WO2022066135A1 - Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы - Google Patents

Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы Download PDF

Info

Publication number
WO2022066135A1
WO2022066135A1 PCT/UA2020/000096 UA2020000096W WO2022066135A1 WO 2022066135 A1 WO2022066135 A1 WO 2022066135A1 UA 2020000096 W UA2020000096 W UA 2020000096W WO 2022066135 A1 WO2022066135 A1 WO 2022066135A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
arc
vacuum
plasma
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/UA2020/000096
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир ВАСИЛЬЕВ
Владимир 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)
Publication of WO2022066135A1 publication Critical patent/WO2022066135A1/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
    • C23C14/34—Sputtering
    • 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
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • 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
    • 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 creating a vacuum-arc cathode plasma for applying various coatings to products by the vacuum-arc method using both metal and graphite cathodes.
  • a vacuum-arc cathode plasma including the ignition of a pulsed vacuum-arc discharge between the evaporating end surface of a cylindrical cathode and the anode in the form of a pipe segment using an igniter, by applying a high voltage pulse to it and to the anode.
  • the plasma flow is formed in a pulsed magnetic field by means of a pulsed electromagnetic coil covering the cathode and anode, through which the pulsed arc current is passed.
  • an initial plasma is created with the help of a means for igniting a vacuum arc with the formation of a cathode spot (CS) of the arc on the evaporated end of the cathode near its axis.
  • CS cathode spot
  • the area of uniform deposition of coatings is small, which strongly depends on the diameter of the cathode, the dimensions of which are limited by the power of the pulsed arc power supply.
  • the high cost of high-voltage switching arc power supplies for kiloampere currents and the low productivity of coating by this method limit its use in industrial production.
  • the closest analogue is the method [5] of creating a vacuum-arc cathode plasma, which includes ignition of a vacuum-arc discharge between the end surface of a cylindrical cathode and an anode in the form of a pipe segment.
  • Plasma transportation is carried out in a permanent magnetic nom field created by electromagnetic coils covering the cathode and anode, amplified by ferromagnetic elements located on the rear side of the cathode.
  • a stream of vacuum-arc cathode plasma is created, propagating along the magnetic field in the form of highly ionized plasma jets formed by the magnetic field near the evaporated end of the cathode from the cathode plasma emitted by the vacuum arc CP. This plasma is kept inside the jet by transverse pressure from the external magnetic field [6].
  • this method does not provide the necessary conditions for increasing the speed of movement of the CP arc on the evaporated surface of the cathode.
  • An increase in the arc current at a constant intensity of the transporting magnetic field near the evaporated cathode surface leads to an increase in the droplet phase in plasma flows due to cathode erosion. Purification from the drop phase increases the diffusion losses of the plasma. This is the main obstacle to increasing productivity when applying various protective coatings by the vacuum-arc method.
  • the task to be solved by the present invention is to improve the method of creating a vacuum-arc cathode plasma to increase the speed of movement of the arc CP along the evaporating cathode surface with a continuous arc current. This will improve the utilization efficiency of the cathode material and reduce its spatter.
  • the stated problem should be solved by creating conditions for moving the arc CS in the direction opposite to the gradient and centrifugal drift of electrons in a diverging magnetic field. In this case, it is necessary to increase the magnetic field strength near the evaporated cathode surface with a decrease in the voltage drop across the arc.
  • the problem is solved in a patented method for creating a vacuum-arc cathode plasma, which, like the closest analogue, includes the ignition of a vacuum-arc discharge between the cathode and anode with using an igniter and the formation of a plasma flow by a magnetic field created by electromagnetic coils covering the cathode and anode.
  • the proposed method differs from the closest analogue in that a vortex flow of inert gas is created around the side surface of the cathode near its evaporated end, rotating in the direction opposite to the direction of the cyclotron rotation of electrons in a magnetic field. This flow of inert gas is discharged to the evaporated end of the cathode.
  • the vortex flow of an inert gas is limited from diverging in the radial direction near the evaporated end of the cathode by means of an electrically conductive hollow cylinder made of non-magnetic material, covering the area near the evaporated end of the cathode.
