WO2013081569A1 - Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы - Google Patents

Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы Download PDF

Info

Publication number
WO2013081569A1
WO2013081569A1 PCT/UA2012/000042 UA2012000042W WO2013081569A1 WO 2013081569 A1 WO2013081569 A1 WO 2013081569A1 UA 2012000042 W UA2012000042 W UA 2012000042W WO 2013081569 A1 WO2013081569 A1 WO 2013081569A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode
deflecting
magnetic field
electromagnetic coil
coil
Prior art date
Application number
PCT/UA2012/000042
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 RU2013130658/07A priority Critical patent/RU2539881C1/ru
Priority to US14/232,944 priority patent/US20140291149A1/en
Priority to EP12852663.9A priority patent/EP2787795A4/en
Publication of WO2013081569A1 publication Critical patent/WO2013081569A1/ru

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01J37/32669—Particular magnets or magnet arrangements for controlling the discharge
    • 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

Definitions

  • the invention relates to techniques for producing plasma flows in electric arc plasma sources.
  • the proposed anode assembly can be used mainly in rectilinear sources of vacuum-arc cathode plasma with filtering from particulate matter complete with various vacuum-arc evaporators and with plasma ducts for plasma transportation.
  • the anode assembly [1] of a rectilinear source of a vacuum-arc cathode plasma which contains the anode in the form of a pipe segment covered by electromagnetic coils forming a sectioned solenoid, consisting of at least three separate sections, each of which is connected to a separate power source.
  • This assembly includes a particulate reflector made in the form of a disk fixed inside a pipe segment on its axis with the help of conductive rods attached to its inner wall to ensure electrical and thermal contact. This reflector in this anode node will be called a gate.
  • the required magnetic field configuration is created, which provides maximum bypass of the shutter by magnetic field lines crossing a significant part of the end evaporated surface of the cathode without crossing the anode.
  • part of the magnetic field lines in the cathode region near the axis falls on the shutter.
  • Significant arc current goes directly to the damper. It overheats, especially at arc currents of more than 70 A. This can lead to the arc being linked to the overheated part damper and its melting or destruction.
  • significant plasma losses occur due to the weakened magnetic field in the region of the damper, which causes the plasma to drift toward the anode and deposit it on the anode.
  • anode assembly of a vacuum-arc source of cathode plasma [2]. It contains an anode in the form of a pipe segment enclosed by a focusing electromagnetic coil.
  • An electromagnetic deflecting coil is coaxially located inside the anode in an electrically conductive casing, inside which a cylindrical deflecting permanent magnet is located on its axis near its end facing the inlet of the anode.
  • a deflecting electromagnetic coil generates a magnetic field directed opposite to the magnetic field generated by the focusing electromagnetic coil.
  • the magnetic field of the permanent magnet is aligned with the magnetic field generated by the deflecting electromagnetic coil on its axis.
  • a bias permanent magnet magnet coil forms the so-called “magnetic island”.
  • the use of a permanent magnet makes it possible to reduce the dimensions of the “magnetic island” without decreasing the intensity of the deflecting magnetic field and thereby reduce the dimensions of the source itself of the vacuum-arc cathode plasma.
  • the “Magnetic Island” reduces the loss of plasma moving in the axial region along the axis to the damper, which in this anode assembly is the end wall of the aforementioned casing.
  • Plasma flows that exit the cathode are arc spots in the peripheral region of the working end of the cathode, moving in a magnetic field created mainly by a focusing electromagnetic coil, bend around the deflecting magnetic coil and, practically, do not fall on its back side.
  • this increases plasma losses across the magnetic field to the anode walls, both due to the magnetic field gradient directed toward the side surface of the deflecting electromagnetic coil, and due to the formation of a magnetic mirror for electrons around this coil.
