Вакуумно-дугове джерело плазми

Реферат: Винахід належить до електротехніки, зокрема до джерел плазми на основі вакуумно-дугового розряду. У вакуумно-дуговому джерелі плазми, що містить співвісно встановлені анод і стрижневий катод, що витрачається, прикріплений до торця анода, вузол охолодження катода, змонтований поблизу його робочої поверхні у вигляді пустотілого корпусу, що охоплює герметично бічну поверхню катода, вузол переміщення катода, розташований біля його неробочого торця, і вузол підпалу, розміщений поблизу робочої поверхні катода. Між вузлом переміщення катода і неробочим торцем катода розміщена проставка, приєднана до катода, яка має поверхню, яка ізометрична поверхні катода і є її продовженням, і довжину L, яка визначається з умови L=L1-L2, де L1 - відстань від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, який відпрацював свій ресурс; L2 - товщина катода, що відпрацював свій ресурс. Винахід дозволяє підвищити коефіцієнт корисного використання матеріалу катода і надійність роботи вакуумно-дугового джерела плазми. UA 110120 C2 (12) UA 110120 C2 UA 110120 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки, зокрема до джерел плазми на основі вакуумнодугового розряду, що застосовуються для отримання покриттів різного функціонального призначення на деталях машин і інструменті. Відомі джерела плазми, в яких генерація плазмового потоку здійснюється катодною плямою вакуумно-дугового розряду з інтегрально холодним катодом [Дороднов A.M. Технологические плазменные ускорители. ЖТФ, 1978, т. 48, в. 9, с. 1862, рис. 4]. Такі джерела являють собою коаксіальну систему примусово охолоджуваних електродів - центрального катода, виконаного з провідникового матеріалу, який перетворюється в плазмовий стан, і конічного анода. Стаціонарні та імпульсні плазмові потоки, що генеровані джерелами розглянутого типу, використовуються для отримання покриттів різного призначення. Водночас їм притаманний ряд недоліків: складна конструкція, низька надійність системи підпалу дуги, невисокі запас плазмоутворюючого матеріалу катода і коефіцієнт його використання. Відомий ряд вакуумно-дугових джерел плазми, у тому числі тих, що знайшли широке практичне застосування в іонно-плазмових установках типу "Булат", описаних в роботі [Аксенов И.И. и др. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхностное модифицирование. - К.: Наукова думка, 2012. - с. 191-237]. У наведених конструкціях джерел плазми вирішені завдання: підвищена надійність порушення дуги застосуванням безконтактного підпалу (там же, с. 210, рис. 8.29, за авт. свід. СРСР № 529715, 1978, Бюл. ОИПОТЗ, № 24), виводу і стабілізації катодних плям на робочій поверхні катода (там же, с. 197, рис. 8.10), фокусування плазмового потоку (там же, с 200, рис. 8,16, за авт. свід. СРСР № 1040631, 1983, Бюл. ОИПОТЗ, № 33) та ін. Особливістю всіх наведених у цій роботі конструкцій джерел плазми є застосування в них примусового охолодження катода по його неробочому торцю. Таке рішення характеризується нарівні з простотою реалізації неможливістю використання катодів з високим запасом плазмоутворюючого матеріалу і низьким коефіцієнтом його корисного використання. Суттєво підвищити запас матеріалу катода можна в конструкціях джерел плазми з охолодженням катода по боковій поверхні. Така спроба була зроблена в джерелі плазми за авт. свід. СРСР № 661042, 1979, Бюл. ОИПОТЗ № 17. Однак введення води для охолодження анода з боку катода не дозволяє в такій конструкції використовувати катод з великим запасом матеріалу, а віддаленість зони охолодження катода від його робочої поверхні зменшує коефіцієнт корисного використання матеріалу катода. Найбільш близьким до запропонованого вакуумно-дугового джерела плазми з технічної сутності є вакуумно-дуговий пристрій за патентом США № 3625858, 1971 (A. Snaper. Acr depositions process and apparatus, fig. 9), вибраний у якості прототипу, і який містить співвісно встановлені анод і стрижневий катод, що витрачається, прикріплений до торця анода, вузол охолодження катода, змонтований поблизу його робочої поверхні у вигляді пустотілого корпусу, що охоплює герметично бічну поверхню катода, вузол переміщення катода, розташований біля його неробочого торця і вузол підпалу, розміщений поблизу робочої поверхні катода. У вакуумно-дуговому пристрої даної конструкції за рахунок охолодження катода по боковій поверхні і постійного переміщення катода в міру його вироблення вузлом переміщення забезпечується можливість застосування катодів зі значним запасом плазмоутворюючого матеріалу. Істотним недоліком пристрою-прототипу є низький коефіцієнт корисного використання