Вакуумний електродуговий пристрій із скривленими плазмовими каналами

1. Вакуумний електродуговий пристрій із скривленими плазмовими каналами, який включає два зустрічних джерела плазми з фокусуючими електромагнітними котушками, які з'єднані з плазмоводом, охопленим принаймні одною відхиляючою електромагнітною котушкою, який має вихідну електромагнітну котушку, яка охоплює його вихідний отвір, який відрізняється тим, що витки відхиляючих котушок зігнуті так, що одна половина кожного витка охоплює плазмовід між одним із зустрічних джерел плазми і вихідним отвором плазмоводу, а друга половина витка охоплює плазмовід між другим із зустрічних джерел плазми і вихідним отвором плазмоводу. C2 2 77299 1 3 77299 4 стрій із скривленим плазмовим каналом [1], який тя без застосування сплавних катодів. Але коефівміщує джерело плазми з фокусуючою електромацієнт транспортування плазмового потоку в магнігнітною котушкою, з'єднаною з плазмоводом. Цей тному полі такого пристрою дуже низький, бо плазмовід зроблено у вигляді чверті тора і охопскривлене магнітне поле має значну гофрованість лено відхиляючими кільцевими електромагнітними і ділянки з великими градієнтами у поперечному і котушками, які утворюють всередині його скривлеповздовжньому напрямках. На вихід пристрою не магнітне поле. Вихідний отвір плазмовода охопотрапляє дуже мала частина генерованої плазми плено вихідною електромагнітною котушкою. Він що зумовлює його нерентабельність. знаходиться поза зоною прямого бачення з поверВ іншому варіанті в цьому пристрої [3] можуть хні катода джерела плазми. бути встановлені відхиляючі електромагнітні котуПотік плазми, який генерується при випарюшки у вигляді рамок у формі прямокутників, які ванні катода в електродуговому розряді потрапляє охоплюють плазмовід вздовж діагоналей бічних в тороїдальне магнітне поле плазмовода. Рухаюграней між джерелами плазми і вихідним отвором. чись в цьому полі, плазмовий потік здійснює повоМагнітне поле, створене за допомогою такої відрот на 90° і через вихідний отвір спрямовується на хиляючої котушки, формує скривлений плазмовий вироби, які розташовані в вакуумній камері, приєканал, в якому значно покращується транспортуднаної до плазмовода. вання плазми до вихідного отвору. Але джерела Заряджені компоненти плазми електрони та плазми в такому пристрої не можуть працювати іони в такому пристрої транспортуються до вихідодночасно, а тільки по черзі, відповідно з почергоного отвору плазмовода, а важкі і слабо заряджені вим включенням діагональних відхиляючих котумакрочастинки на магнітне і електричне поля майшок. Це не дозволяє отримувати композитні покже не реагують і не проходять через скривлений риття при використанні монометалічних катодів. канал без зіткнення з його стінками. Але далеко не В основу винаходу поставлена задача удосковсі макрочастинки повністю втрачають кінетичну налити вакуумний електродуговий пристрій із енергію навіть при кількох послідовних зіткненнях скривленими плазмовими каналами шляхом зміни із стінками плазмовода. Багато з них потрапляє на конструкції відхиляючих електромагнітних котушок вихід системи. Кількість частинок, що рикошетуваз метою більш ефективного транспортування плали, значно зменшується на виході, якщо на внутзми до вихідного отвору пристрою одночасно від рішніх поверхнях плазмовода розташовані "перерізних джерел плазми. Коефіцієнт транспортуванхоплюючі" екрани у вигляді поперечних ребер. ня плазмових потоків не повинен бути гіршим ніж Система таких ребер є своєрідною пасткою для той, який є у випадку використання відхиляючої макрочастинок [2]. котушки у вигляді рамки у формі прямокутника. Ефективність очищення плазми від макрочасПоставлена задача вирішується у патентуетинок в такому скривленому фільтрі тим вища, чим мому вакуумному електродуговому пристрої із довший