  • This cylinder is connected to the anode providing electrical and thermal contact with it.
  • the intensity of the diverging magnetic field on the evaporating surface of the cathode and near it is amplified with the help of a permanent magnet installed on the rear side of the cathode and an additional electromagnetic coil covering the aforementioned hollow cylinder.
  • the creation and amplification of the aforementioned magnetic field is carried out by passing the current of the vacuum-arc discharge sequentially through all the above-mentioned electromagnetic coils.
  • the essence of the invention is illustrated by graphic material.
  • the figure shows a diagram of the longitudinal section of the device for implementing the method.
  • a vacuum-arc discharge is ignited between the end evaporating surface 1 (see the diagram in the figure) of the cylindrical cathode 2, and anode 3 with the help of ignition means 4 when a high-voltage pulse of negative polarity relative to auxiliary anode 5 is applied to it from a source of ignition pulses (not shown in the diagram).
  • the ignition medium can be made, for example, as described in [1, p. 49].
  • Cathode 2 is located inside the housing 6 in the form of a pipe segment, which is covered by an electromagnetic coil 7.
  • the vortex chamber 9 is a short hollow cylinder enclosed on the outside by a ring with holes, the channels of which are located along lines tangent to the inner surface of the ring, the inner diameter of which is not less than twice the diameter of the cathode.
  • This cylinder is closed at the ends by two closely spaced annular disks enclosing the cathode.
  • the channels of the holes have a length much greater than the transverse dimensions of these holes.
  • the vortex flow of argon is limited from diverging in the radial direction near the evaporated end 1 of the cathode 2 by means of an electrically conductive hollow cylinder 10 of non-magnetic material connected to the anode 3 while providing electrical and thermal contact with it.
  • This cylinder covers the area near the evaporated end 1 of the cathode 2. Its inner diameter does not exceed the inner diameter of the vortex chamber.
  • the intensity of the diverging magnetic field on the evaporating surface of the cathode and near it is additionally enhanced using a cylindrical ferromagnetic sleeve 1 1 with a permanent magnet 12 installed on the rear side of the cathode 2, using a cylindrical ferromagnetic screen 13 enclosing the electromagnetic coil 7 with a closed end 14, as well as with using an additional electromagnetic coil 15, covering the aforementioned hollow cylinder 10.
  • a dynamic argon pressure is created near its evaporating end 1 not less than the value at which the cathode spots begin to move rapidly in the direction opposite to the direction of the vortex flow.
  • said dynamic pressure is set before each creation of the vacuum-arc cathode plasma. This dynamic pressure is created by increasing the rate of inert gas inlet into the vortex chamber through an adjustable valve (not shown in the diagram).
  • the creation and amplification of the aforementioned magnetic field is carried out by passing the vacuum-arc discharge current sequentially through all the above-mentioned electromagnetic coils 7, 8, 15.
  • the electron density inside the plasma jet increases. Due to this, the strength of the electric field of its polarization increases. In this case, the polarization of the plasma jet changes along the radius of the cathode. As a result, the speed of movement of the CP of the arc along the evaporated surface of the cathode increases, which ensures uniform evaporation of its material over the entire surface of its end face. This improves the utilization efficiency of the cathode material and reduces its spatter.
  • the test of the patented method for creating a vacuum-arc cathode plasma was carried out with a vacuum-arc evaporator with a graphite cathode 2, the diameter of which was 60 mm, the initial length was 65 mm.
  • the inner diameter of case 3 was 160 mm, its length was 160 mm, the length of the ferromagnetic sleeve 1 1 was 55 mm, its outer diameter was 60 mm, and its inner diameter was 30 mm.
  • the outer diameter of the permanent magnet 12 was 60 mm, the inner diameter was 30 mm, and the height was 10 mm.
  • the average time of one round of the arc CS around the cathode axis at an arc current of 100 A was approximately 30 minutes.
  • the average time of one bypass of the CP around the axis of the cathode yes decreased to two minutes, that is, 15 times.
  • the consumption rate of the graphite cathode in this case decreased by approximately 2 times and amounted to 1.0 mm per hour.
  • the experiments were carried out without using coil 15 and hollow cylinder 10. With their use, positive results will be much higher.
  • the patented method was tested with an anode 3, the inner diameter of which was equal to 210 mm, the length was 270 mm.
  • the number of ampere turns in anode coil 8 was 2500.
  • the anode was connected to a vacuum chamber (not shown in the diagram). Before testing, the chamber was evacuated to a high vacuum to a pressure of no more than 1.3-10'3 Pa.
  • the high vacuum pumping rate in this case was approximately 2000 l/sec.

