поля увеличивают при при- ближении плазменного потока к поверхности соответствующего конструк- тивного элемента источника плазмы и уменьшают при удалении плазменного потока от поверхности этого элемента.
При транспортировке плазменных потоков в прямолинейной плазмооп- тической системе постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью двух электромагнитных катушек, одна из которых охватывает ка- тод, а другая - плазмовод вблизи выходного отверстия.
При транспортировке плазменных потоков в криволинейной плазмооп- тической системе постоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью катушек, которые, соответственно, охватывают катод, анод и кри- волинейную часть плазмооптической системы.
Как в прямолинейной, так и в криволинейной плазмооптических сис- темах, при транспортировке плазменных потоков внутри анода, дополни- тельное магнитное поле создают с помощью дополнительной электромаг- нитной катушки, охватывающей его. Магнитное поле этой катушки должно быть сонаправлено с постоянным транспортирующим магнитным полем на оси плазмооптической системы. При этом напряженность этого дополни- тельного магнитного поля изменяют так, чтобы для заданной разности по- тенциалов между катодом и анодом её величина была прямо пропорциональ- на току дуги, который течет через анод, или для заданного тока дуги, кото- рый течет через анод, она была обратно пропорциональна анодному падению потенциала.
В прямолинейной плазмооптической системе, которая имеет внутри анода расположенный на его оси электрически связанный с ним отражатель макрочастиц в виде электропроводящего отрезка трубы, закрытого с торца, обращенного к катоду, транспортировку плазменного потока в промежутке между внешней поверхностью этого отрезка трубы и внутренней поверхно- стью анода осуществляют при воздействии на плазменный поток дополни- тельным магнитным полем, которое создают с помощью отклоняющей элек- тромагнитной катушки, коаксиально расположенной внутри отрезка трубы, при условии, что оно направлено противоположно постоянному транспорти- рующему магнитному полю на оси плазмооптической системы. При этом на- пряжённость этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока ду- ги, который течет через этот отрезок трубы.
Дальнейшую транспортировку плазменных потоков, которые выходят из анодного участка, осуществляют в плазмоводе, внутри которого на плаз- менный поток действуют дополнительным магнитным полем, сонаправле- ным с постоянным транспортирующим магнитным полем. Это дополнитель- ное магнитное поле генерируют с помощью дополнительной электромагнит- ной катушки, которая охватывает плазмовод. Причём его напряжённость увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через этот плазмовод при подаче на него поло- жительного относительно анода потенциала.
В другом варианте транспортировку плазменного потока, который вы- ходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выход- ной частей, электроизолированных друг от друга и от анода. При этом на плазменный поток действуют дополнительным магнитным полем, сонаправ- леным с постоянным транспортирующим магнитным полем. В этом случае его генерируют с помощью дополнительной электромагнитной катушки, ох- ватывающей входную часть плазмовода. Причём напряжённость его увели- чивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьше- нию тока, текущего через выходную часть плазмовода при подаче на неё по- ложительного относительно анода потенциала.
Поставленная задача реализуется в предложенной прямолинейной плазмооптической системе с плазмоводом для транспортировки с фильтро- ванием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродуго- вого испарителя к выходу источника плазмы. Эта система также как и систе- ма, принятая за прототип, включает отражатели макрочастиц, электромаг- нитные катушки, охватывающие катод, анод и плазмовод, электропроводя- щий отрезок трубы, коаксиально размещённый внутри анода, электрически связанный с ним, закрытытый с торца, обращенного к катоду и, имеющий внутри коаксиально расположенную отклоняющую электромагнитную ка- тушку.
В отличие от прототипа в предлагаемой системе источник питания электродугового испарителя подключен к аноду через обмотку электромаг- нитной катушки, которая его охватывает. Начальный виток обмотки откло- няющей электромагнитной катушки внутри отрезка трубы электрически со- единен с ним, а вывод последнего витка этой катушки соединен с положи- тельным полюсом источника питания дуги.