плазмовий канал, чим він вужчий і чим скривленими плазмовими каналами, який, також більший кут його сумарного вигину. Але при цьому як і пристрій, прийнятий за прототип, включає два обов'язково зростають втрати іонної компоненти зустрічних джерела плазми з фокусуючими електплазми, зменшується її потік на виході системи. ромагнітними котушками, які з'єднані з плазмовоПродуктивність системи падає, а складність її видом, охопленим одною або кількома відхиляючими готовлення і кошторис зростають. Наразі можлиелектромагнітними котушками і який має вихідну вість використання таких систем у виробничій електромагнітну котушку, яка охоплює його вихідпрактиці дуже обмежена. Для отримання композиний отвір. тних покриттів, наприклад, таких, як TiAIN в такому Відрізняється від прототипу патентуємий припристрої необхідно використовувати для електрострій тим, що витки відхиляючих котушок зігнуті дугового джерела катоди із сплаву відповідних так, що одна половина кожного витка охоплює металів. Такі катоди дорого коштують і дефіцитні. плазмовід між одним із зустрічних джерел плазми, Крім того при їх використанні немає можливості і вихідним отвором плазмовода, а друга половина регулювати відносний вклад окремих компонент у витка охоплює плазмовід між другим із зустрічних композитних покриттях в процесі їх створення. джерел плазми і вихідним отвором плазмовода. Відомо про інший вакуумний електродуговий В одному із варіантів витки відхиляючих котупристрій із скривленими плазмовими каналами шок мають в профіль форму рівнобічного трикутдля нанесення покриттів, який прийнято за протоника без основи, причому вершина трикутника тип [3]. Він вміщує два зустрічних джерела плазми звернута в бік протилежний вихідному отвору плаз фокусуючими електромагнітними котушками, які змовода. з'єднані з плазмоводом, і може бути охоплений В іншому варіанті витки відхиляючих котушок одною або кількома відхиляючими електромагнітмають в профіль форму рівнобічної трапеції без ними котушками. Він також має вихідну електромабільшої основи, причому менша основа трапеції гнітну котушку, яка охоплює його вихідний отвір. звернена в бік протилежний вихідному отвору плаПлазмовід має форму паралелепіпеда на гранях змовода. якого установлені джерела плазми. В одному із Може бути і такий варіант, коли пристрій обваріантів цього пристрою скривлені плазмові каладнаний двома групами відхиляючих котушок, нали створюються тільки за допомогою фокусуюодна з яких має згадані витки трикутної, а друга чих котушок джерел плазми і котушки, що охоплює згадані витки трапецеїдальної форми, причому вихідний отвір. Такий варіант дозволяє при викокотушки з витками трикутної форми розташовані ристанні в різних джерелах плазми катодів із різближче до вихідного отвору пристрою ніж котушки них чистих металів отримувати композитні покритз витками трапецеїдальної форми. 5 77299 6 У кожному із варіантів пристрій може бути обкотушки, у якої витки в профіль мають форму рівладнаний третім джерелом плазми з фокусуючою нобічного трикутника без основи. На Фіг.3 показакотушкою, яке приєднано до плазмовода з боку но вигляд відхиляючої котушки, у якої витки в протилежного його вихідному отвору співвісно з профіль мають форму рівнобічної трапеції без ним. більшої основи. Розглянемо, яким чином особливості патентуМожливість реалізації винаходу розглянемо на емого пристрою дозволяють створювати одночаспристрої, який вміщує (див. Фіг.1) плазмовід 1 з но два скривлених канали для транспортування двома зустрічними джерелами плазми з випаровуплазми, які з'єднуються в один біля вихідного вачами 2 і 3 і з фокусуючими електромагнітними отвору. котушками 4 і 5. Випаровувачі 2 і 3 розташовані Завдяки тому, що витки відхиляючої електрозустрічно один до одного на рівних відстанях від магнітної котушки у патентуемому