Вакуумно-дугове джерело плазми

1. Вакуумно-дугове джерело плазми, що включає еродуючий катод, анод, охоплений електромагнітною фокусуючою котушкою, прямолінійний плазмовід, охоплений зовнішньою електромагнітною транспортуючою котушкою, всередині якого розташована внутрішня електромагнітна відхиляюча котушка з осьовим каналом і підключенням її до джерела електроструму зустрічно до C2 2 (19) 1 3 87880 4 високоякісних покриттів різного призначення - зно1984]. Це вакуумно-дугове джерело плазми вклюсостійких, антифрикційних, декоративних, електрочає еродуючий катод, анод, охоплений електромай теплопровідних, електро- й теплоізолюючих та. гнітною котушкою, прямолінійний плазмовід, охопін., а також для поверхневого модифікування малений зовнішньою транспортуючою теріалів опроміненням потоками іонів та/або елекелектромагнітною котушкою, всередині якого розтронів. ташована внутрішня відхиляюча електромагнітна Повнота реалізації надзвичайних можливостей котушка з осьовим каналом, із можливістю підклювакуумної дуги як інструмента для формування чення її до джерела електроструму зустрічно до високоякісних покриттів залежить від того, наскільтранспортуючої котушки. Відхиляюча котушка ки успішно буде вирішена проблема так званих розміщена у кожусі, який забезпечує можливість макрочастинок - краплин та твердих фрагментів протоку охолоджувача. Осьовий канал цієї котушматеріалу еродуючого катода. Потрапляючи на ки з обох кінців закритий торцевими стінками коповерхню виробу, на якому формують покриття, жуха. Прямолінійний плазмовід із зовнішньою такі частинки погіршують його якість, знижують транспортуючою котушкою, внутрішньою відхиляйого службові характеристики. ючою котушкою і кожухом, що її охоплює, утворюВідоме вакуумно-дугове джерело плазми [И.И. ють фільтр для запобігання потрапляння макрочаАксёнов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших стинок на вихід вакуумно-дугового джерела. «Устройство для очистки плазмы вакуумной дуги Транспортуюча й відхиляюча котушки включені от макрочастиц», ПТЭ, №5, 1978, с. 236-237], що зустрічно й генерують трубчастий магнітний потік в включає еродуючий катод і анод, охоплений елекпроміжку між кожухом відхиляючої котушки та платромагнітною котушкою. Для формування потоків змоводом. Уздовж цього потоку в обхід відхиляюочищеної від макрочастинок вакуумно-дугової чої котушки з кожухом плазма транспортується до плазми в цьому джерелі використовують криволівиходу із плазмоводу на поверхню виробу. Зовнінійний фільтр. Він містить у собі трубоподібний шній діаметр відхиляючої котушки обраний таким, плазмовід, зігнутий у вигляді чверті тора, і систему що між робочою поверхнею катода та вихідним магнітних котушок, розміщених уздовж плазмовоотвором плазмоводу відсутня пряма видимість. ду. Заряджені компоненти плазми катодного матеТому макрочастинки, рухаючись прямолінійними ріалу - іони та електрони - транспортуються за траєкторіями, перехоплюються відхиляючою кодопомогою магнітоелектричних полів уздовж критушкою в кожусі і на вихід плазмоводу не потрапволінійного плазмоводу від катода до поверхні ляють. Торцева стінка цього кожуху, звернена до виробу, на якій іони, конденсуючись, утворюють катоду, виконує роль екрана, який перехоплює покриття. Макрочастинки у порівнянні з іонами макрочастинки, які рухаються в напрямку осьового мають дуже велику масу, майже незаряджені, й каналу відхиляючої котушки. тому не реагують ні на магнітні ні на електричні Недоліком пристрою є низька ефективність поля. Рухаючись по прямолінійним траєкторіям пропускання плазми через фільтр. Це обумовлено вони стикаються (можливо декілька разів) з повертим, що значна частина первинного потоку іонів хнею плазмоводу, висаджуються на ній але на втрачається, попадаючи на екран, тобто на торцевихід з фільтра майже не потрапляють. ву поверхню кожуха відхиляючої котушки. Недоліками цього пристрою, які заважають йоЗадачею, на вирішення якої направлений виго широкому застосуванню в практиці високих технахід, є удосконалення вакуумно-дугового джеренологій, є складність. Громіздкість і порівняно нила плазми для зменшення втрат плазми під час її зька ефективність транспортування плазми через фільтрування від макрочастинок і транспортуванкриволінійний фільтр. ня в плазмоводі. Задача повинна вирішуватися Відоме також вакуумно-дугове джерело плазшляхом конструктивних змін, які для досягнення ми [І.