В этой плазмооптической системе отклоняющая электромагнитная ка- тушка внутри отрезка трубы может быть выполнена из водоохлаждаемой трубки.
Плазмовод в такой плазмооптической системе может быть охвачен до- полнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электриче- ски соединён с плазмоводом, а другой конец - подключён к положительному полюсу отдельного источника питания, отрицательный полюс которого со- единен с анодом.
В другом варианте плазмооптической системы плазмовод может быть выполнен из двух, электрически изолированных друг от друга и от анода, частей (входной и выходной). При этом входная часть плазмовода охвачена дополнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электри- чески соединён с выходной частью плазмовода, а другой конец - подключён к положительному полюсу отдельного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.
Рассмотрим как отклоняющее действие дополнительных магнитных полей на плазменные потоки при их приближении к поверхностям конструк- тивных элементов источника плазмы с отражателями макрочастиц, осущест- вляемое при изложенных выше условиях позволяет уменьшить потери плаз- менных потоков при их транспортировке.
В прямолинейной плазмооптической системе для этого необходимо, чтобы постоянная составляющая транспортирующего магнитного поля имела выпуклую от оси конфигурацию, которая реализуется, как указано выше, за счёт двух электромагнитных катушек, охватывающих, соответственно, катод и выходную часть плазмовода. Поперечный градиент этой составляющей магнитного поля направлен к оси плазмооптической системы. Под действием этого градиента внутри плазменной струи происходит разделение электриче- ских зарядов, создающих электрическое поле поляризации, которое направ- лено поперёк к магнитному полю и его градиенту. Это электрическое поле вызывает дрейф электронов поперек магнитного поля и электрического поля поляризации, т.е. в сторону внутренней поверхности анода, что приводит к некоторому уменьшению осаждения плазмы на отражающий макрочастицы отрезок трубы с закрытым торцом, размещённый внутри анода. Чтобы уси- лить это действие вышеупомянутый поперечный градиент должен быть дос- таточным, чтобы скорость градиентного дрейфа электронов плазмы была, по крайней мере, не меньше, чем скорость противоположно направленного дрейфа электронов во внешнем электрическом поле между плазменной стру- ёй и отрезком трубы, находящемся внутри анода под его потенциалом. Это обеспечивается, благодаря действию дополнительного магнитного поля, соз- даваемого с помощью электромагнитной катушки, коаксиально размещённой внутри отрезка трубы, находящейся внутри анода. Напряжённость этого поля увеличивается или уменьшается прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока дуги, который течёт через этот отрезок трубы, так как он электрически соединён с одним концом обмотки отклоняющей электромаг- нитной катушки, второй конец которой соединен с положительным полюсом источника питания вакуумной дуги. Вследвие этого плазменные потоки, ко- торые выходят из катодных пятен вблизи оси катода, с большей эффективно- стью отклоняются от внешней поверхности вышеупомянутой отрезка трубы в сторону внутренней поверхности анода, что приводит к значительному уменьшению потерь ионов из плазменной струи на этом отражающем макро- частицы конструктивном элементе.
Однако, когда катодные пятна при электродуговом испарении переме- щается на периферии торцевой поверхности катода, плазменные потоки, эмитируемые этими катодными пятнами, приближается на близкое расстоя- ние к поверхностям отражателей макрочастиц на аноде и плазмоводе. Для уменьшения диффузных потерь плазменных потоков на эти поверхности на плазменные потоки воздействуют соответствующими дополнительными магнитными полями, сонаправленными с постоянным транспортирующим магнитным полем. Эти поля создаются электромагнитными катушками, ох- ватывающими, соответственно, анод и плазмовод и подсоединёнными соот- ветствующим образом, как указано выше, к источникам электропитания. По- этому напряжённости этих полей увеличиваются, когда необходимо откло- нить плазменные потоки от соответствующих поверхностей и уменьшаются, когда плазменные потоки удаляются от них. Это и обеспечивает уменьшение потерь плазменных потоков при их транспортировке.
