Эрозионный плазменный ускоритель

 

Эрозионный плазменный ускоритель, содержащий соосно расположенные катод, анод, дополнительный полый кольцевой электрод с отверстиями для подачи плазмообразующего газа, основной источник питания, соединенный с катодом и анодом, и генератор импульсов, соединенный с катодом и дополнительным полым электродом, отличающийся тем, что, с с целью повышения надежности возбуждения разряда, дополнительный полый кольцевой электрод выполнен с вогнутой сферической поверхностью, обращенной к катоду с центром, совмещенным с центром торца катода, отверстия для подачи плазмообразующего газа расположены на вогнутой сферической поверхности, их оси проходят через центр сферической поверхности, размеры рядом расположенных отверстий различны, а симметричных относительно оси катода - одинаковы, при этом размеры отверстий выбраны из условия обеспечения струйного истечения газа где U - пропускная способность отверстий, м³/c; r_о - радиус отверстий, м; l - длина отверстий, м; η - коэффициент динамической вязкости газа, н/м²·c; P₁ и P₂ - соответственно давления в полости дополнительного электрода и в ускорителе, мм рт.ст.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для получения тонких пленок в технологии. Известен эрозионный плазменный ускоритель, содержащий катод, анод, источник питания, соединенный с катодом и анодом, кольцевой электрод, соединенный с положительным полюсом генератора импульсов и металлизованный изолятор между катодом и кольцевым электродом [1] Недостатком этого ускорителя является низкая стабильность нанесения покрытий и большие энергозатраты из-за инициирования дугового разряда взрывом тонкопленочного проводника на поверхности изолятора, характеризующегося нестабильностью. Кроме этого, эрозия изолятора снижает качество покрытий. Наиболее близким к изобретению является известный эрозионный плазменный ускоритель, содержащий соосно расположенные катод, анод, дополнительный полый кольцевой электрод с отверстиями для подачи плазмообразующего газа, основной источник питания, соединенный с катодом и анодом, и генератор импульсов, соединенный с катодом и дополнительным полым электродом [2] Недостатком этого ускорителя является зависимость возбуждения дугового разряда от давления рабочего газа в вакуумной камере и полости ускорителя в объеме между катодом и дополнительным полым кольцевым электродом, что приводит к срыву возбуждения дугового разряда в условиях, не соответствующих оптимальным условиям электрического пробоя по закону Пашена, и как следствие, к уменьшению стабильности нанесения покрытий и увеличению энергозатрат при повторных возбуждениях разряда. Целью изобретения является повышение надежности возбуждения разряда. Цель изобретения достигается тем, что в эрозионном плазменном ускорителе, содержащем соосно расположенные катод, анод, дополнительный полый кольцевой электрод с отверстиями для подачи плазмообразующего газа, основной источник питания, соединенный с катодом и анодом, и генератор импульсов, соединенный с катодом и дополнительным полым электродом, последний выполнен с вогнутой сферической поверхностью, обращенной к катоду с центром, совмещенным с центром торца катода, отверстия для подачи плазмообразующего газа расположены на вогнутой сферической поверхности, их оси проходят через центр сферической поверхности, размеры рядом расположенных отверстий различны, а симметричных относительно оси катода одинаковы, при этом размеры отверстий выбраны из условия обеспечения струйного истечения газа:
где U пропускная способность отверстий, м³/сек;
r_o радиус отверстий, м;
l длина отверстий, м;
η коэффициент динамической вязкости газа, н/м²·c;
P₁ и P₂ соответственно давления в полости дополнительного электрода и в ускорителе (мм рт.ст.). На чертеже представлен эрозионный плазменный ускоритель. Он состоит из катода 1, анода 2, дополнительного кольцевого электрода 3 с отверстиями 4 для подачи плазмообразующего газа, системы подачи газа 5, основного источника питания 6, генератора импульсов 7, магнитной катушки 8, вакуумной камеры 9, в которой размещен ускоритель. Эрозионный плазменный ускоритель работает следующим образом. С помощью откачной системы производят вакуумирование камеры 9 до давления 10^-6 мм. рт. ст. Затем из газовой магистрали системы подачи 5 в полый кольцевой электрод 3 подают рабочий газ (реактивный или инертный), который, выходя из отверстий 4 электрода 3, поступает в вакуумную камеру. В зависимости от состава и свойства получаемых покрытий, а также от рода газа регулирование расхода газа, и следовательно, его давления в вакуумной камере осуществляют изменением давления газа в газовой магистрали системы подачи 5 и в полости электрода 3. При этом между электродом 3 и катодом 1 в соответствии с количеством отверстий в полом электрод 3 и за счет малого их диаметра, определяемого вышеуказанной зависимостью, возникают газовые микроструи, образующие градиенты концентрации газовых частиц в промежутке катод