Landscapes

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

Abstract

Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы включает поджигание вакуумно- дугового разряда между катодом (2) и анодом (3) с помощью поджигающего средства (4), формирование плазменного потока магнитным полем, создаваемым с помощью электромагнитных катушек (7, 8), охватывающих катод (2) и анод (3). Вокруг боковой поверхности катода (2) с помощью вихревой камеры (9) вблизи его испаряемого торца (1) создают вихревой поток инертного газа, выходящий на этот торец (1), который вращается в направлении противоположном направлению циклотронного вращения электронов в магнитном поле. Изобретение используется для нанесения различных покрытий на изделия с использованием как металлических, так и графитовых катодов.

Description

Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы
Область техники
Изобретение относится к технике создания вакуумно-дуговой катодной плазмы для нанесения на изделия различных покрытий вакуумнодуговым методом с использованием как металлических, так и графитовых катодов.
Предшествующий уровень техники.
Во многих известных способах (см., например, 1 ) дуговые плазменные потоки в вакууме при использовании графитовых и металлических катодов создаются при малых скоростях перемещения катодного пятна по испаряемой поверхности катода. Это обусловливает ряд недостатков, в том числе значительное наличие капельной фазы в плазменных потоках из-за эрозии катода, что ухудшает качество осаждаемых покрытий. Устранение капельной фазы из плазмы путём её фильтрации приводит к увеличению диффузионных потерь плазмы.
Известен способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы [2], включающий поджигание импульсного вакуумно-дугового разряда между испаряемой торцевой поверхностью цилиндрического катода и анодом в виде отрезка трубы с помощью поджигающего средства, путём подачи на него и на анод импульса высокого напряжения. Плазменный поток формируют в импульсном магнитном поле с помощью импульсной электромагнитной катушки, охватывающей катод и анод, через которую пропускают импульсный ток дуги.
Под действием импульса высокого напряжения, приложенного между катодом и анодом, с помощью средва для поджигания вакуумной дуги создают начальную плазму с образованием катодного пятна (КП) дуги на испаряемом торце катода вблизи его оси. При нарастании импульсного тока дуги в нарастающем продольном магнитном поле, создаваемом электромагнитной катушкой, охватывающей катод и анод, через которую пропускается импульсный ток дуги, КП делится с образованием нескольких, отталкивающихся друг от друга, катодных пятен. С увеличением тока дуги увеличивается напряжённость тангенциальной составляющей магнитного поля на рабочей поверхности катода, с которой генерируются фрагментировани е КП дуги. Согласно закону ретроградного движения КП дуги, их движение направлено в сторону максимума тангенциальной составляющей магнитного поля на рабочей поверхности катода. Скорость их движения будет пропорциональна напряжённости этого магнитного поля [3].
Однако этот способ имеет существенные недостатки. Создания вакуумно-дуговой катодной плазмы малоэффективно при импульсных токах меньше 1 кА. С увеличением расстояния от центра испаряемой поверхности катода скорость перемещения КП уменьшается, так как напряжённость тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности катода, охватывающей эти КП, уменьшается с увеличением их расстояний от оси катода. При длительной работе катода его поверхность приобретает рельеф в виде глубоких, направленных вдоль радиуса катода эрозионных треков [4]. Это приводит к изменению направлений эммитируемых плазменных струй в магнитном поле, что ухудшает процесс транспортировки плазменного потока. Следует отметить также малую площадь равномерного нанесения покрытий, которая сильно зависит от диаметра катода, размеры которого ограничены мощностью импульсного источника питания дуги. Кроме того дороговизна высоковольтных импульсных источников питания дуги на килоамперные токи и низкая производительность нанесения покрытий этим способом ограничивают его применение в промышленном производстве.