Сущность изобретения поясняется схемой устройства для реализации предложенного способа.
Лучшие примеры выполнения предлагаемого изобретения.
Пример 1. В качестве примера реализации патентуемого изобретения вначале рассмотрим предлагаемое устройство. Это прямолинейный вариант плазмооптической системы для транспортировки вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрованием от макрочастиц. Эта система (см. схему) содержит катод 1 и анод 2, с расположенными внутри него отражателями макрочастиц в виде кольцеобразных экранов 3. Плазмовод в этой системе выполнен из двух частей входной 4 и выходной 5, которые электроизолированы друг от друга и от анода 2. Внутри этих частей плазмовода расположены отражатели макрочастиц в виде наборов кольцеобразных экранов 6 и 7. Для формирова- ния постоянной составляющей транспортирующего магнитного поля 8 слу- жат электромагнитные катушки 9 и 10, которые охватывают, соответственно, катод 1 и выходную часть плазмовода 5. Внутри анода 2 соосно с ним распо- ложен отражатель макрочастиц в виде отрезка трубы 1 1 с закрытым торцом, обращенным к катоду 1. Внутри этого отрезка трубы расположена электро- магнитная катушка 12, с витками из трубки для охлаждения водой. Эта элек- тромагнитная катушка предназначена для генерирования дополнительного отклоняющего магнитного поля 13, направленного на оси системы противо- положно направлению постоянной части транспортирующего магнитного поля 8. Узел 14 предназначен для по джига вакуумной дуги. Источник пита- ния вакуумной дуги 15 подключен к аноду 2 через обмотку электромагнит- ной катушки 16, которая его охватывает. Отрезок трубы 1 1 электрически со- единён с одним концом обмотки отклоняющей электромагнитной катушки 12, второй конец которой соединен с положительным полюсом источника питания вакуумной дуги 15. Плазмовод подключен к отдельному источнику питания 17, отрицательный полюс которого соединен с анодом 2, а положи- тельный полюс через обмотку катушки 18, которая охватывает входную сек- цию 4 плазмовода, соединен с его выходной секцией 5.
Пример реализации способа рассмотрим, описывая работу устройства. По джиг дуги осуществляется путем подачи на узел поджига дуги 14 (см. схему) высоковольтного импульса, который инициирует возбуждение катодного пятна дуги на боковой поверхности катода 1 , которое выталкива- ется магнитным полем на торцевую (рабочую) поверхность катода. В зави- симости от тока дуги на торцевой поверхности катода 1 могут образовывать- ся несколько катодных пятен, которые, перемещаясь по ней, эмитируют струи катодной плазмы с высокой ионизацией вместе с макрочастицами ма- териала катода. Макрочастицы, двигаясь по прямолинейным траекториям, задерживаются отражателями 3, 6, 7 и торцевой поверхностью отрезка трубы 1 1. Плазменные струи, ионизация которых близка к 100 %, двигаясь вдоль транспортирующего магнитного поля 8 выпуклой конфигурации, которое огибает отрезок трубы 1 1 , проходят через все отверстия отражателей 3, 6 и 7 на выход плазменного источника. В зависимости от положения катодного пятна дуги на торцевой поверхности катода с помощью электромагнитных катушек 16 и 18, которые охватывают анод 2 и входную секцию плазмовода 4, соответственно, создают изменяемые по напряжённости электромагнитные поля. Эти поля изменяют конфигурацию и напряжённость результирующего транспортирующего магнитного поля, постоянная составляющая которого создаётся с помощью электромагнитных катушек 9 и 10. На плазменный по- ток также действуют дополнительным отклоняющим магнитным полем 13 внутри анода 2. Это отклоняющее магнитное поле направлено противопо- ложно постоянному транспортирующему магнитному полю на оси системы и создается с помощью отклоняющей электромагнитной катушки 12, располо- женной коаксиально внутри трубной секции фильтрующего элемента 1 1.
Если источник питания 15 работает в режиме фиксированного тока ду- ги, напряженности дополнительных магнитных полей внутри анода 2 будут пропорциональные токам дуги, которые текут через анод 2 и отрезок трубы отражателя макрочастиц 1 1. Напряженности этих полей будут также обратно пропорциональны анодному падению потенциала. Если источник 15 работает в режиме фиксированного напряжения, тогда при приближении плазменных потоков к внутренней поверхности анода 2 или к внешней поверхности от- резка трубы 11 , увеличится анодный ток на эти электроды. Вследствие этого увеличится ток, который течет через соответствующую катушку 16 или 12 и увеличится напряженность соответствующего магнитного поля, которое от- клонит плазменный поток от стенки соответствующего конструктивного элемента источника плазмы.
