Пристрій для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору

Реферат: Винахід належить до галузі машинобудування і металургії, а саме - до конструкції пристрою для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору. Пристрій містить два вхідних і один вихідний плазмоводи у вигляді відрізків труб, з'єднаних між собою і охоплених електромагнітними котушками і має електромагнітний засіб в місці з'єднання плазмоводів для створення магнітного поля, що відбиває плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання з вихідним плазмоводом, при чому електромагнітний засіб має, принаймні, одну відбиваючу котушку з вікном, витягнутим у вигляді щілини. Відбиваюча котушка прилягає до місця з'єднання вхідних плазмоводів з вихідним плазмоводом навпроти вихідного отвору так, що щілинне вікно витягнуте уздовж лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів. Винахід забезпечує спрощення конструкції пристрою, підвищення надійності його роботи за рахунок створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання з вихідним плазмоводом, при цьому таке рішення здешевлює пристрій в цілому. UA 105979 C2 (12) UA 105979 C2 UA 105979 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі машинобудування і металургії, а саме до конструкцій техніки формування потоків ерозійної вакуумно-дугової плазми, переважно від двох плазмових джерел, для осадження високоякісних композитних, у тому числі наноструктурованих, покриттів. Ці покриття можуть бути зносостійкими, антифрикційними, декоративними, електро- й теплопровідними, електро- й теплоізолюючими та інш. Винахід також може застосовуватись для поверхневого модифікування матеріалів шляхом опромінення потоками іонів та/або електронів. У порівнянні з однокомпонентними покриттями композитні покриття на основі нітридів та/або карбідів двох і більше металів відзначаються більш високими механічними характеристиками. Ці покриття знаходять все більш широке використання, як зносостійкі і антифрикційні поверхневі шари в інструментальному виробництві та в машинобудуванні. Відомий пристрій [1] для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору містить у собі Т-подібний плазмовід, що складається з двох Lподібних каналів із спільною системою магнітних котушок. Плазмові потоки з двох катодів після повороту на 90° рухаються двома каналами, розділеними між собою поздовжньою перегородкою уздовж магнітного поля цієї спільної для обох каналів вихідної секції і надходять на підкладку. L-подібні канали виконують роль фільтрів і сприяють видаленню макрочастинок з плазми композиційного складу. Недоліком даного пристрою є те, що плазмові потоки, проходячи двома каналами уздовж магнітного поля, надходять на підкладку, не змішуючись. У зв'язку з цим одержати композитне покриття з рівномірним розподілом компонентів по поверхні нерухомої підкладки за допомогою даного пристрою неможливо. Відомо про пристрій [2] для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору, який містить два вхідних і один вихідний плазмоводи у вигляді відрізків труб. Пристрій оснащений двома додатковими котушками, що охоплюють вхідні плазмоводи в області їх приєднання до вихідного плазмоводу. Додаткові котушки розміщені під кутом одна до одної так, що найменша відстань між ними знаходиться навпроти вихідного отвору. Недоліком даного пристрою є суттєві втрати плазми в області повороту потоків цієї плазми у вихідний плазмовід, оскільки магнітне поле, здатне відбивати плазму від стінок плазмоводу, існує тільки в обмеженій області зазначеної найменшої відстані між додатковими котушками, а в решті простору відстань між цими котушками збільшується, а магнітне поле знижується і не здатне запобігти дифузії плазми на стінки плазмоводу. За найближчий аналог приймається пристрій для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору, описаний у патенті [3]. Пристрій містить два вхідних і один вихідний плазмоводи у вигляді відрізків труб, з'єднаних між собою і охоплених електромагнітними котушками. Цей пристрій в місці з'єднання