За ближайший аналог принят способ [5] создания вакуумно-дуговой катодной плазмы, включающий поджигание вакуумно-дугового разряда между торцевой поверхностью цилиндрического катода и анодом в виде отрезка трубы. Транспортировку плазмы осуществляют в постоянном магнит- ном поле, создаваемом электромагнитными катушками, охватывающими катод и анод, усиленном с помощью феромагнитных элементов, расположеных с тыльной стороны катода. В этом способе создаётся поток вакуумно-дуговой катодной плазмы, распространяющуйся вдоль магнитного поля в виде высоко ионизованых плазменных струй, формируемых магнитным полем вблизи испаряемого торца катода из катодной плазмы, эмитируемой КП вакуумной дуги. Эта плазма удерживается внутри струи поперечным давлением со стороны внешнего магнитного поля [6].
Однако этот способ не обеспечивает необходимых условий для увеличения скорости перемещения КП дуги по испаряемой поверхности катода. Увеличение тока дуги при постоянной напряжённости транспортирующего магнитного поля вблизи испаряемой поверхности катода, приводит к увеличению капельной фазы в плазменных потоках из-за эрозии катода. Очистка от капельной фазы увеличивает диффузионные потери плазмы. Это является основным препятствием для увеличения производительности при нанесении различных защитных покрытий вакуумно-дуговым методом.
Раскрытие предлагаемого изобретения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является усовершенствование способа создания вакуумно-дуговой катодной плазмы для повышения скорости перемещения КП дуги по испаряемой поверхности катода при непрерывном токе дуги. Это повысит эффективность использования катодного материала и уменшит его разбрызгивание. Поставленная задача должна решаться путём создания условий для перемещения КП дуги в сторону противоположную градиентному и центробежному дрейфу электронов в расходящемся магнитном поле. При этом необходимо увеличить напряжённость магнитного поля вблизи испаряемой поверхности катода при уменьшении падения напряжения на дуге.
Поставленная задача решается в патентуемом способе создания вакуумно-дуговой катодной плазмы, который также, как и ближайший аналог, включает поджигание вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом с помощью поджигающего средства и формирование плазменного потока магнитным полем, создаваемым электромагнитными катушками, охватывающими катод и анод.
Отличается предлагаемый способ от ближайшего аналога тем, что вокруг боковой поверхности катода вблизи его испаряемого торца создают вихревой поток инертного газа, вращающийся в направлении противоположном направлению циклотронного вращения электронов в магнитном поле. Этот поток инертного газа выводится на испаряемый торец катода.
При первом создании вакуумно-дуговой катодной плазмы наблюдают за направлением перемещения катодных пятен вокруг оси катода и создают динамическое давление вихревого потока инертного газа вблизи испаряемого торца катода не меньше величины, при которой катодные пятна начинают ускоренно перемещаться в направлении противоположном направлению вихревого потока. После этого упомянутое динамическое давление устанавливают при каждом запуске вакуумно-дуговой катодной плазмы.
Вихревой поток инертного газа, ограничивают от расхождения в радиальном направлении вблизи испаряемого торца катода с помощью электропроводящего полого цилиндра из немагнитного материала, охватывающего область вблизи испаряемого торца катода. Этот цилиндр подсоединён к аноду с обеспечением электрического и теплового контакта с ним.
Напряжённость расходящегося магнитного поля на испаряемой поверхности катода и вблизи неё усиливают с помощью постоянного магнита, установленного с тыльной стороны катода и дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей вышеупомянутый полый цилиндр.