матеріалу катода. Цей недолік особливо неприпустимий у разі виготовлення катода з матеріалу високої вартості (вольфрам, молібден, гафній та ін.) Причина низького коефіцієнта корисного використання матеріалу катода в пристроїпрототипі обумовлена тим, що переміщення катода в ньому обмежене і можливе тільки до моменту, коли неробочий торець катода підійде до першого ущільнення зони охолодження катода (поз. 78 на фіг. 9 пристрою-прототипу). Якщо після цього продовжити переміщення катода, то виникне аварійна ситуація - розгерметизація зони охолоджування. Таким чином, частина катода, укладена між першим ущільненням зони охолодження і робочим торцем катода в пристрої-прототипі не може бути використана. Тому після того, як неробочий торець катода зрівняється з першим ущільненням зони охолодження, катод повинен бути замінений на новий. Ця обставина й обумовлює низьке значення коефіцієнта корисного використання матеріалу катода в пристрої-прототипі. Крім того пристрій-прототип характеризує низька надійність, оскільки не виключена можливість виникнення аварійної ситуації наприкінці вироблення катодом свого ресурсу. Технічною задачею запропонованого винаходу є створення вакуумно-дугового джерела плазми з високим коефіцієнтом корисного використання матеріалу катода і підвищення надійності його роботи. 1 UA 110120 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена технічна задача вирішується тим, що у вакуумно-дуговому джерелі плазми, що містить співвісно встановлені анод і стрижневий катод, що витрачається, прикріплений до торця анода, вузол охолодження катода, змонтований поблизу його робочої поверхні у вигляді пустотілого корпусу, що охоплює герметично бічну поверхню катода, вузол переміщення катода, розташований біля його неробочого торця і вузол підпалу, розміщений поблизу робочої поверхні катода, між вузлом переміщення катода і неробочим торцем катода розміщена приєднана до катода проставка, яка має поверхню, ізометричну поверхні катода і є її продовженням і довжину L, яка визначається з умови L=L1-L2, де L1 - відстань від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, який відпрацював свій ресурс; L2 - товщина катода, що відпрацював свій ресурс. Поставлена технічна задача вирішується також тим, що у вакуумно-дуговому джерелі плазми проставка з протилежного від катода торця забезпечена упором, який припиняє переміщення катода при відпрацюванні катодом ресурсу, а сама проставка виготовлена з матеріалу катода. Розглянемо детально причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими відмінними ознаками запропонованого пристрою і технічним результатом, що досягається. 1. Введення в джерело плазми між вузлом переміщення катода і неробочим торцем катода проставки, приєднаної до катода, що має відповідну форму (ізометрічну поверхні катода) і розташовану так, що її поверхня є продовженням катода і довжину L, яка визначається з умови L=L1-L2, де L1 - відстань від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, який відпрацював ресурс; L2 - товщина катода, що відпрацював свій ресурс, забезпечує практично повне вироблення матеріалу катода (а значить, і забезпечення коефіцієнта корисного використання матеріалу катода близького до 100 %) наступним чином. У разі наявності проставки з обумовленими істотними ознаками після того, як неробочий торець катода зрівняється з першим ущільненням зони охолодження, катод можна переміщати далі, оскільки на його місце в районі першого ущільнення переміститься проставка і розгерметизації зони охолодження не відбудеться. Так само проставка в ході подальшої роботи джерела плазми переміститься і на місце катода в районі другого ущільнення, не порушивши герметизацію зони охолодження. Таким чином можна переміщати катод аж до його повного вироблення (L2=0). Однак на практиці внаслідок ряду причин (в загальному випадку це: неприпустимість ерозії матеріалу, що з'єднує проставку і катод, матеріалу самої проставки, нерівномірність вироблення робочої поверхні катода) необхідно встановлювати значення L2 рівним 1…2 мм. У порівнянні з пристроєм-прототипом, в якому товщина катода, що виробив свій ресурс (L2), має значення в кілька десятків міліметрів, запропонований пристрій забезпечує більш повну виробку матеріалу катода, і, відповідно більш високий коефіцієнт корисного використання матеріалу катода. 