  • the problem to which the invention is directed is to improve the anode assembly of a vacuum-arc source of a cathode plasma to reduce plasma losses during its transportation inside this assembly. Improvement should be carried out by changing the configuration of the magnetic field inside the anode and by adjusting the strength of the magnetic fields generated by the electromagnetic coils depending on the arc current flowing through the electrically conductive elements of the anode assembly.
  • the task is realized in the proposed anode assembly of a vacuum-arc source of cathode plasma, which, like the anode assembly adopted for the prototype, contains an anode made in the form of a pipe segment covered by a focusing electromagnetic coil.
  • a deflecting electromagnetic coil is coaxially placed inside the anode in an electrically conductive casing. Inside this coil, on its axis near its end facing the inlet of the anode, there is a deflecting permanent magnet.
  • the deflecting electromagnetic coil is designed to create a magnetic field directed counter to the magnetic field of the focusing electromagnetic coil.
  • the magnetic field of the permanent magnet is aligned with the magnetic field, which is generated by a deflecting electromagnetic coil on its axis.
  • the proposed anode assembly includes, inside its deflecting electromagnetic coil, an additional permanent magnet located on its axis near its end facing the opposite direction of the anode inlet.
  • the magnetic field of this magnet is directed counter to the magnetic field of the deflecting permanent magnet.
  • the positive pole of the arc power source is electrically connected both to the anode through the winding of the focusing electromagnetic coil and to the casing of the deflecting coil through its winding.
  • the winding of the deflecting electromagnetic coil can be made from a tube that is cooled by water, while the winding of this winding near its end facing the inlet of the anode must have thermal contact with its casing.
  • An additional permanent magnet in combination with the magnetic field of the focusing electromagnetic coil provides a deviation of a significant part of the magnetic field lines of the deflecting electromagnetic coil and the deflecting permanent magnet towards the outlet of the anode. This prevents the aforementioned magnetic field lines from crossing the end surface of the casing of this coil facing the outlet of the anode.
  • the plasma jets emitted by the cathode spots of the arc moving in the central (near-axis) region of the cathode, propagating along the force lines of the magnetic field enveloping the deflecting electromagnetic coil together with the casing exit through the outlet of the anode without falling onto the end casing facing this hole. As the experiments show, this increases the output ion current by one third.
  • the above electrical connection of the turns of the focusing and deflecting electromagnetic coils provides an adjustment of the direction the lines of the magnetic fields of the coils, depending on the arc currents that flow through the anode or through the aforementioned casing. Such adjustment ensures a change in the total magnetic field in such a way that it deflects plasma flows from the inner surface of the anode if the arc current passes through it, and from the outer surface of the casing if the arc current passes through this casing. Due to this, the proposed anode assembly provides dynamic equilibrium of plasma flows moving between the inner surface of the anode and the outer surface of the casing of the deflecting electromagnetic coil, which significantly reduces the plasma loss in the anode assembly.
  • the proposed anode assembly contains a water-cooled anode 1 (see diagram), made in the form of a pipe segment of non-magnetic stainless steel with flanges.
  • a focusing electromagnetic coil 2 spans the anode.
  • the deflecting electromagnetic coil 3 in the electrically conductive casing 4 is coaxially located inside the anode on its axis. It is made of a copper tube cooled by water.
  • the casing 4 is attached to the initial turn 5 of the coil 3 to ensure electrical and thermal contact.
  • a deflecting permanent magnet 6 is mounted inside the deflecting electromagnetic coil 3 on its axis near its end facing the inlet 7 of the anode.
  • An additional permanent magnet 8 is installed inside the deflecting electromagnetic coil 3 on the same axis as the magnet 6, but near the end of the coil 3, facing the side opposite to the inlet 7.
  • the additional permanent magnet 8 is oriented with its magnetic field towards the magnetic field of the deflecting permanent magnet 6.