Создание и усиление вышеупомянутого магнитного поля осуществляют при пропускании тока вакуумно-дугового разряда последовательно через все упомянутые выше электромагнитные катушки.
Благодаря отличительным особенностям патентуемого способа возрастает скорость перемещения КП дуги вокруг оси катода. Это приводит к однородной эрозии испаряемого торца катода по всей его испаряемой торцевой поверхности. Это обеспечивает однородную эрозию катодного материала, повышает эффективность его использования и уменьшает его разбрызгивание. Это подтверждают экспериментальные исследования.
Пояснить это можно следующим. Создание вакуумно-дугового разряда сопровождается уменьшением на нём падения напряжения в поперечном к магнитному полю направлении за счёт дрейфа электронов внутри плазменной струи в сторону анода под действием динамического давления на них вихревого потока инертного газа. Увеличение напряжённости магнитного поля на испаряемом торце катода и вблизи него увеличивает плотность электронов внутри плазменной струи. При этом увеличивается частота периодического изменения напряжённости составляющей электрического поля поляризации плазменной струи относительно его нулевого значения вдоль радиуса катода. Это способствует увеличению средней скорости перемещения КП дуги вокруг оси катода. В результате уменьшаются потери вакуумно-дуговой катодной плазмы поперёк магнитного поля.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фигуре показана схема продольного сечения устройства для реализации способа.
Лучшие примеры выполнения предлагаемого изобретения.
Рассмотрим пример реализации патентуемого способа.
После откачки на высокий вакуум до 1 ,3- 10’3 Па вакуумной камеры (на фигуре не показана), к которой присоединено устройство для реализации способа, поджигают вакуумно-дуговой разряд между торцевой испаряемой поверхностью 1 (см. схему на фигуре) цилиндрического катода 2, и анодом 3 с помощью поджигающего средства 4 при подаче на него высоковольтного импульса отрицательной полярности относительно вспомогательного анода 5 от источника поджигающих импульсов (на схеме не показан). Поджигающее средво может быть выполнено, например, как описано в [1 , стр. 49].
Катод 2 находится внутри корпуса 6 в виде отрезка трубы, который охвачен электромагнитной катушкой 7. Для формирования плазменного по- тока используют электромагнитную катушку 7 и электромагнитную катушку 8, которая охватывает анод 3.
Вокруг боковой поверхности катода 2, с помощью вихревой камеры 9, охватывающей катод близи его испаряемого торца 1 , с выходом на него создают вихревой поток инертного газа - аргона, вращающийся в направлении противоположном направлению циклотронного вращения электронов в магнитном поле, создаваемом с помощью электромагнитных катушек 7 и 8.
Вихревая камера 9 представляет собой короткий полый цилиндр, охваченный снаружи кольцом с отверстиями, каналы которых расположены вдоль линий, касательных к внутренней поверхности кольца, внутренний диаметр которого не меньше, чем двойной диаметр катода. Этот цилиндр закрыт с торцов двумя близко расположенными, охватывающими катод кольцеобразными дисками. При этом каналы отверстий имеют длину намного большую, чем поперечные размеры этих отверстий.
Вихревой поток аргона ограничивают от расхождения в радиальном направлении вблизи испаряемого торца 1 катода 2 с помощью подсоединённого к аноду 3 при обеспечении электрического и теплового контакта с ним электропроводящего полого цилиндра 10 из немагнитного материала. Этот цилиндр охватывает область вблизи испаряемого торца 1 катода 2. Внутренний его диаметр не превышает внутренний диаметр вихревой камеры.
Напряжённость расходящегося магнитного поля на испаряемой поверхности катода и вблизи неё дополнительно усиливают с помощью цилиндрической феромагнитной втулки 1 1 с постоянным магнитом 12, установленными с тыльной стороны катода 2, с помощью охватывающего электромагнитную катушку 7 цилиндрического феромагнитного экрана 13 с закрытым торцом 14, а также с помощью дополнительной электромагнитной катушки 15, охватывающей вышеупомянутый полый цилиндр 10.
