Анодний вузол вакуумно-дугового джерела катодної плазми

Реферат: Винахід належить до вакуумно-плазменної технології. Анодний вузол містить, охоплений фокусуючою електромагнітною котушкою, анод, виконаний у вигляді відрізка труби. Усередині анода коаксіально йому розміщена в електропровідному кожусі електромагнітна відхиляюча котушка, з напрямом магнітного поля назустріч магнітному полю фокусуючої електромагнітної котушки. Усередині відхиляючої котушки, на її осі поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, розташований постійний відхиляючий магніт, магнітне поле якого співнаправлене магнітному полю відхиляючої електромагнітної котушки. Анодний вузол включає, розташований усередині електромагнітної відхиляючої котушки, на її осі поблизу її торця, оберненого у бік протилежний від вхідного отвору анода, додатковий постійний магніт, магнітне поле якого направлене зустрічно магнітному полю постійного відхиляючого магніту. При цьому позитивний полюс джерела живлення дуги електрично сполучений як з анодом через обмотку фокусуючої електромагнітної котушки, так і з кожухом відхиляючої котушки через її обмотку. Винахід може бути використаний, переважно, в прямолінійних джерелах вакуумно-дугової катодної плазми з фільтруванням від макрочасток в комплекті з різними вакуумно-дуговими випарниками і з плазмоводами для транспортування плазми. UA 101443 C2 (12) UA 101443 C2 UA 101443 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки отримання плазмових потоків в джерелах електродугової плазми. Запропонований анодний вузол може бути використаний, переважно, в прямолінійних джерелах вакуумно-дугової катодної плазми з фільтруванням від макрочасток в комплекті з різними вакуумно-дуговими випарниками і з плазмоводами для транспортування плазми. Відомий анодний вузол [1] прямолінійного джерела вакуумно-дугової катодної плазми містить анод у вигляді відрізка труби, охопленого електромагнітними котушками, які створюють соленоїд, що складається, як мінімум, з трьох окремих секцій, кожна з яких живиться від окремого джерела живлення. Цей вузол включає відбивач макрочасток, виконаний у вигляді диска, закріпленого усередині відрізка труби на його осі за допомогою струмопровідних стрижнів, прикріплених до внутрішньої його стінки із забезпеченням електричного і теплового контакту. Цей відбивач в цьому анодному вузлі називатимемо заслінкою. За допомогою секціонованого соленоїда усередині анода створюють необхідну конфігурацію магнітного поля, що забезпечує максимальний обхід заслінки силовими лініями магнітного поля, що перетинають значну частину торцевої випаровуваної поверхні катода без перетину ними анода. Проте при цьому частина силових ліній магнітного поля в області катода біля осі потрапляє на заслінку. Це приводить до істотних втрат плазми, що розповсюджується уздовж магнітного поля. Значний струм дуги йде прямо на заслінку. Відбувається її перегрів, особливо при струмах дуги більше 70 А. Це може приводити до прив'язки дуги до перегрітої частини заслінки і її оплавлення або руйнування. Крім того, відбуваються значні втрати плазми внаслідок ослабленого магнітного поля в області розташування заслінки, що викликає дрейф плазми у бік анода і осадження її на анод. Як прототип розглянемо анодний вузол вакуумно-дугового джерела катодної плазми [2]. Він містить анод у вигляді відрізка труби, охоплений фокусуючою електромагнітною котушкою. Усередині анода коаксіально йому розміщена в електропровідному кожусі електромагнітна відхиляюча котушка, усередині якої на її осі поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, розташований циліндровий постійний магніт, що відхиляє. Електромагнітна котушка, що відхиляє, генерує магнітне поле, направлене зустрічно магнітному полю, що генерується фокусуючою електромагнітною котушкою. Магнітне поле постійного магніту співнаправлено з магнітним полем, що генерується відхиляючою електромагнітною котушкою на її осі. Відхиляюча електромагнітна котушка з постійним магнітом утворюють, так званий "магнітний острів". Використання постійного магніту дозволяє зменшити габарити "магнітного острова" без зменшення напруженості відхиляючого магнітного поля і тим самим