  • the deflecting electromagnetic coil 3 is mounted inside the anode using its findings 9 and 10, located along the diameter of the insulating ring 11 and fastened vacuum tightly on its outer surface.
  • the anode is electrically connected to the terminal end of the winding 12 of the focusing electromagnetic coil.
  • the output of its initial turn 13 is connected to the positive pole of the arc power supply 14 and to the output 10 of the final turn of the winding of the deflecting electromagnetic coil 3, the initial turn 5 of which is connected to its casing 4.
  • the anode assembly is connected to a vacuum-arc evaporator with a cathode covered by a cathode electromagnetic coil. From the side of the outlet, it is connected to the plasma duct, which is surrounded by the output electromagnetic coil (not shown in the figure). Using these coils inside the anode assembly, you can create a constant, convex away from the axis, transporting a magnetic field. After the initiation of an arc discharge at the end surface of the cathode (not shown in the figure), the plasma jets emerging from the cathode spots of the arc, which move along the surface of the cathode, move along the lines of force of the transporting magnetic field.
  • the arc current can go either through the anode 1, or through the casing 4 of the deflecting electromagnetic coil 3, or simultaneously through the anode 1 and the casing 4.
  • the plasma jets emerging from these spots will pass at a sufficiently close distance from the inner wall of the anode 1. Thanks to connecting the anode to the positive pole of the arc power source 14 through the terminals 13 and 12 of the winding of the focusing electromagnetic coil 2, when the arc current passes through the anode, the magnetic field is amplified, which deflects plasma flows from the wall of the anode 1. As a result, the plasma loss to its wall decreases sharply .
  • the winding of the deflecting coil 4 made of a copper tube with leads 9 and 10 located and vacuum-tightly sealed in the insulating ring 11 is cooled by water.
  • - cycle 5 of the coil 3 with the casing 4 provides its effective cooling.
  • the anode is also cooled effectively.
  • the anode assembly can operate for a long time.
  • Tests of the anode assembly were carried out with the following main dimensions: inner diameter of the anode - 226 mm; anode length - 155 mm; the outer diameter of the deflecting magnetic coil is 68 mm; deflecting electromagnetic coil length - 60 mm; the outer diameter of the casing of the biasing electromagnetic coil is 74 mm; distance from input from the anode ver- sion to the end surface of the casing of the deflecting electromagnetic coil is 100 mm.
  • Tests of the anode assembly complete with a vacuum arc evaporator with a cylindrical consumable titanium cathode showed that the total ion output current at an arc current of 100 A is at least 6 A. This is almost 1.5 times higher than at the exit of the anode assembly, - worn for a prototype with the same arc current.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Предложен анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы. Изобретение может быть использовано, в основном, в прямолинейных источниках вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрацией от макрочастиц в комплекте с различными вакуумно-дуговыми испарителями и с плазмоводами для транспортировки плазмы. Анодный узел содержит, охваченный фокусирующей электромагнитной катушкой, анод, выполненный в виде отрезка трубы. Внутри анода коаксиально ему размещена в электропроводящем кожухе отклоняющая электромагнитная катушка, с направлением магнитного поля навстречу магнитному полю фокусирующей электромагнитной катушки. Внутри отклоняющей катушки, на её оси вблизи её торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен постоянный отклоняющий магнит, магнитное поле которого сонаправлено магнитному полю отклоняющей электромагнитной катушки. Анодный узел отличается тем, что он включает, расположенный внутри отклоняющей электромагнитной катушки, на её оси вблизи её торца, обращенного в сторону противоположную входному отверстию анода, дополнительный постоянный магнит, магнитное поле которого направлено встречно магнитному полю постоянного отклоняющего магнита. При этом положительный полюс источника питания дуги электрически соединен как с анодом через обмотку фокусирующей электромагнитной катушки, так и с кожухом отклоняющей катушки через её обмотку. Благодаря этому обеспечивается динамическое равновесие плазменных потоков, движущихся в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной поверхностью кожуха отклоняющей электромагнитной катушки, что существенно уменьшает потери плазмы.