При первом создании вакуумно-дуговой катодной плазмы наблюдают за направлением перемещения катодных пятен вокруг оси катода 2 и создают динамическое давление аргона вблизи его испаряемого торца 1 не меньше величины, при которой катодные пятна начинают ускоренно перемещатся в направлении противоположном направлению вихревого потока. После этого упомянутое динамическое давление устанавливают перед каждым созданием вакуумно- дуговой катодной плазмы. Это динамическое давление создают увеличивая скорость напуска инертного газа в вихревую камеру через регулируемый вентиль (на схеме не показан).
Создание и усиление вышеупомянутого магнитного поля осуществляют при пропускании тока вакуумно-дугового разряда последовательно через все упомянутые выше электромагнитные катушки 7, 8, 15.
Благодаря ускоренному перемещению КП дуги в сторону от оси катода при увеличении напряжённости магнитного поля на испаряемом торце катода и вблизи него увеличивается плотность электронов внутри плазменной струи. Благодаря этому увеличивается напряжённость электрического поля её поляризации. При этом изменяется поляризация плазменной струи вдоль радиуса катода. В результате повышается скорость перемещения КП дуги по испаряемой поверхности катода, что обеспечивает равномерное испарение его материала по всей поверхности его торца. Это повышает эффективность использования катодного материала и уменшает его разбрызгивание.
Промышленная применимость.
Испытание патентуемого способа создания вакуумно-дуговой катодной плазмы проводилось с вакуумно-дуговом испарителем с графитовым катодом 2, диаметр которого составлял 60 мм, начальная длина — 65 мм. Внутренний диаметр корпуса 3 равнялся 160 мм, его длина 160 мм, длина ферромагнитной втулки 1 1 равнялась 55 мм, её внешний диаметр - 60 мм, внутренний диаметр - 30 мм. Внешний диаметр постоянного магнита 12 равнялся 60 мм, внутренний диаметр - 30 мм, высота 10 мм.
При отсутствии вихревой закрутки аргона вокруг боковой поверхности графитового катода среднее время одного обхода КП дуги вокруг оси катода при токе дуги 100 А составляло, примерно, 30 минут. При напуске аргона через вихревую камеру, среднее время одного обхода КП вокруг оси като- да уменьшилось до двух минут, т. е. в 15 раз. Скорость расхода графитового катода при этом уменьшилась, приблизительно, в 2 раза и составила величину 1 ,0 мм в час. Измерения проводились при давлении аргона в вакуумной камере Р = (0,8
Figure imgf000010_0001
1 ,2)- 10'2 Па при максимальной скорости откачки, которая составляла 2000 л/сек. При этом количество ампер-витков в катушке 7 составляло 7000. Эксперименты проводились без использования катушки 15 и полого цилиндра 10. При их использовании положительные результаты будут значительно выше.
Патентуемый способ испытывался с анодом 3, внутренний диаметр которого был равен 210 мм, длина - 270 мм. Количество ампер-витков в анодной катушке 8 составляло 2500. Анод подсоединялся к вакуумной камере (на схеме не показана). Перед проведением испытаний камера откачивалась на высокий вакуум до давления не больше 1 ,3- 10‘3 Па. Скорость высоковакуумной откачки при этом составляла примерно 2000 л/сек.
Источники информации
1. И. И. Аксёнов, А. А. Андреев, В. А. Белоус, В. Е. Стрельницкий, В. М. Хороших, Вакуумная дуга. Источники плазмы. Осаждение покрытий, поверхностное модифицирование, под редакцией И. И. Аксёнова, Киев, Наукова Думка, 2012, 727 с.
2. Siemroth P.,Schulker Т., and Witke Т., High-current arc - a new source for high-rate deposition, Surf. Coat.Technol. 68, 314 - 319, (1994).
3. И. Г. Кесаев. Катодные процессы электрической дуги. Издательство «Наука», Москва, 1968, 244 с.
4. Oates Т. W. И., Pigott J., McKenzie D. R. and Bilek M. M. M., A high current pulsed cathodic vacuum arc plasma source, Rev. Sci. Instrum. 74, 4750 - 4754, (2003).
5. Патент УкраТни № 101678, (ближайший аналог).
6. Д. А. Франк-Каменецкий. Лекции по физике плазмы. М. Атомиздат, 1968, 286 стр.