плазмоводів має електромагнітний засіб для створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання з вихідним плазмоводом. Цей електромагнітний засіб являє собою дві котушки, кожна з яких перегнута під прямим кутом так, що одна частина котушки охоплює вхідний плазмовід, а друга частина котушки охоплює вихідний плазмовід. При цьому частини котушок, що охоплюють вхідні плазмоводи розміщені впритул одна до одної, а відігнуті частини котушок охоплюють вихідний плазмовід з протилежних боків. Недоліком даного пристрою є складність форми котушок згаданого електромагнітного засобу, що обумовлює значні труднощі в їх виготовленні, і помітні витрати матеріалу (наприклад, мідного дроту) для їх виготовлення, що, у решті решт, значно здорожує пристрій у цілому. При цьому ускладнення конструкції і підвищена матеріалоємність пристрою не супроводжується адекватним зменшенням втрат плазми при її проходженні через пристрій. Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є удосконалення пристрою для транспортування плазмових потоків з вакуумно-дугових джерел плазми. Удосконалення повинно здійснюватись шляхом спрощення електромагнітного засобу для створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання з вихідним плазмоводом. Удосконалення повинно забезпечити здешевлення пристрою в цілому. Задача має бути вирішена удосконаленням конструкції відбиваючого електромагнітного засобу. Поставлена задача вирішується в пристрої, що патентується, для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору. Цей пристрій, як і найближчий аналог, містить два вхідних і один вихідний плазмоводи у вигляді відрізків труб, з'єднаних між собою і охоплених електромагнітними котушками. Пристрій має електромагнітний засіб в місці з'єднання плазмоводів для створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання з вихідним плазмоводом. 1 UA 105979 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відповідно до винаходу, зазначений електромагнітний засіб має принаймні одну відбиваючу котушку з вікном, витягнутим у вигляді щілини. Відбиваюча котушка прилягає до місця з'єднання вхідних плазмоводів з вихідним плазмоводом навпроти вихідного отвору по лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів так, що щілинний отвір витягнутий уздовж цієї лінії. У кращому варіанті ширина щілинного отвору не повинна перевищувати чверті ширини вихідного плазмоводу. Відбиваюча котушка може бути вигнута у формі сідла. Зазначений засіб може мати декілька відбиваючих котушок, розміщених послідовно одна за одною уздовж вищезазначеної лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів. У пристрої за винаходом плазма, що генерується вакуумно-дуговими джерелами ерозійної плазми рухається по вхідним плазмоводам уздовж силових ліній транспортуючого магнітного поля, утворюваного електромагнітними котушками. Коли плазма надходить до місця з'єднання вхідних плазмоводів з вихідним плазмоводом, вона повертає в бік вихідного плазмоводу і - далі до вихідного отвору. Втрати плазми зменшуються спрощеним електромагнітним засобом для відбивання плазми. Як показали дослідження, процес відбиття плазми зазначеним відбиваючим засобом є найбільш ефективним у разі, якщо ширина щілинного отвору не перевищує чверть ширини поперечного перерізу вихідного плазмоводу. У випадку, коли поперечний переріз плазмоводів має круглу форму, відбиваючий засіб має вигляд котушки, яка вигнута у формі сідла. В іншому варіанті зазначений електромагнітний засіб має декілька відбиваючих котушок, розміщених послідовно одна за одною уздовж вищезазначеної лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів. Внаслідок зазначеної форми і місцеположення відбиваючої котушки утворюване нею магнітне поле, складаючись з полями вхідних магнітних котушок, спричиняє суттєве звуження зони, в якій магнітні силові лінії направлені зовні плазмоводів. На протязі усієї лінії з'єднання вхідних плазмоводів формується так зване щілинне магнітне поле з підсиленою індукцією. Таке поле в області лінії з'єднання вхідних