І. Аксенов, US, 4 551221, 1981], яке містить зазначеного результату, повинні створити певні циліндричний або конічний катод з робочою повегеометричні та магнітоелектричні конфігурації в рхнею, що випаровується катодною плямою дуги, плазмоводі вакуумно-дугового пристрою. трубоподібний циліндричний анод і електромагнітПоставлена задача вирішується у вакуумноні котушки. Останні утворюють магнітні поля для дуговому джерелі плазми, яке також, як і джерело, утримання катодної плями на робочій поверхні прийняте за прототип, включає еродуючий катод, катода і фокусують плазмовий потік, який емітуанод, охоплений електромагнітною фокусуючою ється катодною плямою. В цьому джерелі внаслікотушкою, прямолінійний плазмовід, охоплений док того, що практично уся іонна складова спрязовнішньою електромагнітною транспортуючою мовується фокусуючим магнітним полем на вихід котушкою, всередині якого розташована внутрішня джерела, а макрочастинки, рухаючись переважно електромагнітна відхиляюча котушка з осьовим у радіальних напрямках, перехоплюються стінками каналом, з підключенням її до джерела електроанода, концентрація макрочастинок у вихідному струму зустрічно до транспортуючої котушки. потоці плазми знижується, а ефективність трансВідповідно до винаходу, осьовий канал відхипортування плазми зростає. Конструкція джерела ляючої котушки відкритий, принаймні з боку катопорівняно проста, але ступінь видалення макрочаду, а всередині цього каналу розміщена перегоростинок із плазми значно нижчий, ніж у попередка, яка перекриває поперечний переріз цього дньому пристрої з криволінійним фільтром. каналу. Більш ефективне видалення макрочастинок із Діаметр осьового каналу відхиляючої котушки, плазми і значне спрощення конструкції властиві або її кожуху, якщо він є, у кращому варіанті повипристрою, що надалі розглядатиметься як протонен бути не меншим за третину її зовнішнього діатип: [I.I. Axenov et al., Canadian Patent №1176599, метра (або зовнішнього діаметра кожуху), а зазна 5 87880 6 чену перегородку треба змістити усередину цього варіанті виконання відхиляючої котушки їй не поканалу відносно його отвору з боку катода на відтрібен кожух, в якому циркулює охолоджувач. стань не меншу за половину його діаметра. Відхиляюча та/або транспортуюча котушки Зазначена перегородка може бути електрично можуть складатися з кількох (принаймні з двох) ізольована від конструктивних елементів джерела. секцій для забезпечення тонкої настройки розпоДля того, щоб відхиляючу котушку можна було ділу магнітних полів в плазмоводі з метою оптимівикористовувати без кожуху, витки, які її утворюзації умов транспортування плазми. ють, можна виготовити з електропровідної трубки Суть винаходу пояснюється графічними матеіз можливістю протоку по ній охолоджувача. ріалами. Транспортуюча котушка може складатися, На Фіг.1 зображена загальна схема пропонуєпринаймні, з двох співвісних секцій. мого пристрою в одному із варіантів його виконанВідхиляюча котушка також може складатися ня без кожуху відхиляючої котушки. принаймні з двох співвісних секцій. На Фіг.2 показаний подовжній переріз відхиЗавдяки зазначеним особливостям винаходу, ляючої котушки у кожусі відповідно до пристрою, на відміну від пристрою-прототипу, в якому вхід до прийнятому за прототип. осьового каналу відхиляючої котушки перекритий На Фіг.3 наведено схему варіанта плазмового екраном (торцевою стінкою кожуха), на якому плафільтра пропонуємого пристрою з секціонованими зма, що надходить від джерела, втрачається, в електромагнітними котушками. пристрої за даним винаходом ця частина плазми На Фіг.4 наведено схему варіанта пропонуємопроходить через відкритий