пристрої зігнуті вихідного отвору 6, охопленого вихідною електротак, що одна половина витка охоплює плазмовід магнітною котушкою 7. Третє джерело плазми між одним із зустрічних джерел плазми і вихідним охоплено фокусуючою електромагнітною котушотвором, а друга половина між другим із зустрічкою 8 і має випаровувач 9, вісь якого співпадає з них джерел і вихідним отвором, при включенні віссю отвору 6. Плазмовід 1 охоплений відхиляютакої котушки електричний струм, який протікає по чими електромагнітними котушками, профілі яких першій половині витка створює магнітний потік, 10 показані пунктирами. Витки відхиляючих котуякий разом із магнітними потоками першої фокушок, зігнуті так, що одна половина кожного витка суючої і вихідної котушок створюють скривлений охоплює плазмовід 1 між першим зустрічним джеканал для транспортування плазми від першого релом плазми з випаровувачем 2 і отвором 6, а джерела. Цей же струм, протікаючи по другій подруга половина витка охоплює плазмовід 1 між ловині витка, створює магнітний потік, який разом другим зустрічним джерелом плазми з випаровуіз магнітними потоками другої фокусуючої і вихідвачем 3 і отвором 6. Профіль витків найближчої до ної котушок створює канал для транспортування отвору 6 відхиляючої котушки, заіальний вигляд плазми від другого джерела. Обидва канали симеякої показано на Фіг.2, має форму рівнобічного тричні і з'єднуються біля вихідного отвору на його трикутника без основи. Вершина його звернена в осі. Оскільки обидва канали створюються при пробік протилежний отвору 6. Інші дві відхиляючі котіканні струму по одній відхиляючій котушці, вони тушки, загальний вигляд яких показано на Фіг.3, можуть працювати одночасно, спрямовуючи поторозташовані далі від отвору 6 і їх витки мають в ки плазми від обох зустрічних джерел плазми до профіль форму рівнобічної трапеції без більшої вихідного отвору. При цьому, можна розташувати основи. Усі відхиляючі котушки 10 (див. Фіг.1) на осі вихідного отвору навпроти нього третє джевстановлені симетрично відносно площини, що рело плазми з фокусуючою котушкою, потік плазмістить в собі вісь вихідної котушки 7. Ця площина ми якого не буде скривлений відхиляючою котушє площиною дзеркальної симетрії для випаровувакою, тобто прямолінійно вздовж осі буде поступати чів 2 і 3. Така конструкція забезпечує формування на вихід пристрою. двох скривлених магнітних потоків, які проходять Витки відхиляючої котушки можуть бути у через випаровувачі 2 і 3 і створюють відповідні профілі як трикутної, так і трапецеїдальної форми. плазмові канали, і одного прямолінійного магнітноОбидві половини витка повинні бути симетричниго потоку, який проходить через випаровував 9 і ми відносно осі вихідного отвору, якщо зустрічні створює, відповідно, прямолінійний плазмовий джерела також симетричні відносно цієї осі. Якщо канал. Усі три канали сходяться в отворі 6, охопвикористовуються котушки з обома формами витленому вихідною котушкою 7. Отвір 6 плазмоводу ків, то котушки трикутної форми у профілі повинні 1 приєднано до вакуумної камери 11. в якій розтабути ближчі до вихідного отвору, для ефективного шовуються вироби (на Фіг.1 не показані), на повескривлення магнітного поля поблизу осі вихідного рхню яких спрямовуються плазмові потоки від усіх отвору. трьох джерел плазми. Напрямки руху віт, зустрічЗбільшення кількості відхиляючих котушок них джерел плазми показано скривленими траєксприяє створенню скривлених магнітних полів з торіями 12, а напрямок руху від джерела з випароменшими градієнтами у місцях вигину і покращає вувачем 9 прямолінійною траєкторію 13, яка транспортування плазми. співпадає з віссю вихідного отвору 6. Таким чином, запропонована форма витків віРозглянемо роботу пристрою. дхиляючих котушок дозволяє одночасно створюСпочатку внутрішні об'єми плазмоводу 1 і кавати два симетричних скривлених плазмових камери 11 (див. Фіг.1) відкачують на вакуум до 103 нала, які не заважають транспортуванню плазми Па. Далі вмикається струм у електромагнітних від третього джерела, розташованого напроти викотушках 4. 