дополнительный полый электрод 3. В результате выполнения отверстий на сферической поверхности, центр которой совпадает с центром торцовой поверхности катода, газовые микропотоки в промежутке катод дополнительный электрод 3 перекрываются и накладываются друг на друга в области катода 1. Из-за вероятностного характера распределения концентрации частиц газа при таком выполнении отверстий в коллекторе в каждый момент времени между катодом и дополнительным электродом возникают локальные зоны в виде слоев газа, отличающиеся концентрацией газовых частиц, причем в каждом таком слое концентрация частиц газа постоянна. Благодаря такому распределению концентрации всегда имеется зона с благоприятными условиями пробоя по Пашену в области между дополнительным кольцевым электродом и катодом. Чтобы расширить диапазон возможных локальных значений концентраций частиц газа в промежутке дополнительный электрод катод и увеличить число слоев и тем самым обеспечить условие стопроцентного пробоя этого промежутка, рядом расположенные отверстия 4 дополнительного полого электрода 3 выполнены с различными радиусами. Для равномерного распределения концентрации частиц газа в плоскости кольцевого дополнительного полого электрода и для получения равномерных по толщине и однородных по составу покрытий сложного состава, образуемых за счет осуществления реакции плазмохимического синтеза между плазмой испаряемого материала и используемыми реактивными газами (например, N₂, O₂, CH₄) симметричные относительно оси катода отверстия коллектора выполнены с одинаковыми радиусами. При подаче импульса напряжения от генератора 7 на дополнительный полый кольцевой электрод 3 происходит пробой газа. Он инициирует зажигание вакуумной дуги между торцовой поверхностью катода 1 и анодом 2, испарение материала в катодных микропятнах дуги и генерацию плазмы этого материала. При помощи магнитной катушки 8 производят сжатие, фокусировку и ускорение плазменного потока в направлении к подложке 10, на поверхности которой происходит конденсация плазмы, приводящая к образованию покрытия. После прекращения вакуумной дуги на дополнительный полый кольцевой электрод 3 через интервал времени, соответствующий выбранной частоте работы, снова подают положительный импульс напряжения от генератора 7, вновь происходит пробой по газу между дополнительным электродом 3 и катодом 1, и цикл нанесения покрытия повторяется. Изменяя частоту следования инициирующих импульсов, а также начальное напряжение источника питания 6 дугового разряда, можно в широких пределах регулировать среднюю скорость генерирования плазмы, и соответственно, скорость роста покрытия на подложках 10. Эрозионный плазменный ускоритель может работать и от стационарного источника питания дугового разряда. При испытаниях предлагаемого эрозионного плазменного ускорителя были получены покрытия из титана, циркония, молибдена, нитридов титана и циркония, окиси алюминия. В качестве подложек были выбраны ситалл и быстрорежущая сталь Р6М5. Покрытия были получены при следующих параметрах плазменного ускорителя: начальные напряжения на электродах ускорителя 300-600 В, длительность импульса дугового разряда 100-200 мкс, частота следования инициирующих импульсов 1-100 Гц, давление рабочих газов в вакуумной камере 10^-4 10^-2 мм рт. ст. В зависимости от давления и рода газа амплитуда импульсного напряжения между дополнительным электродом и катодом устанавливалась в пределах 300-800 В и не менялась в процессе экспериментов. Были использованы два вида дополнительных полых кольцевых электродов: в одном из них с помощью луча лазера было выполнено восемь отверстий: четыре с R 0,1 мм и четыре с R 0,005 мм; в другом было выполнено двенадцать отверстий, четыре с R 0,005 мм и по четыре с R 0,01 мм и с R 0,05 мм. Отверстия с одинаковыми радиусами были размещены симметрично относительно общей оси катода. Рядом расположенные отверстия в дополнительном электроде были выполнены с различными радиусами. При задаваемом отклонении рабочего давления в камере в пределах 10^-1 мм рт. ст. вероятность срабатывания плазменного ускорителя была равной 100%
Таким образом, данный эрозионный плазменный ускоритель обладает более высокой надежностью возбуждения плазмы и стабильностью в процессе нанесения покрытий, кроме того, позволяет уменьшить материальные и энергетические затраты в широком диапазоне давлений в вакуумной камере. Предложенный эрозионный плазменный ускоритель для нанесения покрытий в вакууме может быть использован в различных областях техники, например, в машиностроении, микроэлектронике, оптике, где требуется получение высококачественных покрытий простого и сложного составов.

Формула изобретения

Эрозионный плазменный ускоритель, содержащий соосно расположенные катод, анод, дополнительный полый кольцевой электрод с отверстиями для подачи плазмообразующего газа, основной источник питания, соединенный с катодом и анодом, и генератор импульсов, соединенный с катодом и дополнительным полым электродом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности возбуждения разряда, дополнительный полый кольцевой электрод выполнен с вогнутой сферической поверхностью, обращенной к катоду с центром, совмещенным с центром торца катода, отверстия для подачи плазмообразующего газа расположены на вогнутой сферической поверхности, их оси проходят через центр сферической поверхности, размеры рядом расположенных отверстий различны, а симметричных относительно оси катода одинаковы, при этом размеры отверстий выбраны из условия обеспечения струйного истечения газа

где U пропускная способность отверстий, м³/c;
r_о радиус отверстий, м;
l длина отверстий, м;
η коэффициент динамической вязкости газа, н/м²·c;
P₁ и P₂ соответственно давления в полости дополнительного электрода и в ускорителе, мм рт.ст.

РИСУНКИ

Рисунок 1