зменшити габарити самого джерела вакуумно-дугової катодної плазми. "Магнітний острів" зменшує втрати плазми, яка рухається в приосьовій області уздовж осі на заслінку, якою в цьому анодному вузлі є торцева стінка вищезазначеного кожуха. Проте, не зважаючи на наявність такого "магнітного острова", втрати плазми все ще залишаються значними. Значна частина плазмових потоків, що виходять з катодних плям дуги, що переміщаються в центральній (приосьовій) області катода, потрапляючи в достатньо сильне магнітне поле, що створюється відхиляючою електромагнітною котушкою спільно з постійним магнітом, обходить "магнітний острів" і потрапляє на його тильну сторону. Це приводить до втрат плазмових потоків па тильній стороні "магнітного острова". Плазмові потоки, які виходять з катодних плям дуги в периферійній області робочого торця катода, переміщаючись в магнітному полі, створеному, переважно, фокусуючою електромагнітною котушкою, огинають відхиляючу магнітну котушку і, практично, не потрапляють на її тильну сторону. Проте, при цьому збільшуються втрати плазми упоперек магнітного поля на стінки анода, як за рахунок градієнта магнітного поля, направленого у бік бічної поверхні відхиляючої електромагнітної котушки, так і за рахунок створення навколо цієї котушки магнітного дзеркала для електронів. Задача, на вирішення якої направлений винахід, що пропонується, є удосконалення анодного вузла вакуумно-дугового джерела катодної плазми для зменшення її втрат при її транспортуванні усередині цього вузла. Удосконалення повинне здійснюватися шляхом зміни конфігурації магнітного поля усередині анода і шляхом регулювання напруженостей магнітних полів, що створюються електромагнітними котушками залежно від струму дуги, який тече через електропровідні елементи анодного вузла. Поставлена задача реалізується в запропонованому анодному вузлі вакуумно-дугового джерела катодної плазми, яке також як і анодний вузол, прийнятий за прототип, містить анод, виконаний у вигляді відрізка труби, охопленого фокусуючою електромагнітною котушкою. Усередині анода коаксіально йому розміщена в електропровідному кожусі відхиляюча електромагнітна котушка. Усередині цієї котушки на її осі поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, розташований відхиляючий постійний магніт. Відхиляюча електромагнітна котушка, генерує магнітне поле, направлене зустрічно магнітному полю, що 1 UA 101443 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 генерується фокусуючою електромагнітною котушкою. Магнітне поле постійного магніту співнаправлене магнітному полю, що генерується відхиляючою електромагнітною котушкою на її осі. На відміну від прототипу запропонований анодний вузол включає, розташований усередині відхиляючої електромагнітної котушки, на її осі поблизу її торця, оберненого у бік протилежний вхідному отвору анода, додатковий постійний магніт. Магнітне поле цього магніту направлене зустрічно магнітному полю відхиляючого постійного магніту. При цьому позитивний полюс джерела живлення дуги електрично сполучений як з анодом через обмотку фокусуючої електромагнітної котушки, так і з кожухом відхиляючої котушки через її обмотку. Відхиляюча електромагнітна котушка може бути виконана з трубки, яка охолоджується водою, при цьому виток її обмотки поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, повинен мати тепловий контакт з її кожухом. Розглянемо, яким чином в запропонованому анодному вузлі зменшуються втрати плазми при її транспортуванні усередині анода. Додатковий циліндровий постійний магніт в сукупності з магнітним полем фокусуючої електромагнітної котушки забезпечує відхилення значної частини силових ліній магнітного поля відхиляючої електромагнітної котушки і відхиляючого постійного магніту у бік вихідного отвору анода. Це запобігає перетину вищезазначеними силовими лініями магнітного поля торцевої поверхні кожуха цієї котушки, оберненого у бік вихідного отвору анода. В результаті плазмові струмені, що емітуються катодними плямами дуги, які переміщуються в центральній (приосьовій) області катода, розповсюджуючись уздовж силових ліній магнітного поля, що огинають відхиляючу електромагнітну котушку разом з