Благодаря тому, что положительный полюс источника питания 17 со- единен с выходной частью 5 плазмовода через дополнительную электромаг- нитную катушку 18, напряженность дополнительного магнитного поля внут- ри входной части 4 плазмовода при заданном постоянном потенциале отно- сительно анода, подаваемом на электромагнитную катушку 18, будет про- порциональна величине тока, который течет через выходную часть 5 плазмо- вода.
При изложенных выше условиях при любых перемещениях катодных пятен на торцевой поверхности катода обеспечивается динамическое равно- весие плазменных потоков в той области их транспортировки вдоль магнит- ного поля, в которой потери плазмы поперек магнитного поля будут мини- мальны. Причём устойчивость такого динамического равновесия плазменных потоков и стабилизация падения напряжения на дуге, растет пропорциональ- но току дуги.
Пример 2. Вариант осуществления предложенных способа и устройства в случае криволинейной плазмооптической системы отличается от варианта для случая прямолинейной плазмооптической системы тем, что постоянная составляющая транспортирующего магнитного поля создаётся электромаг- нитными катушками, охватывающими катод, анод и плазмовод.
Внутри анода в криволинейной системе отсутствует отрезок трубы с размещённой внутри него отклоняющей электромагнитной катушкой. Работа криволинейной плазмооптической системы в режиме постоянного тока дуги отличается способом возбуждения дополнительной электромагнитной ка- тушки, охватывающей анод. Это отличие, в частности, заключается в том, что возбуждение этой катушки осуществляют от отдельного управляемого источника питания, который представляет собой усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью по анодному падению напряжения Ua на дуге, которое соответствует соотношению: Ua = ид - UK, где UK и 1)д - соот- ветственно, катодное падение напряжения на дуге и полное падение напря- жения на дуге.
В данном частном случае Ua определяется с помощью компоратора, в котором задается постоянное, выбранное для данного материала катода, зна- чение величины UK. При отсутствии дугового разряда Т_1д = Ux.x, где Ux.x - на- пряжение холостого хода источника питания дуги. При таком условии источник питания дополнительной электромагнит- ной катушки заперт и ток в этой катушке равен нулю. При поджиге дуги Ua уменьшается и источник питания этой катушки отпирается. В результате че- рез катушку будет протекать ток обратно пропорциональный анодному паде- нию потенциала Ua, генерируя соответствующее дополнительное магнитное поле. Когда плазменные струи приближаются к внутренней поверхности анода, Ua уменьшается и напряжённость дополнительного магнитного поля внутри анода, соответственно, увеличивается. Когда же плазменные струи удаляются от внутренней поверхности анода в сторону его оси, Ua увеличи- вается и, соответственно этому, уменьшается напряжённость этого поля внутри анода. В результате такого воздействия на плазменные потоки допол- нительным магнитным полем стабильность дугового разряда не ухудшается, а потери плазмы при её транспортировке внутри анода в среднем уменына- ются. При дальнейшей транспортировке плазменных потоков в плазмоводе подача положительного потенциала относительно анода на криволинейный плазмовод осуществляется через дополнительную электромагнитную катуш- ку, охватывающую этот плазмовод. В результате такого воздействия на плазменные потоки дополнительным магнитным полем стабильность дугово- го разряда не ухудшается, а потери плазмы при её транспортировке внутри анода в среднем уменьшаются. При дальнейшей транспортировке плазмен- ных потоков в плазмоводе подача положительного потенциала относительно анода на криволинейный плазмовод осуществляется через дополнительную электромагнитную катушку, охватывающую этот плазмовод.
Промышленная применимость.