Claims

9 Формула изобретения
1. Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы, включающий поджигание вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом с помощью поджигающего средства, формирование плазменного потока магнитным полем, создаваемым с помощью электромагнитных катушек, охватывающих катод и анод, отличающийся тем, что вокруг боковой поверхности катода с помощью вихревой камеры вблизи его испаряемого торца создают, выходящий на него, вихревой поток инертного газа, вращающийся в направлении противоположном направлению циклотронного вращения электронов в магнитном поле.
2. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что при первом создании вакуумно-дуговой катодной плазмы наблюдают за направлением перемещения катодных пятен вокруг оси катода и создают динамическое давление инертного газа вблизи его испаряемого торца не меньше величины, при которой катодные пятна перемещаются в направлении противоположном направлению вихревого потока, после чего упомянутое динамическое давление устанавливают перед каждым созданием вакуумно-дуговой катодной плазмы.
3. Способ по п. 1 , отличающийся тем., что вихревой поток инертного газа, ограничивают от расхождения в радиальном направлении вблизи испаряемого торца катода с помощью подсоединённого к аноду при обеспечении электрического и теплового контакта с ним электропроводящего полого цилиндра из немагнитного материала, охватывающего область вблизи испаряемого торца катода.
4. Способ по и. 3, отличающийся тем, что напряжённость расходящегося магнитного поля на испаряемой по-верхности катода и вблизи неё усиливают с помощью постоянного магнита, установленного с тыльной стороны катода и дополнительной электромагнитной катушки, охватывающей вышеупомянутый полый цилиндр.
5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что создание и усиление вышеупомянутого магнитного поля осуществляют при пропускании тока вакуумно-дугового разряда последовательно через все упомянутые выше электромагнитные катушки.
PCT/UA2020/000096 2020-09-25 2020-11-02 Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы WO2022066135A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA202006200 2020-09-25
UAA202006200A UA127223C2 (uk) 2020-09-25 2020-09-25 Спосіб створення вакуумно-дугової катодної плазми

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022066135A1 true WO2022066135A1 (ru) 2022-03-31

Family

ID=80845704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2020/000096 WO2022066135A1 (ru) 2020-09-25 2020-11-02 Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы

Country Status (2)

Country Link
UA (1) UA127223C2 (ru)
WO (1) WO2022066135A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114990498A (zh) * 2022-05-30 2022-09-02 安徽工业大学 一种多级触发脉冲电弧源装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1040631A1 (ru) * 1980-06-25 1983-09-07 Предприятие П/Я В-8851 Вакуумно-дуговое устройство
JPS6050167A (ja) * 1983-08-26 1985-03-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> プラズマ付着装置
US4931158A (en) * 1988-03-22 1990-06-05 The Regents Of The Univ. Of Calif. Deposition of films onto large area substrates using modified reactive magnetron sputtering
JPH03122996A (ja) * 1989-10-04 1991-05-24 Sumitomo Metal Ind Ltd プラズマ装置
RU2208871C1 (ru) * 2002-03-26 2003-07-20 Минаков Валерий Иванович Плазменный источник электронов
RU87065U1 (ru) * 2009-04-29 2009-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов
UA101678C2 (ru) * 2011-04-08 2013-04-25 Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" ВАКУУМНОДУГОВОЙ испаритель для генерирования катодной ПЛАЗМЫ
RU165688U1 (ru) * 2016-05-31 2016-10-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Генератор газоразрядной плазмы с низким давлением зажигания разряда