Description

Анодный узел вакуу но-дугового источника катодной плаз ы
Область техники.
Изобретение относится к технике получения плазменных потоков в ис- точниках электродуговой плазмы. Предложенный анодный узел может быть использован, преимущественно, в прямолинейных источниках вакуумно- дуговой катодной плазмы с фильтрацией от макрочастиц в комплекте с раз- личными вакуумно-дуговыми испарителями и с плазмоводами для транспор- тировки плазмы.
Предшествующий уровень техники.
Известен анодный узел [1] прямолинейного источника вакуумно- дуговой катодной плазмы, который содержит анод в виде отрезка трубы, ох- ваченного электромагнитными катушками, образующими секционированный соленоид, состоящий, как минимум, из трех отдельных секций, каждая из ко- торых подсоединена к отдельному источнику электропитания. Этот узел включает отражатель макрочастиц, выполненный в виде диска, закрепленно- го внутри отрезка трубы на его оси с помощью токопроводящих стержней, прикрепленных к внутренней его стенки с обеспечением электрического и теплового контакта. Этот отражатель в этом анодном узле будем называть за- слонкой.
С помощью секционированного соленоида внутри анода создают необ- ходимую конфигурацию магнитного поля, обеспечивающую максимальный обход заслонки силовыми линиями магнитного поля, пересекающими значи- тельную часть торцевой испаряемой поверхности катода без пересечения ими анода. Однако при этом часть силовых линий магнитного поля в области катода около оси попадает на заслонку. Это приводит к существенным поте- рям плазмы, распространяющейся вдоль магнитного поля. Значительный ток дуги идет прямо на заслонку. Происходит её перегрев, особенно при токах дуги более 70 А. Это может приводить к привязке дуги к перегретой части заслонки и её оплавлению или разрушению. Кроме того, происходят значи- тельные потери плазмы из-за ослабленного магнитного поля в области рас- положения заслонки, что вызывает дрейф плазмы в сторону анода и осажде- ние её на анод.
В качестве прототипа рассмотрим анодный узел вакуумно-дугового ис- точника катодной плазмы [2]. Он содержит анод в виде отрезка трубы, охва- ченный фокусирующей электромагнитной катушкой. Внутри анода коакси- ально ему размещена в электропроводящем кожухе электромагнитная откло- няющая катушка, внутри которой на её оси вблизи её торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен цилиндрический отклоняющий по- стоянный магнит. Отклоняющая электромагнитная катушка генерирует маг- нитное поле, направленное встречно магнитному полю, генерируемому фо- кусирующей электромагнитной катушкой. Магнитное поле постоянного маг- нита сонаправлено с магнитным полем, генерируемым отклоняющей элек- тромагнитной катушкой на её оси. Отклоняющая электромагнитная катушка с постоянным магнитом образуют так называемый «магнитный остров». Ис- пользование постоянного магнита позволяет уменьшить габариты «магнит- ного острова» без уменьшения напряженности отклоняющего магнитного поля и тем самым уменьшить габариты самого источника вакуумно-дуговой катодной плазмы. «Магнитный остров» уменьшает потери плазмы, движу- щейся в приосевой области вдоль оси на заслонку, которой в этом анодном узле является торцевая стенка вышеупомянутого кожуха.
Однако, несмотря на наличие такого «магнитного острова», потери плазмы всё ещё остаются значительными. Значительная часть плазменных потоков, выходящих из катодных пятен дуги, перемещающихся в централь- ной (приосевой) области катода, попадая в достаточно сильное магнитное поле, создаваемое отклоняющей электромагнитной катушкой совместно с постоянным магнитом, обходит «магнитный остров» и попадает на его тыль- ную сторону . Это приводит к потерям плазменных потоков на тыльной сто- роне «магнитного острова». Плазменные потоки, которые выходят из катод- ных пятен дуги в периферийной области рабочего торца катода, перемещаясь в магнитном поле, созданном, преимущественно, фокусирующей электро- магнитной катушкой, огибают отклоняющую магнитную катушку и, практи- чески, не попадают на её тыльную сторону. Однако при этом увеличиваются потери плазмы поперек магнитного поля на стенки анода, как за счет гради- ента магнитного поля, направленного в сторону боковой поверхности откло- няющей электромагнитной катушки, так и за счет образования вокруг этой катушки магнитного зеркала для электронов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является усовершенствование анодного узла вакуумно-дугового источника катодной плазмы для уменьшения потерь плазмы при её транспортировке внутри этого узла. Усовершенствование должно осуществляться путём изме- нения конфигурации магнитного поля внутри анода и путём регулировки на- пряжённостей магнитных полей, создаваемых электромагнитными катушка- ми в зависимости от тока дуги, текущего через электропроводящие элементы анодного узла.