5, 8, і 10. Після цього збуджують елекхідного отвору, і використовувати потоки плазми тродугові розряди на випаровувачах 2 і 3 зустрічдля обробки поверхонь виробів одночасно від них джерел плазми і на випаровувачі 9 джерела трьох плазмових джерел. співвісного з отвором 6. Плазма, яка генерується в Сутність винаходу пояснюється графічними електродугових розрядах, розповсюджується матеріалами. На Фіг.1 показано осьовий переріз вздовж силових ліній трьох магнітних потоків, які патентуемого електродугового пристрою з двома зливаються в один потік в отворі 6 на вході в казустрічними джерелами плазми і з третім джеремеру 11, де встановлені вироби, поверхні яких лом плазми співвісним вихідному отвору. Пунктиробробляються (на Фіг.1 не показані). Потоки плазними лініями показані профілі відхиляючих котуми, які генеруються зустрічними джерелами з вишок. На Фіг.2 показано вигляд відхиляючої паровувачами 2 і 3, проходять по скривленим пла 7 77299 8 змовим каналам вздовж траєкторій 12. При цьому 25мкм/год., AІN - 20мкм/год., ТіО2 - 20мкм/год. макрочастинки і краплі металів які виникають при 2. Синтез алмазоподібних покриттів може електродугових розрядах прямують по прямоліздійснюватися також із сепарованих потоків, які нійним траєкторіям і не можуть потрапити в отвір 6 генеруються зустрічними джерелами з випаровубез багатократних зіткнень із стінками плазмовіду вачами 2 і 3 з графітовими катодами. 1 при яких вони втрачають свою енергію. Тому їх 3. Синтез TiAIN, TiCuN може виконуватись кількість, яка після цього може пройти в камеру 11, двома шляхами: а) тільки із сепарованих потоків, незначна. Макрочастинки і краплі, що летять з створюваних першим із зустрічних джерел із титавипаровувача 9 можуть потрапляти в отвір 6, бо новим катодом і другим із зустрічних джерел із значна їх кількість прямує вздовж траєкторії 13. алюмінієвим (мідним) катодом; б) із сепарованих Щоб заподіяти цьому застосовують спеціальні потоків алюмінієвої (мідної) плазми, яка створюекрани (на Фіг.1 не показані) і використовують у ється зустрічними джерелами, і титановою плазвипаровувачі 9 катод з тугоплавкого металу. мою від джерела з випаровувачем 9 з титановим Змінюючи струми вакуумних дуг випаровувачів катодом. 2, 3 і 9, а також напруженості магнітних полів, 4. Нанесення композитів TiAlZrN, TiAlMoN, створюваних котушками 4, 5 і 8, можна змінювати TiCrAIN може проводитись при одночасному осаінтенсивності потоків плазми від кожного із випадженні сепарованих потоків титанової і алюмінієровувачів і отримувати композитні покриття із різвої плазми від зустрічних джерел і потоку цирконіним вмістом його складових. При струмі дуги 100А євої, хромової або молібденової плазми від кожного із випаровувачів 2 і 3 зустрічних джерел третього джерела. Швидкість осадження 30плазми швидкість росту покриттів складає 635мкм/год. 12мкм/год. в залежності від матеріалу катоду. Від Джерела інформації: третього джерела швидкість росту покриття може 1. Аксѐнов И.И. и др. Транспортировка плазбути 10-16мкм/год. менных потоков в криволинейной плазмооптичесПриклади: кой системе. Физика плазмы, 1978, т.4, вып.6, 1 Синтез оптично прозорих з’єднань таких, як с.756-763. АІ2О3, AІN, ТіО2 і інших здійснюється із застосу2. Заявка РСТ WO 96/26531 від 29.08.96 ванням сепарованих потоків плазми, які генеруС23С14/32. ються від зустрічних джерел з випаровувачами 2 і 3. Патент США №5 435 900 від 25.07.95 3. Тиск реактивного газу О2 або N2 складає 0,533С23С14/22 (прототип). 0,566Па. Швидкість осадження АІ2О3 складає Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601