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1040631A1 (ru) * 1980-06-25 1983-09-07 Предприятие П/Я В-8851 Вакуумно-дуговое устройство
JPS6050167A (ja) * 1983-08-26 1985-03-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> プラズマ付着装置
US4931158A (en) * 1988-03-22 1990-06-05 The Regents Of The Univ. Of Calif. Deposition of films onto large area substrates using modified reactive magnetron sputtering
JPH03122996A (ja) * 1989-10-04 1991-05-24 Sumitomo Metal Ind Ltd プラズマ装置
RU2208871C1 (ru) * 2002-03-26 2003-07-20 Минаков Валерий Иванович Плазменный источник электронов
RU87065U1 (ru) * 2009-04-29 2009-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов
UA101678C2 (ru) * 2011-04-08 2013-04-25 Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" ВАКУУМНОДУГОВОЙ испаритель для генерирования катодной ПЛАЗМЫ
RU165688U1 (ru) * 2016-05-31 2016-10-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Генератор газоразрядной плазмы с низким давлением зажигания разряда

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114990498A (zh) * 2022-05-30 2022-09-02 安徽工业大学 一种多级触发脉冲电弧源装置
CN114990498B (zh) * 2022-05-30 2024-02-02 安徽工业大学 一种多级触发脉冲电弧源装置

Also Published As

Publication number Publication date
UA127223C2 (uk) 2023-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6368678B1 (en) Plasma processing system and method
EP2639330B1 (en) Method and device for transporting vacuum arc plasma
JP4461253B2 (ja) プラズマ発生方法
US5269898A (en) Apparatus and method for coating a substrate using vacuum arc evaporation
JP5160730B2 (ja) ビーム状プラズマ源
US7520965B2 (en) Magnetron sputtering apparatus and method for depositing a coating using same
US4941915A (en) Thin film forming apparatus and ion source utilizing plasma sputtering
US7116054B2 (en) High-efficient ion source with improved magnetic field
US4551221A (en) Vacuum-arc plasma apparatus
US6635156B1 (en) Producing electric arc plasma in a curvilinear plasmaguide and substrate coating
US20040020760A1 (en) Pulsed highly ionized magnetron sputtering
GB2437730A (en) HIPIMS with low magnetic field strength
JP2009057637A (ja) ヘリカル磁気共振コイルを利用したイオン化物理的気相蒸着装置
JPH10509833A (ja) プラズマ処理用線形アーク放電発生装置
NL8201806A (nl) Verbruikbare kathode voor een electrische-boog-metaalverstuiver.
WO2012138311A1 (ru) Вакуумнодуговой испаритель для генерирования катодной плазмы
WO2022066135A1 (ru) Способ создания вакуумно-дуговой катодной плазмы
Aksenov et al. Transformation of axial vacuum-arc plasma flows into radial streams and their use in coating deposition
JPH0548298B2 (ru)
RU2058429C1 (ru) Способ напыления пленок
US20140034484A1 (en) Device for the elimination of liquid droplets from a cathodic arc plasma source
RU2173911C2 (ru) Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку
RU2063472C1 (ru) Способ плазменной обработки деталей и устройство для его осуществления
RU2098512C1 (ru) Вакуумно-дуговой источник плазмы
RU2180472C2 (ru) Вакуумно-дуговой источник плазмы

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: 20955428

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20955428

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1