плазмоводів являє собою магнітне дзеркало, яке відштовхує заряджені частинки плазми, що рухаються у напрямку до стінок плазмоводу, зменшуючи тим самим втрати плазми в зазначеній області. Варіант засобу для відбивання плазми у вигляді декількох відбиваючих котушок, розміщених послідовно ода за одною уздовж лінії з'єднання вхідних плазмоводів доцільно використовувати у тому випадку, якщо плазмоводи мають прямокутний поперечний переріз. При цьому достатньо трьох відбиваючих котушок з щілинними вікнами найпростішої прямолінійної форми. Такі котушки розміщуються на плоских гранях вхідних плазмоводів послідовно. Суть винаходу пояснюється наступними графічними матеріалами. На фіг. 1 схематично зображений поздовжній переріз пристрою за винаходом. На фіг. 2 показано тривимірне зображення пристрою за винаходом з круглими плазмоводами і електромагнітним відбиваючим пристроєм у вигляді сідлоподібної котушки. На фіг. 3 показане тривимірне зображення пристрою за винаходом з прямокутними плазмоводами і відбиваючим пристроєм у вигляді трьох котушок. Розглянемо приклад виконання пристрою за винаходом. Пристрій для транспортування плазмових потоків з вакуумно-дугових джерел плазми, схема якого зображена на фіг. 1, містить два вхідні плазмоводи 1 і 2 з вхідними отворами 3 і 4, які з'єднані між собою і з вихідним плазмоводом 5 навпроти вихідного отвору 6. Вхідні і вихідний плазмоводи обладнані відповідно вхідними 7 і 8 та вихідною 9 електромагнітними котушками, що створюють магнітні поля для транспортування плазми. Навпроти вихідного отвору розміщено електромагнітний засіб для створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання. Цей засіб являє собою відбиваючу котушку 10 з вікном, витягнутим у вигляді щілини. Котушка 10 виконана у формі сідла і прилягає до вхідних плазмоводів у місці їх з'єднання з вихідним плазмоводом по лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів навпроти вихідного отвору 6, причому щілинне вікно витягнуте уздовж цієї лінії. Позицією 11 позначене так зване "магнітне дзеркало", яке створюється відбиваючим електромагнітним засобом. Розглянемо роботу пристрою за винаходом на прикладі варіанту, який описаний вище. Потоки плазми, що генеруються вакуумно-дуговими джерелами ерозійної плазми (на фіг. 1 не показані), через вхідні отвори плазмоводів 3 і 4 потрапляють і рухаються по силових лініях магнітних полів (відзначені суцільною лінією з напрямком руху) створюваних електромагнітними котушками 7, 8 і 9, які приєднані до джерела електроживлення (на схемі не показано). Плазма рухається уздовж вхідних плазмоводів 1 і 2, відповідно, надходить до місця з'єднання останніх з 2 UA 105979 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вихідним плазмоводом 5, повертає в його бік і, увійшовши в нього, під дією магнітного поля вихідної електромагнітної котушки 9 транспортується до вихідного отвору 6 і - далі до об'єкту, що підлягає плазмовій обробці (на фіг. 1 не показано). Конденсуючись на об'єкті, що обробляється, плазмові потоки утворюють композитне покриття із суміші катодних матеріалів обох джерел плазми. В області з'єднання плазмоводів частина силових ліній транспортуючого магнітного поля і, відповідно плазма, що прямує уздовж них, відхиляється у бік, протилежний вихідному плазмоводу. Ця частина плазми не втрачається тому, що відвертається засобом для відбивання плазми 10. Внаслідок його особливої форми і місцеположення утворюване ним магнітне поле, складаючись з полями створюваними вхідними 7 і 8 електромагнітними котушками, вхідних плазмоводів, спричиняє суттєве звуження зони 11, в якій магнітні силові лінії направлені зовні плазмоводів на протязі усієї лінії з'єднання вхідних плазмоводів. Тобто, формується так зване щілинне магнітне поле з підсиленою індукцією. Таке гостро кутове поле в області лінії з'єднання вхідних плазмоводів являє собою "магнітне дзеркало" 11, яке відштовхує заряджені частинки плазми, що рухаються у напрямку до стінок плазмоводу, зменшуючи тим самим втрати плазми в зазначеній області. На