Эксперименты, проведенные с устройством изготовленном из реаль- ных и доступных конструктивных элементов показали, что предложенный способ и устройство для транспортировки вакуумнодуговой катодной плаз- мы в прямолинейной фильтрующей плазмооптической системе, обеспечивает увеличение среднего выходного ионного потока при токе дуги 100 А не ме- нее чем в 1 ,5 раза по сравнению с прототипом. При этом минимальное и мак- симальное значения выходного ионного тока составили 3,5 А и 4 А, соответ- ственно. При увеличении тока дуги до ПО А минимальное и максимальное значения выходного ионного тока возрастают до 4 А и 5 А, соответственно.
Таким образом, из приведенных данных следует, что предложенное изобретение может быть реализовано для осаждения высококачественных покрытий различного назначения. Благодаря обеспечению вышеописанных условий транспортировки плазменных потоков, значительно повышается производительность процесса осаждения покрытий, которые лишены дефек- тов, обусловленных макрочастицами.
Источники информации.
1. И.И. Аксёнов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших. Устройство для очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц // ПТЭ, N_> 5, 1978, с.236- 237.
2. Патент Украины Гэ 87880. МПК С23С 14/00. Вакуумно-дуговой ис- точник плазмы, 2009 (прототип).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно- дуговой катодной плазмы в плазмооптической системе от электродугового испарителя к выходу источника плазмы под действием транспортирующего магнитного поля, создаваемого с использованием электромагнитных кату- шек, отличающийся тем, что транспортирующее магнитное поле создают путём суперпозиции постоянного магнитного поля и, изменяемых по напря- жённости, дополнительных магнитных полей, отклоняющих потоки плазмы от поверхностей конструктивных элементов источника плазмы, причём до- полнительные магнитные поля создают с помощью дополнительных элек- тромагнитных катушек, при условии, что напряжённость соответствующего дополнительного магнитного поля увеличивают при приближении плазмен- ного потока к поверхности соответствующего конструктивного элемента ис- точника плазмы и уменьшают при удалении плазменного потока от поверх- ности этого элемента.
2. Способ по п.1 , отличающийся тем, что при транспортировке плазмен- ных потоков в прямолинейной плазмооптической системе с плазмоводом по- стоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью двух элек- тромагнитных катушек, одна из которых охватывает катод, а другая - плаз- мовод вблизи выходного отверстия.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при транспортировке плазмен- ных потоков в криволинейной плазмооптической системе с плазмоводом по- стоянное транспортирующее магнитное поле создают с помощью электро- магнитных катушек, которые, соответственно, охватывают катод, анод и криволинейную часть плазмооптической системы.
4. Способ по п. 2 или по п. 3, отличающийся тем, что при транспорти- ровке плазменных потоков внутри анода, дополнительное магнитное поле внутри него создают с помощью охватывающей его дополнительной элек- тромагнитной катушки, при условии, что это магнитное поле сонаправлено с постоянным транспортирующим магнитным полем, при этом напряженность этого дополнительного магнитного поля изменяют так, чтобы для заданной разности потенциалов между катодом и анодом её величина была прямо про- порциональна току дуги, который течет через анод, или для заданного тока дуги, который течет через анод, она была обратно пропорциональна анодно- му падению потенциала.
5. Способ по п. п. 4 и 2, отличающийся тем, что в источнике плазмы, ко- торый имеет внутри анода для отражения макрочастиц, расположенный на его оси и электрически связанный с ним, электропроводящий отрезок трубы, закрытый с торца, обращенного к катоду, транспортировку плазменного по- тока в промежутке между внешней поверхностью этого отрезка трубы и внутренней поверхностью анода осуществляют при воздействии на плазмен- ный поток дополнительным магнитным полем, создаваемым с помощью от- клоняющей электромагнитной катушки, расположенной внутри этого отрезка трубы коаксиально ему при условии, что это магнитное поле направлено противоположно постоянному транспортирующему магнитному полю на оси плазмооптической системы, при этом напряженность магнитного поля, соз- даваемого этой катушкой, увеличивают или уменьшают прямо пропорцио- нально увеличению или уменьшению тока дуги, который течет через этот от- резок трубы.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, внутри ко- торого на плазменный поток действуют, сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем, дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, ох- ватывающей плазмовод, причём напряжённость дополнительного магнитно- го поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через плазмовод.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, внутри ко- торого на плазменный поток действуют, сонаправленым с постоянным транспортирующим магнитным полем, дополнительным магнитным полем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, ох- ватывающей плазмовод, причём напряжённость дополнительного магнитно- го поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через плазмовод.
8. Способ по п.4, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выходной частей, электроизолированных друг от друга и от анода, при этом на плазменный поток действуют, сонаправленым с постоян- ным транспортирующим магнитным полем, дополнительным магнитным по- лем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей входную часть плазмовода, при условии, что напряжённость этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через выход- ную часть плазмовода.
9. Способ по п.5, отличающийся тем, что транспортировку плазменного потока, который выходит из анода, осуществляют в плазмоводе, состоящем из входной и выходной частей, электроизолированных друг от друга и от анода, при этом на плазменный поток действуют, сонаправленым с постоян- ным транспортирующим магнитным полем, дополнительным магнитным по- лем, генерируемым с помощью дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей входную часть плазмовода, при условии, что напряжённость этого дополнительного магнитного поля увеличивают или уменьшают прямо пропорционально увеличению или уменьшению тока, текущего через выход- ную часть плазмовода.
10. Прямолинейная плазмооптическая система с плазмоводом для транс- портировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы от электродугового испарителя к выходу источника плазмы, вклю- чающая отражатели макрочастиц, электромагнитные катушки, охватываю- щие катод, анод и плазмовод, электропроводящий отрезок трубы, коаксиаль- но размещённый внутри анода, электрически связанный с ним, закрытый с торца, обращенного к катоду, который имеет внутри коаксиально располо- женную отклоняющую электромагнитную катушку, отличающаяся тем, что источник электропитания электродугового испарителя подключен к аноду через обмотку электромагнитной катушки, которая его охватывает, началь- ный виток обмотки отклоняющей электромагнитной катушки внутри выше- упомянутого отрезка трубы электрически соединен с ним, а вывод последне- го витка этой катушки соединен с положительным полюсом источника элек- тропитания электродугового испарителя.
1 1. Плазмооптическая система по п. 10, отличающаяся тем, что откло- няющая электромагнитная катушка внутри вышеупомянутого отрезка трубы выполнена из водоохлаждаемой трубки.
12. Плазмооптическая система по п. 10 или по п. 1 1 , отличающаяся тем, что плазмовод охвачен дополнительной электромагнитной катушкой, один конец которой электрически соединён с плазмоводом, а другой конец - под- ключён к положительному полюсу отдельного источника электропитания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.
13. Плазмооптическая система по п. 10 или по п. 1 1 , отличающаяся тем, что плазмовод выполнен из двух электрически изолированных друг от друга и от анода частей (входной и выходной), при этом входная часть плазмовода охвачена электромагнитной катушкой, один конец которой электрически со- единён с выходной частью плазмовода, а другой конец - подключён к поло- жительному полюсу отдельного источника электропитания, отрицательный полюс которого соединен с анодом.
PCT/UA2011/000105 2010-11-08 2011-10-31 Способ транспортировки вакуумно- дуговой плазмы и устройство для его осуществления WO2012064311A1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201180053875.2A CN103298969B (zh) 2010-11-08 2011-10-31 用于传输真空电弧等离子体的方法和装置
JP2013537644A JP5833662B2 (ja) 2010-11-08 2011-10-31 線形プラズマ−光学システム
US13/877,708 US9035552B2 (en) 2010-11-08 2011-10-31 Method and device for transporting vacuum arc plasma
KR1020137014734A KR101575145B1 (ko) 2010-11-08 2011-10-31 진공 아크 플라즈마 이송 방법 및 장치
EP11839748.8A EP2639330B1 (en) 2010-11-08 2011-10-31 Method and device for transporting vacuum arc plasma

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201013230 2010-11-08
UAA201013230A UA97584C2 (ru) 2010-11-08 2010-11-08 СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ Вакуумно-дуговой Катодной ПЛАЗМЫ С фильтрованием От макрочастиц И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012064311A1 true WO2012064311A1 (ru) 2012-05-18

Family

ID=46051213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2011/000105 WO2012064311A1 (ru) 2010-11-08 2011-10-31 Способ транспортировки вакуумно- дуговой плазмы и устройство для его осуществления

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9035552B2 (ru)
EP (1) EP2639330B1 (ru)
JP (2) JP5833662B2 (ru)
KR (1) KR101575145B1 (ru)
CN (1) CN103298969B (ru)
UA (1) UA97584C2 (ru)
WO (1) WO2012064311A1 (ru)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2251455B1 (en) 2009-05-13 2017-09-06 SiO2 Medical Products, Inc. PECVD coating using an organosilicon precursor
WO2013170052A1 (en) 2012-05-09 2013-11-14 Sio2 Medical Products, Inc. Saccharide protective coating for pharmaceutical package
US9458536B2 (en) 2009-07-02 2016-10-04 Sio2 Medical Products, Inc. PECVD coating methods for capped syringes, cartridges and other articles
US11624115B2 (en) 2010-05-12 2023-04-11 Sio2 Medical Products, Inc. Syringe with PECVD lubrication
US9878101B2 (en) 2010-11-12 2018-01-30 Sio2 Medical Products, Inc. Cyclic olefin polymer vessels and vessel coating methods
US9272095B2 (en) 2011-04-01 2016-03-01 Sio2 Medical Products, Inc. Vessels, contact surfaces, and coating and inspection apparatus and methods
US11116695B2 (en) 2011-11-11 2021-09-14 Sio2 Medical Products, Inc. Blood sample collection tube
WO2013071138A1 (en) 2011-11-11 2013-05-16 Sio2 Medical Products, Inc. PASSIVATION, pH PROTECTIVE OR LUBRICITY COATING FOR PHARMACEUTICAL PACKAGE, COATING PROCESS AND APPARATUS
US9664626B2 (en) 2012-11-01 2017-05-30 Sio2 Medical Products, Inc. Coating inspection method
WO2014078666A1 (en) 2012-11-16 2014-05-22 Sio2 Medical Products, Inc. Method and apparatus for detecting rapid barrier coating integrity characteristics
US9764093B2 (en) 2012-11-30 2017-09-19 Sio2 Medical Products, Inc. Controlling the uniformity of PECVD deposition
BR112015012470B1 (pt) 2012-11-30 2022-08-02 Sio2 Medical Products, Inc Método de produção de um tambor médico para um cartucho ou seringa médica
CN103227090B (zh) * 2013-02-04 2016-04-06 深圳市劲拓自动化设备股份有限公司 一种线性等离子体源
EP2961858B1 (en) 2013-03-01 2022-09-07 Si02 Medical Products, Inc. Coated syringe.
US9937099B2 (en) 2013-03-11 2018-04-10 Sio2 Medical Products, Inc. Trilayer coated pharmaceutical packaging with low oxygen transmission rate
CN105392916B (zh) 2013-03-11 2019-03-08 Sio2医药产品公司 涂布包装材料
EP2971227B1 (en) 2013-03-15 2017-11-15 Si02 Medical Products, Inc. Coating method.
US11066745B2 (en) 2014-03-28 2021-07-20 Sio2 Medical Products, Inc. Antistatic coatings for plastic vessels
CN104775096B (zh) * 2015-04-16 2017-05-10 安徽纯源镀膜科技有限公司 纯离子真空镀膜设备中用于延长绝缘材料维护周期的装置
US11077233B2 (en) 2015-08-18 2021-08-03 Sio2 Medical Products, Inc. Pharmaceutical and other packaging with low oxygen transmission rate
CN106702328B (zh) * 2017-02-17 2019-08-30 大连交通大学 磁偏转电子束蒸发源
CN109267018B (zh) * 2017-07-18 2021-12-17 平高集团有限公司 一种快速等离子体镀膜方法及装置
SG11202109135UA (en) * 2019-03-15 2021-09-29 Nanofilm Tech International Limited Improved cathode arc source
US11672074B2 (en) * 2019-07-11 2023-06-06 Lockheed Martin Corporation Shielding structures in plasma environment
CN111074215B (zh) * 2019-12-27 2021-07-02 季华实验室 一种新型阴极电弧的颗粒过滤器
EP3849282A1 (en) * 2020-01-09 2021-07-14 terraplasma emission control GmbH Plasma discharge system and method of using the same
CN111916326A (zh) * 2020-06-09 2020-11-10 哈尔滨工业大学 一种具有防护功能的离子源的导磁套筒结构
EP4066272B1 (en) 2020-06-19 2023-06-07 Nanofilm Technologies International Limited Improved cathode arc source, filters thereof and method of filtering macroparticles
CN113573454B (zh) * 2021-08-05 2022-03-29 富时精工(南京)有限公司 一种可变磁场约束的等离子体射流装置及其方法
CN114828373A (zh) * 2022-05-25 2022-07-29 河北工业大学 一种外加磁场调控电弧等离子体发生和新型出气装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020007796A1 (en) * 2000-04-10 2002-01-24 Gorokhovsky Vladimir I. Filtered cathodic arc deposition method and apparatus
UA87880C2 (ru) 2007-06-13 2009-08-25 Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" Вакуумно-дуговой источник плазмы
RU2369664C2 (ru) * 2003-10-21 2009-10-10 Закрытое Акционерное Общество "Институт Инженерии Поверхности" Источник фильтрованной плазмы вакуумной дуги

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4452686A (en) * 1982-03-22 1984-06-05 Axenov Ivan I Arc plasma generator and a plasma arc apparatus for treating the surfaces of work-pieces, incorporating the same arc plasma generator
JPS58178999A (ja) * 1982-04-02 1983-10-20 イワン・イワノヴイツチ・アレクセノフ ア−クプラズマ発生器及びこれを備えた被加工片の表面処理用のプラズマア−ク装置
JPH0673154U (ja) * 1993-03-22 1994-10-11 川崎製鉄株式会社 イオンプレーティング装置
US5480527A (en) * 1994-04-25 1996-01-02 Vapor Technologies, Inc. Rectangular vacuum-arc plasma source
JP2001011608A (ja) * 1999-06-24 2001-01-16 Nissin Electric Co Ltd 膜形成装置
JP2002266066A (ja) * 2001-03-07 2002-09-18 Fuji Electric Co Ltd 真空アーク蒸着装置
US6756596B2 (en) * 2002-04-10 2004-06-29 Paul E. Sathrum Filtered ion source
CN201132848Y (zh) * 2007-12-12 2008-10-15 中国科学院金属研究所 一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置
JP4568768B2 (ja) * 2008-03-27 2010-10-27 株式会社フェローテック プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置
US8698400B2 (en) * 2009-04-28 2014-04-15 Leybold Optics Gmbh Method for producing a plasma beam and plasma source

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020007796A1 (en) * 2000-04-10 2002-01-24 Gorokhovsky Vladimir I. Filtered cathodic arc deposition method and apparatus
RU2369664C2 (ru) * 2003-10-21 2009-10-10 Закрытое Акционерное Общество "Институт Инженерии Поверхности" Источник фильтрованной плазмы вакуумной дуги
UA87880C2 (ru) 2007-06-13 2009-08-25 Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" Вакуумно-дуговой источник плазмы

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
I.I. AKSYONOV; V.A. BELOUS; V.G. PADALKA; V.M. KHOROSHIKH, DEVICE FOR VACUUM ARC PLASMA CLEANING FROM MACROPARTICLES // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, 1978, pages 236 - 237
See also references of EP2639330A4

Also Published As

Publication number Publication date
JP6305950B2 (ja) 2018-04-04
EP2639330A1 (en) 2013-09-18
JP2015159113A (ja) 2015-09-03
JP5833662B2 (ja) 2015-12-16
EP2639330A4 (en) 2015-07-08
CN103298969B (zh) 2015-09-16
KR20130132469A (ko) 2013-12-04
UA97584C2 (ru) 2012-02-27
US9035552B2 (en) 2015-05-19
CN103298969A (zh) 2013-09-11
KR101575145B1 (ko) 2015-12-07
JP2014503935A (ja) 2014-02-13
US20130214684A1 (en) 2013-08-22
EP2639330B1 (en) 2017-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012064311A1 (ru) Способ транспортировки вакуумно- дуговой плазмы и устройство для его осуществления
RU2369664C2 (ru) Источник фильтрованной плазмы вакуумной дуги
AU695441B2 (en) Rectangular vacuum-arc plasma source
JP4491132B2 (ja) プラズマ処理装置
EP0495447A1 (en) Method of controlling an arc spot in vacuum arc vapor deposition and an evaporation source
US5468363A (en) Magnetic-cusp, cathodic-arc source
US20070034501A1 (en) Cathode-arc source of metal/carbon plasma with filtration
RU2525442C2 (ru) Плазменный генератор и способ управления им
WO2012138311A1 (ru) Вакуумнодуговой испаритель для генерирования катодной плазмы
Aksenov et al. Transformation of axial vacuum-arc plasma flows into radial streams and their use in coating deposition
RU2507305C2 (ru) Способ транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы и устройство для его осуществления
WO2013120097A9 (en) Compact, filtered ion source
RU2364003C1 (ru) Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц
RU2097868C1 (ru) Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты)
RU2657273C1 (ru) Способ фильтрации капельной фазы при осаждении из плазмы вакуумно-дугового разряда
RU2482217C1 (ru) Вакуумно-дуговой источник плазмы
RU2039849C1 (ru) Вакуумно-дуговое устройство
RU159075U1 (ru) Устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий
UA87880C2 (ru) Вакуумно-дуговой источник плазмы
WO2013081569A1 (ru) Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы
Aksyonov et al. Optimization of the magnetic system of a vacuum-arc plasma source with a straight line filter
MXPA96005104A (en) Rectangular source of plasma de arco al va
UA77299C2 (ru) Вакуумное електродуговое устройство с искривленными плазмовыми каналами

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11839748

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13877708

Country of ref document: US

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2011839748

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011839748

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013537644

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20137014734

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A