Раскрытие предлагаемого изобретения.
Поставленная задача реализуется в предложенном анодном узле ваку- умно-дугового источника катодной плазмы, который также как и анодный узел, принятый за прототип, содержит анод, выполненный в виде отрезка трубы, охваченного фокусирующей электромагнитной катушкой. Внутри анода коаксиально ему размещена в электропроводящем кожухе отклоняю- щая электромагнитная катушка. Внутри этой катушки на её оси вблизи её торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен отклоняющий постоянный магнит. Отклоняющая электромагнитная катушка предназначена для создания магнитного поля, направленного встречно магнитному полю фокусирующей электромагнитной катушки. Магнитное поле постоянного магнита сонаправлено магнитному полю, которое генерируется отклоняю- щей электромагнитной катушкой на её оси. В отличие от прототипа предлагаемый анодный узел включает, распо- ложенный внутри отклоняющей электромагнитной катушки, на её оси вблизи её торца, обращенного в сторону противоположную входному отверстию анода, дополнительный постоянный магнит. Магнитное поле этого магнита направлено встречно магнитному полю отклоняющего постоянного магнита. При этом положительный полюс источника питания дуги электрически со- единен как с анодом через обмотку фокусирующей электромагнитной ка- тушки, так и с кожухом отклоняющей катушки через её обмотку.
Обмотка отклоняющей электромагнитной катушки может быть выпол- нена из трубки, которая охлаждается водой, при этом виток этой обмотки вблизи её торца, обращенного к входному отверстию анода, должен иметь тепловой контакт с её кожухом.
Рассмотрим, каким образом в предлагаемом анодной узле уменыпают- ся потери плазмы при её транспортировке внутри анода.
Дополнительный постоянный магнит в совокупности с магнитным по- лем фокусирующей электромагнитной катушки обеспечивает отклонение значительной части силовых линий магнитного поля отклоняющей электро- магнитной катушки и отклоняющего постоянного магнита в сторону выход- ного отверстия анода. Это предотвращает пересечение вышеупомянутыми силовыми линиями магнитного поля торцевой поверхности кожуха этой ка- тушки, обращенного в сторону выходного отверстия анода. В результате плазменные струи, эмитируемые катодными пятнами дуги, перемещающи- мися в центральной (приосевой) области катода, распространяясь вдоль си- ловых линий магнитного поля, огибающих отклоняющую электромагнитную катушку вместе с кожухом, выходят через выходное отверстие анода, не по- падая на торец кожуха, обращенного в сторону этого отверстия. Как показы- вают проведенные эксперименты, это на одну треть увеличивает выходной ионный ток.
Указанное выше электрическое соединение витков фокусирующей и отклоняющей электромагнитных катушек обеспечивает регулировку направ- лений силовых линий магнитных полей катушек, в зависимости от токов ду- ги, которые текут через анод или через вышеупомянутый кожух. Такая регу- лировка обеспечивает изменение суммарного магнитного поля таким обра- зом, что оно отклоняет плазменные потоки от внутренней поверхности анода, если ток дуги идет через него, и от наружной поверхности кожуха, если ток дуги идет через этот кожух. Благодаря этому в предложенном анодном узле обеспечивается динамическое равновесие плазменных потоков, движущихся в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной поверхно- стью кожуха отклоняющей электромагнитной катушки, что существенно уменьшает потери плазмы в анодном узле.
Выполнение витков обмотки отклоняющей электромагнитной катушки из трубки, охлаждаемой водой, с подключением к кожуху, как указано выше, позволят без помех использовать кожух отклоняющей электромагнитной ка- тушки как часть анода.
Лучшие примеры выполнения предлагаемого изобретения.
Суть предлагаемого изобретения поясняется схемой анодного узла, ко- торый изображен на фигуре.
Рассмотрим пример выполнения анодного узла для прямолинейного источника фильтрованной вакуумно-дуговой катодной плазмы.
Предложенный анодный узел содержит водоохлаждаемый анод 1 (см. схему), выполненный в виде отрезка трубы из немагнитной нержавеющей стали с фланцами. Фокусирующая электромагнитная катушка 2 охватывает анод. Отклоняющая электромагнитная катушка 3 в электропроводящем ко- жухе 4 коаксиально расположена внутри анода на его оси. Она выполнена из медной трубки, охлаждаемой водой. Кожух 4, прикреплен к начальному витку 5 катушки 3 с обеспечением электрического и теплового контакта. Отклоняющий постоянный магнит 6, установлен внутри отклоняющей электромагнитной катушки 3 на её оси вблизи её торца, обращенного к вход- ному отверстию 7 анода. Дополнительный постоянный магнит 8 установлен внутри отклоняющей электромагнитной катушки 3 на той же оси, что и маг- нит 6, но вблизи торца катушки 3, обращенного в