2. У запропонованому вакуумно-дуговому джерелі плазми проставка з протилежного від катода торця забезпечена упором, який припиняє переміщення катода при виробітку катодом ресурсу. Ця істотна відмітна ознака забезпечує безаварійну роботу пристрою в кінці експлуатації катода. Дійсно, оскільки в пристрої-прототипі відсутні конструктивні елементи, що обмежують переміщення катода в кінці його експлуатації, то можливе виникнення аварійної ситуації - розгерметизації охолоджуючої порожнини. У запропонованому пристрої за рахунок введення упора така ситуація виключена, що різко підвищує надійність його роботи. 3. Виготовлення в запропонованому вакуумно-дуговому джерелі плазми проставки з матеріалу катода забезпечує досягнення наступного позитивного результату - збереження незмінним теплового режиму катода, що додатково підвищує надійність цього джерела плазми, оскільки воно забезпечує при такій ознаці сталість складу плазмового потоку протягом усього терміну експлуатації катода. У загальному випадку можливе виготовлення проставки з будьякого провідного матеріалу, відмінного від матеріалу катода. Однак при цьому, коли проставка входить в зону охолодження катода і, переміщаючись, буде займати все більшу частину в ній, то внаслідок різних коефіцієнтів теплопровідності матеріалів проставки і катода, буде змінюватися тепловий режим на робочій поверхні катода, що незмінно викличе зміну складу плазмового потоку, а це знижує надійність джерела плазми як джерела з незмінними вихідними параметрами. Виготовлення в запропонованому пристрої проставки з матеріалу катода зберігає незмінним тепловий режим катода, незалежно від ступеня його вироблення, що забезпечує сталість складу плазмового потоку протягом усього терміну експлуатації катода, а отже, підвищує надійність запропонованого пристрою. 2 UA 110120 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таким чином, розглянуті суттєві відмінні ознаки даного технічного рішення в сукупності причинно-наслідкових зв'язків забезпечують досягнення заявленого технічного результату високий коефіцієнт корисного використання матеріалу катода в запропонованому вакуумнодуговому джерелі плазми і підвищення надійності його роботи. На фіг. 1 зображено запропоноване вакуумно-дугове джерело плазми. На фіг. 2 зображений катодний вузол вакуумно-дугового джерела плазми з катодом, який відпрацював свій ресурс. На фіг. 3 показаний варіант виконання упора для зупинки переміщення катода, який відпрацював свій ресурс. Вакуумно-дугове джерело плазми (фіг. 1) містить співвісна встановлені анод 1 і стрижневий витрачуваний катод 2, прикріплений до торця анода 1 за допомогою фланця 3. По боковій поверхні катод 2 охоплює вузол охолодження катода 2, що складається з пустотілого корпусу 4 і ущільнень 5, що герметизують зону охолодження, з можливістю переміщення через вузол охолодження катода 2. Вузол охолодження прикріплений до фланця 3 в центральній його частині. Надходження і відведення охолоджуючої рідини (вода) в зону охолодження катода 2 і з неї забезпечується патрубками 6. До неробочого торця катода 2 співвісно прикріплена проставка 7 так, що її поверхня, яка ізометрична поверхні катода 2, є продовженням поверхні катода 2. До проставки 7 з боку, протилежного катоду, прикріплений упор 8. У торцеву поверхню проставки 7 впирається шток 9, що приводиться в рух кроковим приводом 10. Кроковий привід 10 підключений до блока управління приводом 11. Анод 1 і катод 2 джерела плазми підключені до блока живлення дугового розряду 12. Збудження вакуумно-дугового розряду в джерелі плазми здійснюється блоком підпалу 13, що видає імпульс запуску на вузол підпалу, утворений пусковим електродом 14, який контактує з катодом 2 через ізолятор 15. Електрична розв'язка між анодом 1 і катодом 2 виконана кільцевим ізолятором 16. Для утримання на робочій поверхні катода 2 катодних плям служить соленоїд 17. Для припинення переміщення катода 2 при його повній виробці може використовуватися кінцевий вимикач 18, що спрацьовує від упора 8. Вакуумно-дугове джерело плазми працює таким чином. У початковому стані катод 2 (матеріал титан марки ВТ1-00, діаметр 60 мм, довжина 200 мм) з прикріпленою проставкою 7 (матеріал титан марки ВТ1-00, діаметр 60 мм, довжина 71 мм) встановлено у вузлі охолодження так, що бокова поверхня катода 2 в районі його робочої поверхні контактує з ізолятором 15 вузла підпалу, шток 9 впирається в проставку 7, блок живлення дуги 12 включений, через соленоїд 17 від блока його живлення (на фіг. 1 не показаний) протікає струм, що створює в системі магнітне поле. Об'єм джерела плазми, яке -1 -3 приєднане до вакуумної камери (на фіг. 1 не показана) відкачано до робочого тиску (10 …10 Па). Попередньо виготовляли проставку 7 з матеріалу катода (титан марки ВТ1-00) точно такого ж діаметра і прикріплювали до катода 2 в спеціальній оправці, що забезпечувала її співвісність з катодом 2, вакуумною пайкою припоєм марки SPM-1, а