отвір усередину осього пристрою з плазмоводом, який виконує функцію вого каналу котушки. Тут вона взаємодіє з магнітанода джерела плазми, і з перегородкою, розміним полем, що посилюється до центру котушки. щеною на утримувачі всередині осьового каналу Таке поле являє собою так зване "магнітне дзервідхиляючої котушки. кало", яке навіть при невеликих значеннях магнітНа Фіг.5 показане тривимірне зображення ваної індукції ефективно відбиває електронну компоріанта пристрою з трьома генераторами плазми. ненту плазми. Цього достатньо для того, щоб На Фіг.6 зображений подовжній переріз фільтуслід за електронами рухалися у зворотному нара з відхиляючою котушкою, витки якої виготовлепрямку і іони в результаті електростатичної взаєні з трубчастого провідника. модії з негативним просторовим зарядом електроНа Фіг.7 та 8 зображені схеми силових ліній нів, відбитих від магнітного дзеркала. Таким магнітних полів у пропонуємо-му пристрої з двома чином, принцип квазінейтральності плазми при і чотирма секціями транспортуючої котушки відпоцьому зберігається. Отже, частина плазми, що відно. надходить до відхиляючої котушки, не втрачаєтьНа Фіг.9 зображений графік залежності іонного ся. Вона відбивається магнітним дзеркалом, що струму на виході пристрою, що пропонується, від всередині цієї котушки і, змішавшись з основним відстані між вхідним отвором осьового каналу та потоком плазми, направляється до виходу приперегородкою всередині відхиляючої котушки (у строю за допомогою магнітного поля між плазмовідносних величинах). водом і відхиляючою котушкою. Розглянемо варіанти практичного виконання Як показали дослідження, зазначені вище діапропонуємого пристрою. метр осьового каналу відхиляючої котушки і велиВакуумно-дугове джерело плазми, схема якого чина зміщення перегородки всередину цього казображена на Фіг.1, складається з генератора планалу забезпечують оптимальний процес відбиття зми і плазмового фільтра. До складу генератора плазми відхиляючою котушкою і, як наслідок, підплазми входить еродуючий катод 1, з матеріалу вищення ефективності проходження плазми до (металу, сплаву або графіту) для утворення відповиходу пристрою. відної плазми, анод 2, та стабілізуюча й фокусуюСлід також зазначити, що плазма, яка рухача електромагнітні котушки 3 і 4. Фільтр містить ється точно уздовж осі пристрою, не відбивається прямолінійний плазмовід 5, зовнішню транспортузгаданим вище магнітним дзеркалом і безперешючу електромагнітну котушку 6 і внутрішню відхикодно потрапляє до перегородки всередині каналу ляючу електромагнітну котушку 7. Усередині осьокотушки й осаджується на цій перегородці. Якщо вого каналу 8 котушки 7 розміщена перегородка 9. ця перегородка електрично ізольована, то, внасліВідстань від вхідного отвору осьового каналу кодок більш високої рухливості, електрони в більшій тушки 7 до цієї перегородки не менша за половину кількості, ніж іони, потрапляють на неї. Вона набудіаметра її каналу 8, а цей діаметр не менший за ває негативного плаваючого потенціалу, який третину зовнішнього діаметра котушки 7. Пристрій утруднює подальше "витікання" електронів (а відвихідним отвором 10 плазмоводу пристикований так - і іонів) з плазми перед відхиляючою котушдо робочої камери технологічної установки (на кою. Отже, втрати плазми внаслідок її "витікання" Фіг.1 не показана), всередині якої проти зазначеуздовж осі всередину відхиляючої котушки зменного вихідного отвору 10 розміщений виріб 11, шуються. поверхня якого обробляється. Живлення вакуумЯкщо витки відхиляючої котушки виготовити з но-дугового розряду між катодом 3 та анодом 4 електропровідної трубки із забезпеченням можлиздійснюється від джерела струму 12. Підпалюючий вості протоку по ній охолоджувача, то її можна пристрій (на Фіг.1 не показаний) будь-якого відомобуде примусово охолоджувати рідиною або газом, го типу розміщений біля катоду 3. За допомогою що дасть можливість посилити електричний струм джерела напруги 13 забезпечується можливість у котушці для підсилення магнітного поля і, відпоподачі