сторону, противоположную входному отверстию 7. При этом дополнительный постоянный магнит 8 ори- ентирован своим магнитным полем навстречу магнитному полю отклоняю- щего постоянного магнита 6. Крепление отклоняющей электромагнитной ка- тушки 3 внутри анода осуществлено с помощью её выводов 9 и 10, располо- женных вдоль диаметра изоляционного кольца 11 и закрепленных вакуумно плотно на его внешней поверхности. Анод электрически соединен с выводом конечного витка 12 обмотки фокусирующей электромагнитной катушки. Вы- вод её начального витка 13 соединен с положительным полюсом источника питания дуги 14 и с выводом 10 конечного витка обмотки отклоняющей электромагнитной катушки 3, начальный виток 5 которой соединен с её ко- жухом 4.
Рассмотрим работу анодного узла в составе вакуумно-дугового источ- ника катодной плазмы с испарителем и плазмоводом.
Со стороны входного отверстия анодный узел присоединяется к ваку- умно-дуговому испарителю с катодом, охваченным катодной электромагнит- ной катушкой. Со стороны выходного отверстия он присоединяется к плаз- моводу, который охвачен выходной электромагнитной катушкой (на фигуре не показаны). С помощью этих катушек внутри анодного узла можно создать постоянное, выпуклое в сторону от оси, транспортирующее магнитное поле. После инициирования дугового разряда на торцевой испаряемой поверхности катода (на фигуре не показан) плазменные струи, выходящие из катодных пятен дуги, которые перемещаются по испаряемой поверхности катода, дви- жутся вдоль силовых линий транспортирующего магнитного поля. При этом в зависимости от положения катодных пятен относительно оси катода, ток дуги может идти либо через анод 1, либо через кожух 4 отклоняющей элек- тромагнитной катушки 3, либо одновременно через анод 1 и кожух 4.
В случае перемещения катодных пятен в периферийной области торца катода плазменные струи, выходящие из этих пятен, будут проходить на дос- таточно близком расстоянии от внутренней стенки анода 1. Благодаря под- соединению анода к положительному полюсу источника питания дуги 14 че- рез выводы 13 и 12 обмотки фокусирующей электромагнитной катушки 2, при прохождении тока дуги через анод усиливается магнитное поле, которое отклоняет плазменные потоки от стенки анода 1. В результате потери плазмы на его стенку резко уменьшаются.
В случае, когда катодные пятна дуги перемещаются в приосевой облас- ти торца катода, плазменные струи, выходящие из этих пятен, будут обхо- дить кожух 4 на достаточно близком расстоянии от него. При этом практиче- ски весь ток дуги может идти через этот кожух. Но, благодаря подсоедине- нию кожуха 4 к положительному полюсу источника питания дуги 14 через обмотку отклоняющей электромагнитной катушки 3, при прохождении тока дуги через этот кожух и, следовательно, через катушку 3 усиливается маг- нитное поле, обеспечивающее отталкивание плазменных потоков от боковой стенки кожуха. Благодаря дополнительному постоянному магниту 8 обеспе- чивается отклонение значительной части силовых линий магнитного поля, созданного электромагнитной катушкой 3 и постоянным магнитом 6, в сто- рону выходного отверстия анодного узла. В результате уменьшаются потери плазмы на тыльную сторону кожуха 4. При работе анодного узла осуществ- ляется охлаждение водой обмотки отклоняющей катушки 4, изготовленной из медной трубки с выводами 9 и 10, расположенными и вакуумноплотно уп- лотненными в изоляционном кольце 11. Благодаря наличию теплового кон- такта 5 катушки 3 с кожухом 4 обеспечивается эффективное его охлаждение. Эффективно охлаждается также и анод. Анодный узел может работать в те- чение длительного времени.
Промышленная применимость.
Были проведены испытания анодного узла со следующими основными размерами: внутренний диаметр анода - 226 мм; длина анода - 155 мм; внешний диаметр отклоняющей магнитной катушки - 68 мм; длина откло- няющей электромагнитной катушки - 60 мм; наружный диаметр кожуха от- клоняющей электромагнитной катушки - 74 мм; расстояние от входного от- верстия анода к торцевой поверхности кожуха отклоняющей электромагнит- ной катушки - 100 мм. Испытания анодного узла в комплекте с вакуумно- дуговым испарителем с цилиндрическим расходуемым титановым катодом показали, что полный выходной ток ионов при токе дуги 100 А составляет не менее 6 А. Это почти в 1,5 раза выше, чем на выходе из анодного узла, при- нятого за прототип при том же токе дуги.
Источники информации.
1. I.I. Aksenov, V.M. Khoroshikh. Filtering shields in vacuum arc plasma sourses // Proc. of the 6th International Simposium on Trends and New Application of Thin Films (TATF '98), Regensburg, Germany, March 1998, p. 283-286.
2. A. Kleiman, A. Marques, R.L. Boxman. Performance of a magnetic islend macroparticle filter in a titenium vacuum arc // Plasma Sources Sci. Technol. 17, 2008, p. 1-7 (прототип).