довжину L проставки 7 визначали з умови L=L1-L2 (фіг. 2), де L1 (відстань від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, який відпрацював свій ресурс) рівнялась 72 mm, a L2 (товщина катода, що відпрацював свій ресурс) рівнялась 1 мм, звідси L=71 мм. Запуск вакуумно-дугового джерела плазми здійснювали шляхом подачі імпульсу підпалу на підпалюючий електрод 14 від блока підпалу 13. Пробій по поверхні ізолятора 15, що відбувається при цьому, ініціює вакуумно-дуговий розряд між анодом 1 і катодом 2 джерела плазми. Катодні плями виниклого дугового розряду утримуються на робочій поверхні катода 2 магнітним полем, створюваним соленоїдом 17. У процесі роботи джерела плазми в катодних плямах дуги відбувається утворення плазмового потоку з матеріалу катода 2, який прямує у бік оброблюваних виробів (на фіг. 1 не показані), розміщених у вакуумній камері. Ерозія робочої поверхні катода 2 призводить до винесення маси катода 2, тому для нормальної роботи джерела плазми катод 2 переміщують зі швидкістю його випаровування (швидкість переміщення катода 2 при струмі дуги 100 А відповідала 2,5 мкм за 10 с), що здійснюють за допомогою штока 9, який приводиться в рух кроковим приводом 10 (двигун ШД-5Д1М), керованим блоком управління проводом 11. Так продовжується протягом всього часу роботи джерела плазми. При решті довжини катода в 72 мм проставка 7 підійде до першого ущільнення 5 вузла охолодження катода 2 і потім у міру вироблення катода 2, буде переміщатися в зону охолодження. Виконання проставки 7 з того ж матеріалу, що і катод 2, забезпечує збереження температурного режиму робочої поверхні катода 2, а значить і постійний склад плазмового потоку, що генерується джерелом плазми. При повній виробці катода 2, яка відбувається при його залишку в один міліметр, упор 8, розміщений на прокладці 7, прийде в зіткнення з поверхнею вузла 3 UA 110120 C2 5 10 15 охолодження (фіг. 2) і подальше переміщення катода 2 стане неможливим. На фіг. 3 показаний варіант виконання упора 8, який при повній виробці катода 2 викликає спрацьовування кінцевого вимикача 18, що зупиняє кроковий привід 10. Після повного вироблення катода, проставка 7 може бути знову використана шляхом звільнення її від залишку катода і прикріплення до нового катода тієї ж геометрії, що і попередній. В запропонованому джерелі плазми при довжині проставки 7 в 71 мм і товщині катода, що відпрацював свій ресурс, один міліметр, коефіцієнт використання матеріалу катода дорівнює 99,5 %, а в пристрої-прототипі при тих же параметрах (довжина катода - 200 мм, відстань L1 від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, що відпрацював свій ресурс - 72 мм) коефіцієнт використання матеріалу катода не перевищує 69 %. Таким чином, запропоноване вакуумно-дугове джерело плазми забезпечує досягнення заявлених технічних результатів, а саме, підвищує коефіцієнт корисного використання матеріалу катода (випробуваний зразок підвищив коефіцієнт корисного використання матеріалу катода в порівнянні з прототипом на 30,5 %), а використання упора на проставці і її виготовлення з матеріалу катода підвищує надійність роботи джерела плазми: виключається виникнення аварійних ситуацій з причини розгерметизації зони охолодження катода і забезпечується постійний склад плазмового потоку протягом усього терміну експлуатації катода. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Вакуумно-дугове джерело плазми, яке містить співвісно встановлені анод і стрижневий катод, що витрачається, прикріплений до торця анода, вузол охолодження катода, змонтований поблизу його робочої поверхні у вигляді пустотілого корпусу, що охоплює герметично бічну поверхню катода, вузол переміщення катода, розташований біля його неробочого торця, і вузол підпалу, розміщений поблизу робочої поверхні катода, яке відрізняється тим, що між вузлом переміщення катода і неробочим торцем катода розміщена приєднана до катода проставка, яка має поверхню, яка ізометрична поверхні катода і є її продовженням, і довжину L, яка визначається з умови L=L1-L2, де L1 - відстань від поверхні корпусу вузла охолодження, зверненої до вузла переміщення катода, до робочої поверхні катода, який відпрацював свій ресурс; L2 - товщина катода, що відпрацював свій ресурс. 2. Вакуумно-дугове джерело плазми за п. 1, яке відрізняється тим, що проставка з протилежного від катода торця забезпечена упором для припинення переміщення катода при виробленні катодом ресурсу. 3. Вакуумно-дугове джерело плазми за пп. 1, 2, яке відрізняється тим, що проставка виготовлена з матеріалу катода. 4 UA 110120 C2 5 UA 110120 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 6