на плазмовід 5 примусового позитивного відно, його відбиваючої дії на плазму. При такому потенціалу зміщення. Живлення котушок 3, 4, 6 і 7 7 87880 8 здійснюється від джерел струму 15, 16 і 14. Зовнішній діаметр котушки 7 обраний таким, що вихідρ=V^/w=V^mc/qB. ний отвір 10 плазмоводу 5 знаходиться поза прямої видимості з робочої поверхні катода 1. На Фіг.1 Тут V^ - складова швидкості частинки, перпензона відсутності прямої видимості зі зазначеної дикулярна напрямку магнітного поля з індукцією В. поверхні катода знаходиться між двома штрихоЯкщо магнітне поле обране таким, що виконувими лініями праворуч від котушки 7. Транспортується ліва частина нерівності (1), то електрони, юча й відхиляюча котушки 6 і 7 можуть підключавільно рухаючись уздовж ліній магнітного поля із тися до джерел живлення 16 і 14 зустрічно, тобто подовжньою швидкістю V//, на стінки плазмоводу 5 так, щоб струми у витках цих котушок протікали в і котушки 7 потрапити не можуть, бо їх поперечний протилежних напрямках. направлений рух у магнітному полі перетворився в Описаний пристрій працює наступним чином. круговий з ларморівським радіусом re значно При заданому тиску залишкової атмосфери або меншим за відстань до зазначених стінок. У таких робочого газу (зазвичай у межах від 10 до 10-3Па) випадках говорять, що електрони плазми замагніта при ввімкнутих джерелах живлення 12-16 вакучені. умно-дугового розряду та котушок за допомогою Що ж стосується позитивно заряджених іонів підпалюючого вузла в генераторі плазми між анометалу, з яких складається іонна складова плаздом 2 і катодом 1 підпалюється дуговий розряд. ми, то ці важкі частинки (маса іона титану, наприКатодна пляма розряду дією магнітного поля, що клад, вища за масу електрона у 88000 разів) на генеруються котушкою 3, утримується на робочій магнітне поле в проміжку між плазмоводом 5 і коповерхні катода 1. Ця катодна пляма емітує плазтушкою 7 майже не реагують тому, що їх лармомовий потік, що складається з електронів, позитирівський радіус rі є більшим за ширину d цього вних іонів та макрочастинок катодного матеріалу. проміжку, і тому іони з швидкістю V^i мали б рухаЦей потік магнітним полем котушки 4 направлятись поперек магнітного поля до стінок зазначеноється у бік плазмоводу 5. Діянням поля, що утвого проміжку. Але цього не трапляється, бо іони рюється котушками 4 і 6, плазмовий потік входить утримуються електростатичним полем негативноу плазмовід. Тут усереднена в часі периферійна го просторового заряду замагнічених електронів і частина потоку без перешкоди дрейфує плазморазом з ними рухаються уздовж магнітного поля ведучим трактом, який утворюється проміжком з до виходу 10 і далі - до поверхні виробу 11. При кільцевим поперечним перерізом між плазмовоцьому виконується принципова умова квазінейтдом 5 і котушкою 7, уздовж магнітного поля, утворальності плазми. Слід зазначити, що найбільш реного зустрічно увімкнутими котушками 6 і 7. Сивисокоенергетичні іони все ж переборюють силу лові лінії цього поля на Фіг.1 схематично зображені притягання замагнічених електронів і потрапляють тонкими безперервними лініями. У той же час зана стінки плазмоводу 5, заряджаючі їх позитивно. значене магнітне поле унеможливлює рух заряЦей позитивний заряд стінок утворює в проміжку джених частинок плазми до стінок плазмоводу 5 і додаткове електростатичне поле, що перешкоповерхні котушки 7. джає рухові подальших порцій іонів до стінки патМеханізм транспортування плазми від робочої рубку і, таким чином, сприяє зменшенню втрат цих поверхні катоду 1 через плазмоведучий тракт до частинок при проходженні плазми через плазмовихідного отвору 10 може бути описаний наступвід. ним чином. Для пристроїв за даним винаходом, що мають Інтенсивність магнітних полів, що утворюються ширину d проміжку між плазмоводом і відхиляюкотушками 3, 4, 6 і 7 вибирають такою, щоб викочою котушкою від кількох сантиметрів до десяти нувалась умова: сантиметрів, співвідношення (1), яке забезпечує оптимальні умови транспортування плазми через (1) re