Claims

Формула изобретения
1. Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы, со- держащий, охваченный фокусирующей электромагнитной катушкой анод, выполненный в виде отрезка трубы, внутри которого коаксиально ему раз- мещена в электропроводном кожухе отклоняющая электромагнитная катуш- ка, с направлением магнитного поля навстречу магнитному полю фокуси- рующей электромагнитной катушки, внутри отклоняющей катушки, на ее оси вблизи её торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен по- стоянный отклоняющий магнит, магнитное поле которого сонаправлено маг- нитному полю отклоняющей электромагнитной катушки, отличающийся тем, что он включает, расположенный внутри электромагнитной откло- няющей катушки, на её оси вблизи её торца, обращенного в сторону проти- воположную входному отверстию анода, дополнительный постоянный маг- нит, магнитное поле которого направлено встречно магнитному полю посто- янного отклоняющего магнита, при этом положительный полюс источника питания дуги электрически соединен как с анодом через обмотку фокуси- рующей электромагнитной катушки, так и с кожухом отклоняющей катушки через её обмотку.
2. Анодный узел по п. 1, отличающийся тем, что обмотка отклоняю- щей электромагнитной катушки, выполнена из электропроводящей трубки, охлаждаемой водой, при этом виток этой обмотки вблизи её торца, обращен- ного к входному отверстию анода, имеет тепловой контакт с кожухом.
PCT/UA2012/000042 2011-11-29 2012-04-11 Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы WO2013081569A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013130658/07A RU2539881C1 (ru) 2011-11-29 2012-04-11 Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы
US14/232,944 US20140291149A1 (en) 2011-11-29 2012-04-11 Anode assembly of a vacuum-arc cathode plasma source
EP12852663.9A EP2787795A4 (en) 2011-11-29 2012-04-11 ANODE ASSEMBLY OF A PLASMA SOURCE WITH VACUUM BOW CATHODE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201114090A UA101443C2 (ru) 2011-11-29 2011-11-29 Анодный УЗЕЛ вакуумно-дугового ИСТОЧНИКа катодной ПЛАЗМЫ
UAA201114090 2011-11-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013081569A1 true WO2013081569A1 (ru) 2013-06-06

Family

ID=48535873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2012/000042 WO2013081569A1 (ru) 2011-11-29 2012-04-11 Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140291149A1 (ru)
EP (1) EP2787795A4 (ru)
RU (1) RU2539881C1 (ru)
UA (1) UA101443C2 (ru)
WO (1) WO2013081569A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH715878A1 (de) 2019-02-26 2020-08-31 Oerlikon Surface Solutions Ag Pfaeffikon Magnetanordnung für eine Plasmaquelle zur Durchführung von Plasmabehandlungen.

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2156555C1 (ru) * 1999-05-18 2000-09-20 Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Способ получения и ускорения плазмы и ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов для его осуществления
US20030047444A1 (en) * 2001-09-12 2003-03-13 Transarc Ltd. Vacuum arc plasma gun deposition system
US7014738B2 (en) * 1997-10-24 2006-03-21 Filplas Vacuum Technology Pte Ltd. Enhanced macroparticle filter and cathode arc source
RU2306366C1 (ru) * 2006-04-24 2007-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" Вакуумное электродуговое устройство
CN101851747A (zh) * 2009-03-30 2010-10-06 核工业西南物理研究院 强流金属离子源