фіг. 1 траєкторії частинок плазми схематично позначені пунктирною лінією зі стрілками. Як показали дослідження для забезпечення найбільш ефективної дії зазначеного засобу ширина отвору d відбиваючої котушки 10 має не перевищувати однієї чверті ширини D вихідного плазмоводу 5. Для кращого пояснення конструкції варіанту пристрою за винаходом з круглим поперечним перерізом плазмоводів і сідлоподібною відбиваючою котушкою на фіг. 2 показане тривимірне зображення патентованого пристрою. Позиціями 1 і 2 позначено вхідні плазмоводи, які з'єднані між собою і з вихідним плазмоводом 5 навпроти вихідного отвору по умовній лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів. Вхідні і вихідний плазмоводи обладнані, відповідно, вхідними 7 і 8 та вихідною 9 електромагнітними котушками. Позицією 10 позначено відбиваючий електромагнітний засіб у вигляді котушки у формі сідла. На Фіг. 3 наведена у тривимірному зображенні схема ще одного варіанта пристрою за винаходом. У цьому варіанті плазмоводи 1, 2 і 5 мають прямокутну форму і, відповідно, прямокутну форму мають електромагнітні котушки 7, 8 і 9. Згадане вище відбиваюче щілинне магнітне поле, "магнітне дзеркало", формується трьома відбиваючими котушками 10, які розміщені в області навпроти вихідного отвору плазмоводу 5 послідовно одна за одною уздовж лінії периметра поперечного перерізу вхідних плазмоводів. Довжину вікна котушок рекомендується вибирати такою, щоб їх сумарна довжина була не меншою за довжину лінії з'єднання вхідних плазмоводів, продовженої, переважно, до вхідного торцю вихідної котушки 9. Котушки 10 найпростіші за формою і тому мають суттєву перевагу у виготовленні перед фігурними котушками пристрою, який є найближчим аналогом. Таким чином, формування щілинного магнітного поля в області з'єднання вхідних плазмоводів і досягнення за рахунок цього суттєвого зменшення втрат плазми в пристрої, що патентується, досягається наявністю значно простішого засобу для формування відбиваючого магнітного поля. Це - одна сідлоподібна котушка у варіанті з круглим поперечним перерізом плазмоводів і три прості за виготовленням котушки у варіанті, коли пристрій має прямокутну форму. Джерела інформації: 1. Патент США US Patent No.: 6,663,755 B2, Dec. 16, 2003. 2. I.I. Aksenov, D.S. Aksyonov, V.V. Vasilyev, A.A. Luchaninov, E.N. Reshetnyak, V.E. Strel'nitskij. Filtered vacuum-arc plasma source for composite coatings deposition. XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Bucharest-2008. 3. Патент України № 84675, 25.11.2008. (Найближчий аналог). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Пристрій для транспортування плазмових потоків від вакуумно-дугових джерел плазми до вихідного отвору, який містить два вхідних і один вихідний плазмоводи у вигляді відрізків труб, з'єднаних між собою і охоплених електромагнітними котушками, і електромагнітний засіб в місці з'єднання плазмоводів для створення магнітного поля, відбиваючого плазму від стінок вхідних плазмоводів в області їх з'єднання, який відрізняється тим, що зазначений електромагнітний засіб має принаймні одну відбиваючу електромагнітну котушку з вікном у вигляді щілини, причому ця котушка прилягає до місця з'єднання вхідних плазмоводів з вихідним плазмоводом навпроти вихідного отвору так, що зазначене щілинне вікно витягнуте уздовж лінії периметрf поперечного перерізу вхідних плазмоводів. 3 UA 105979 C2 5 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що ширина зазначеного щілинного вікна відбиваючої електромагнітної котушки не перевищує чверті ширини вихідного плазмоводу. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що відбиваюча котушка вигнута у формі сідла. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що зазначений електромагнітний засіб має декілька відбиваючих котушок, розміщених послідовно одна за одною уздовж вищезазначеної лінії периметрf поперечного перерізу вхідних плазмоводів. 4 UA 105979 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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