кожухом, виходять через вихідний отвір анода, не потрапляючи на торець кожуха, оберненого у бік цього отвору. Як показують проведені експерименти, це на одну третину збільшує вихідний іонний струм. Вказане вище електричне з'єднання витків фокусуючої і відхиляючої електромагнітних котушок забезпечує регулювання напрямів силових ліній магнітних полів котушок, залежно від струмів дуги, які течуть через анод або через вищезазначений кожух. Таке регулювання забезпечує зміну сумарного магнітного поля таким чином, що воно відхиляє плазмові потоки від внутрішньої поверхні анода, якщо струм дуги йде через нього, і від зовнішньої поверхні кожуха, якщо струм дуги йде через цей кожух. Завдяки цьому в запропонованому анодному вузлі забезпечується динамічна рівновага плазмових потоків, рухомих в проміжку між внутрішньою поверхнею анода і зовнішньою поверхнею кожуха відхиляючої електромагнітної котушки, що істотно зменшує втрати плазми в анодному вузлі. Виконання витків відхиляючої електромагнітної котушки з трубки, охолоджуваної водою, з підключенням до кожуха, як зазначено вище, дозволять без перешкод використовувати кожух відхиляючої електромагнітної котушки як частину анода. Сутність запропонованого винаходу пояснюється схемою анодного вузла, яка зображена на фігурі. Розглянемо приклад виконання анодного вузла для прямолінійного джерела фільтрованої вакуумно-дугового катодної плазми. Запропонований анодний вузол містить водоохолоджуваний анод 1 (див. схему), виконаний у вигляді відрізка труби, з немагнітної нержавіючої сталі з фланцями. Фокусуюча електромагнітна котушка 2 охоплює анод. Відхиляюча електромагнітна котушка 3 в електропровідному кожусі 4 коаксіально розташована всередині анода на його осі. Вона виконана з мідної трубки, охолоджуваної водою. Кожух 4, прикріплений до початкового витка 5 котушки 3 із забезпеченням електричного і теплового контакту. Відхиляючий постійний магніт 6, встановлений усередині відхиляючої електромагнітної котушки 3 на її осі поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору 7 анода. Додатковий постійний магніт 8 встановлений всередині відхиляючої електромагнітної котушки 3 на тій же осі, що і магніт 6, але поблизу торця котушки 3, зверненого у бік, протилежний від вхідного отвору 7. При цьому додатковий постійний магніт 8 орієнтований своїм магнітним полем назустріч магнітному полю відхиляючого постійного магніту 6. Кріплення відхиляючої електромагнітної котушки 3 всередині анода здійснено за допомогою її виводів 9 і 10, розташованих вздовж діаметра ізоляційного кільця 11 і закріплених вакуумно щільно на його зовнішній поверхні. Анод електрично з'єднаний з виводом кінцевого витка 12 обмотки фокусючої електромагнітної котушки. Вивід її початкового витка 13 з'єднаний з позитивним полюсом джерела живлення дуги 14 та з виводом 10 кінцевого витка обмотки відхиляючої електромагнітної котушки 3, початковий виток 5 якої з'єднаний з її кожухом 4. Розглянемо роботу анодного вузла в складі вакуумно-дугового джерела катодної плазми з випарником і плазмоводом. 2 UA 101443 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 З боку вхідного отвору анодний вузол приєднується до вакуумно-дуговому випарника з катодом, охопленим катодною електромагнітною котушкою. З боку вихідного отвору він приєднується до плазмоводу, охопленому вихідною електромагнітної котушкою (на схемі не показані). За допомогою цих котушок всередині анод його вузла створюється постійне, опукле в сторону від осі, транспортуюче магнітне поле. Після ініціювання дугового розряду на торцевій випаровуваній поверхні катода (на схемі не показана) плазмові струмені, що виходять з катодних плям дуги, які переміщаються по випаровуваній поверхні катода, рухаються уздовж силових ліній транспортуючого магнітного поля. При цьому залежно від положення катодних плям щодо осі катода, струм дуги може йти або через анод 1 або через кожух 4 відхиляючої електромагнітної котушки 3, або одночасно через анод 1 і кожух 4. У разі переміщення катодних плям у периферійній області торця катода плазмові струмені, що виходять з цих плям, проходитимуть на досить близькій відстані від внутрішньої стінки анода 1. Завдяки приєднанню анода до позитивного полюса джерела живлення дуги 14 через виводи 13 і 12 обмотки фокусуючої електромагнітної котушки 2, при проходженні струму дуги через анод створюється додаткове магнітне поле, яке відхиляє плазмові потоки від стінки анода 1. В результаті втрати плазми на його стінку різко зменшуються. У випадку, коли катодні плями дуги переміщуються в приосьовій області торця катода, плазмові струмені, що виходять з цих плям, будуть обходити кожух 4 на досить близькій відстані від нього. При цьому практично весь струм дуги може йти через цей кожух. Але, завдяки приєднанню кожуха 4 до позитивного полюса джерела живлення дуги 14 через обмотку відхиляючої електромагнітної котушки 3, при проходженні струму дуги через цей кожух і, отже, через котушку 3 створюється додаткове магнітне поле, що забезпечує відштовхування плазмових потоків від бічної стінки кожуха. Завдяки додатковому постійному магніту 8 забезпечується відхилення значної частини силових ліній магнітного поля, створеного електромагнітної котушкою 3 та постійним магнітом 6, в бік вихідного отвору анодного вузла. У результаті зменшуються втрати плазми на тильну сторону кожуха 4. При роботі анодного вузла здійснюється охолодження водою обмотки відхиляючої котушки 4, виготовленої з мідної трубки з виводами 9 і 10, розміщеними вакуумнощільно в ізоляційному кільці 11. Завдяки наявності теплового контакту 5 котушки 3 з кожухом 4 забезпечується ефективне його охолодження. Ефективно охолоджується також і анод. Анодний вузол може працювати протягом тривалого часу. Проводилися випробування анодного вузла з наступними основними розмірами: внутрішній діаметр анода, мм 226 довжина анода, мм 155 зовнішній діаметр відхиляючої магнітної котушки, мм 68 довжина відхиляючої електромагнітної котушки, мм 60 зовнішній діаметр кожуха відхиляючої електромагнітної котушки, мм 74 відстань від вхідного отвору анода торцевої поверхні кожуха відхиляючої електромагнітної котушки, мм до 100. Випробування анодного вузла в комплекті з вакуумнодуговим випарником з циліндричним витрачальним титановим катодом показали, що повний вихідний струм іонів при струмі дуги 100 А становить не менше 6 А. Це майже в 1,5 рази вище, ніж на виході з анодного вузла, прийнятого за прототип при тому ж струмі дуги. Джерела інформації: 1. I.I. Aksenov and V.M. Khoroshikh "Filtering shields in vacuum arc plasma sourses" Proc. of the th 6 International Simposium on Trends and New Application of Thin Films (TATF'98), Regensburg, Germany, March 1998, P. 283-286. 2. A. Kleiman, A. Marques and R.L. Boxman "Performance of a magnetic is-lend macroparticle filter in a titenium vacuum arc" Plasma Sources Sci. Technol. 17 (2008) P. 1-7 (прототип). 3 UA 101443 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Анодний вузол вакуумно-дугового джерела катодної плазми, що містить, охоплений фокусуючою електромагнітною котушкою, анод, виконаний у вигляді відрізка труби, усередині якого коаксіально йому розміщена в електропровідному кожусі електромагнітна відхиляюча котушка, з напрямом магнітного поля назустріч магнітному полю фокусуючої електромагнітної котушки, усередині відхиляючої котушки, на її осі поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, розташований постійний відхиляючий магніт, магнітне поле якого співнаправлене магнітному полю відхиляючої електромагнітної котушки, який відрізняється тим, що він включає, розташований усередині електромагнітної відхиляючої котушки, на її осі поблизу її торця, оберненого у бік протилежний від вхідного отвору анода, додатковий постійний магніт, магнітне поле якого направлене зустрічно магнітному полю постійного відхиляючого магніту, при цьому позитивний полюс джерела живлення дуги електрично сполучений як з анодом через обмотку фокусуючої електромагнітної котушки, так і з кожухом відхиляючої котушки через її обмотку. 2. Анодний вузол за п. 1, який відрізняється тим, що електромагнітна відхиляюча котушка, виконана з електропровідної трубки, що охолоджується водою, при цьому виток її обмотки поблизу її торця, зверненого до вхідного отвору анода, має тепловий контакт з її кожухом. 4 UA 101443 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5