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH657242A5 (de) * 1982-03-22 1986-08-15 Axenov Ivan I Lichtbogen-plasmaquelle und lichtbogenanlage mit einer solchen lichtbogen-plasmaquelle zur plasmabehandlung der oberflaeche von werkstuecken.
US5518597A (en) * 1995-03-28 1996-05-21 Minnesota Mining And Manufacturing Company Cathodic arc coating apparatus and method
US6929727B2 (en) * 1999-04-12 2005-08-16 G & H Technologies, Llc Rectangular cathodic arc source and method of steering an arc spot
US6756596B2 (en) * 2002-04-10 2004-06-29 Paul E. Sathrum Filtered ion source
JP5063143B2 (ja) * 2007-03-02 2012-10-31 株式会社リケン アーク式蒸発源
CN105632859B (zh) * 2007-04-17 2018-03-30 欧瑞康梅塔普拉斯有限责任公司 真空电弧蒸发源及带有真空电弧蒸发源的电弧蒸发室

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7014738B2 (en) * 1997-10-24 2006-03-21 Filplas Vacuum Technology Pte Ltd. Enhanced macroparticle filter and cathode arc source
RU2156555C1 (ru) * 1999-05-18 2000-09-20 Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Способ получения и ускорения плазмы и ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов для его осуществления
US20030047444A1 (en) * 2001-09-12 2003-03-13 Transarc Ltd. Vacuum arc plasma gun deposition system
RU2306366C1 (ru) * 2006-04-24 2007-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" Вакуумное электродуговое устройство
CN101851747A (zh) * 2009-03-30 2010-10-06 核工业西南物理研究院 强流金属离子源

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. KLEIMAN ET AL.: "Performance of a magnetic island macroparticle filter in a titanium vacuum arc.", PLASMA SOURCES SCI. TECHNOL., vol. 17, 2008, pages 1 - 7, XP020130028 *
A. KLEIMAN; A. MARQUES; R.L. BOXMAN: "Performance of a magnetic islend macroparticle filter in a titenium vacuum arc", PLASMA SOURCES SCI. TECHNOL., vol. 17, 2008, pages 1 - 7
I.I. AKSENOV; V.M. KHOROSHIKH: "Filtering shields in vacuum arc plasma sourses", PROC. OF THE 6TH INTERNATIONAL SIMPOSIUM ON TRENDS AND NEW APPLICATION OF THIN FILMS (TATF '98, March 1998 (1998-03-01), pages 283 - 286
See also references of EP2787795A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP2787795A4 (en) 2015-07-08
RU2539881C1 (ru) 2015-01-27
EP2787795A1 (en) 2014-10-08
RU2013130658A (ru) 2015-01-10
US20140291149A1 (en) 2014-10-02
UA101443C2 (ru) 2013-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2639330B1 (en) Method and device for transporting vacuum arc plasma
US7381311B2 (en) Filtered cathodic-arc plasma source
KR100656734B1 (ko) 음극 스퍼터링 장치
US5468363A (en) Magnetic-cusp, cathodic-arc source
KR850008360A (ko) 진공 스퍼터링 장치
US20070034501A1 (en) Cathode-arc source of metal/carbon plasma with filtration
RU2536126C2 (ru) Вакуумнодуговой испаритель для генерирования катодной плазмы
US7619375B2 (en) Electromagnetic wave generating device
WO2013081569A1 (ru) Анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы
JP5496223B2 (ja) アーク・エバポレーターおよびアーク・エバポレーターの操作方法
KR20040050064A (ko) 플랫 마그네트론
TW201941241A (zh) 離子槍
US10470284B2 (en) Plasma source
JP2002517661A5 (ru)
RU2364003C1 (ru) Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц
RU2507305C2 (ru) Способ транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы и устройство для его осуществления
RU2097868C1 (ru) Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты)
JP6124715B2 (ja) マイクロ波イオン源及びイオン引出部
US20160298237A1 (en) Plasma electrode, plasma processing electrode, cvd electrode, plasma cvd device, and method for manufacturing substrate with thin film
JP6952997B2 (ja) ミラー磁場発生装置およびｅｃｒイオン源装置
JP6124709B2 (ja) マイクロ波イオン源
JP4219925B2 (ja) マグネトロンスパッタ装置
JP2004127691A (ja) 粒子加速器及びその電子ビーム収束方法
JP2014067615A (ja) マグネトロン
JP2002075678A (ja) 無電極放電灯点灯装置

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013130658

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

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

Ref document number: 12852663

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14232944

Country of ref document: US

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2012852663

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012852663

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE