Способ получения плазмы металлов с помощью вакуумной дуги

 

Изобретение относится к источникам плазмы для вакуумно-плазменной технологии и может использовано для нанесения покрытий и обработки поверхностей. Целью изобретения является исключение загрязнения плазмы твердыми и жидкими частицами материала катода. Цель достигается тем,, что в способе получения плазмы металлов с помощью вакуумной дуги постоянного тока, горящей в парах металлического катода, измеряют его температуру. Поджиг вакуумной дуги осуществляют после достижения температурой рабрчей поверхности катода тех значений, при которых ток термоэмиссии с этой поверхности не меньше рабочего тока дуги, а концентрация насыщенного пара катодного материала над этой поверхностью не менее , т.е. обеспечивает формирование прикатодного дугового слоя. 3 ил.

„.SUÄÄ А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (31)5 С 23 С 14/32

ГОСУДАРСТВ -„ННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTGPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 кам плазмы для вакуумно-плазменной технологии и может быть использовано для нанесения покрытий и обработки поверхностей. Целью изобретения яв. ляется исключение загрязнения плазмы твердыми и жидкими частицами материала катода. Цель достигается тем, что в способе получения плазмы металлов с помощью вакуумной дуги постоянного тока, горящей в парах металлического катода, измеряют его температуру, Поджиг вакуумной дуги осуществляют после достижения температурой рабОчей . поверхности катода тех значений, при которых ток термоэмиссии с этой поверхности не меньше рабочего тока дуги, а концентрация насыщенного пара катодного материала над этой поверхностыо не менее 10 см, т.е. обеспечивает, формирование прикатодного дугового слоя. 3 ил. (46) 07.05.93. Бюл. 1; 17, (21 ) 4820366/2) (22) 27. 04.90 (71) Институт высоких температур

АН СССР (72) Э.И, Асиновский, С.Я. Бронин, В,П, Полищук, П.F.. Сычев, В.И. Pабашов и И.М. Ярцев.(56) Патент Англии й- 1 133397 кл. С 23. С 13/08, 1968, Аксенов И.И. и др. Формирование потоков металлической плазмы. Обзор.

М,; ЦНИИатоминформ, 1984, Термозмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма./Под ред. Мойжеса В.Г. и Пикуса Г.Е. M.:

Наука, 1973, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ МЕТАЛЛОВ

С ПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОЙ ПУГИ (57) Изобретение относится к источниФ

Изобретение относится к источникам электродного промежутка, заполненного плазмы для вакуумно-плазменной техно- парами катодного материала, при подологии и может быть использовано для - греве .катода измеряют его температуру нанесения покрытий и обработки .по- и зажиг вакуумной дуги осуществляют верхностей. после достижения температурой рабочей

Целью изобретения является исклю- поверхности катода тех значений, при чение загрязнения плазмы твердыми и . которых ток. термозмиссии с этой пожидкими частицами материала катода. верхности не менее рабочего тока дуЦель достигается благодаря тому, . ги, а концентрация насыщенного пара что в способе получения плазмы метал-: .катодного материала над этой поверх- д, И лов с помощью вакуумной дуги посто- ностью не меньше 10 см . янного тока, горящей в парах металли-. При таких температурах обеспечического катода, включающем подогрев вается горение вакуумной дуги (ВД) со катода от внешнего источника и зажиг стационарной диффуэией катодной придуги путем зле вязкой (ЛКП).Исключение загрязнения1730864 потока плазмы БД жидкими и твердыми частицами является результатом отсутствия эрозии катода в виде этих частиц. Последнее является следствием малых плотностей тока (1 =-10-10 Л/см ) и теплового потока (g = 10

10 Бт/см ) у ВД с ДКП, а также ста" ционарности и неподвижности самой

ДКП., (Выбор температуры подогрева катода

Т определяется из условия отсутствйя контрагированной катодной привязки (ККП), Известно, что для существования ВД на катоде должны осуществлятьсл процессы,. приводящие к эмиссии электронов с его поверхности в пллаэму. Прп этом отношение тока эмнттировапных с катода электронов I к току дуги S = I /I х 1. Известно несколько механизмов эмиссии электронов с катода ВД: термоэлектронная, автоэлектронная и термоавтоэлектронная эмиссия. В случае, когда температура поверхности катода недостаточна для того, чтобы обеспечить ток термоэмиссии с .этой поверхности, равный или больший рабочему току дуги, для поддержания дугового разряда необходимо наличие значительных электрических полей Ес (10 -10 ) В/см у поверхности катода. В результате необходимый уровень эмиссии электронов обеспечивается эа счет термоавтоэлектронной или автоэлектронной эмиссии. Однако большие значения Е приводят к значительным величинам плотности тока на катоде () - ГЕ ), а следовательно, к реализации на катоде ККП. Если же температура катода ВД достигает тех значений, при которых ток термоэмиссии с катода Icr равен или больше тока дуги I, то необходимый уровень электронного тока с катода обеспечивается термоэлектронной эмиссией, При указанном условии нет необходимости в. дополнительной автоэлектронной и термоавтоэлектронной эмиссии электронов с катода, а следовательно, в больших значени-, ях Ес и l . В результате вместо контрагированной катодной привязки реализуется ВД с ДКП, Тяким образом, в качестве первого условия для выбора температуры рабочей поверхности катода можно записать Тс 1 „ причем

I (Tñ, - Iq, 55

Таким образом,для осуществления

ВД с ДКП необходимо, чтобы рабочая поверхность катода была нагрета до температур Тс „,„,(Тс„ Т,,-что позволит не только обеспечить плотность плазмообраэующей среды, достаточную для протекания разрядного тока, но и исключить жидкие и твердые частицы

Для протекания тока в прикатодной

Области дугового разряда, работающего в выбранном режиме при ХО,-» I необходима концентрация эаряженных

5 частиц в этой области по=. 10 см

< -з

Известно, что для дугового разряда прикатодное падение потенциала приблизительно равно потенциалу иониэации

1р атомов плазмообразующей среды. Дуговой разряд реализуется, если эмиттирован с катода, и ускоренные в прикатодном слое электроны производят а достаточно эффективную ионизацию ато15 мов в прикатодной области. ЭффективНОсть ионизации. Б" п ь, где cl — коил, центрация атомов у катода; ; — сече. л, ние иониэации атомов электронами. Поскольку величина $ уменьшается с

20 уме ьше «ем и„, существует минимальная концентрация атомов плазмообразуицей среды (в данном случае паров катодного материала), при которой еще может быть реализован дуговой разряд. Для минимальной концентрат ции получена величина 10 см . При меньших концентрацияя характерный для дуги прикатодный слой не образуется и реализуется высоковольтная (недугоЗ0 вая) форма разряда, которая при даль-. нейшем уменьшении концентрации переходит в вакуумную форму, как в вакуумном диоде, %

Зная минимальное значение nS и зависимость v> от Т« можно найти минимальное значение температуры катода Тс из условия обеспечения протекания тока дуги в прикатодной облас- ти, В случае, если пар является иде40 альным газом, то с большой точностью выполняется для рассматриваемых зна%. чении Тс и П5, температуру тс2можно

%. Р (Тс) определить из условия Тс

knз 5 где 1с — постоянная Больцмана; Р(Тс) " зависимость давления насыщенного нара, .катодного материала от температуры.

В качестве второго условия для реализации ВД .с ДКП можно записать Тс h Тс, 50 причем и (Тс ) = 10 см . (% с — с

5 1730864 6 материала катода из плазменного пото- да путем электрического пробоя межка.

На фиг 1 и электродного промежутка заполненного а фиг. 1 представлено устройство, парами материала катода. При этом позволяющее реализовать предложенный ток во время пробоя не превышает ра5 способ; на фиг. 2 показаны рассчцган- бочего тока дуги. После зажига Ejt ные зависимости температуры Тб от включается регулятор 17 температуры тока дуги для катодов из разных мате- катода, например, типа ВРТ-2, который

Риалов, а также опытные обеспечивает, автоматическое поддерэтой температуре на фиг.

P УР, ф г. 3 нанесены 10 жанне температуры катода íà заданно типичные распределения интенсивности уровне (Тс> Т ) ° необходимом для Ре" и поверхности ка- ализации ВДС ДЩ..Это достигается излучения по рабочей пове хно тода, полученные для В и за счет изменения мощности электронноУстройство, позволяющее осущест-. осущест лучевого подогревателя 6. Сигнал, вить заявленный способ состоит из f5 функционально связанный C температувакуумной камеры t откачиваемой рой катода, посгупает в регулятор 17 чеРеэ вакУУМпРцвод 2, катода, выпол" от регистратора .11. .ненного в виде тигля 3 со е д я З,содержащего, экран 8 служит для уменьшения посрабочий материал 4, анода 5 электда ю элект" тупления паров катодного материала 4

Ронно-лучевого подогревателя 6 ка-. 2О бласть электронно лучевого подотода оптических окон 7, охранного

Раиного гревателя 6, а также для исключения .экрана 8, оптического затвора .9 ге— ора 9в г р возникновения электрического разряда метичных изоляционных втулок 10 фоф между электронно-.лучевым подогреватоэлектрических регистраторов 11 исР Р Ров 11е +e телем 6 и электродами дуги. Сопротивисточника 12 электропитания дуги 25

A р я дуги, 25 ление 16 предназначено для.исключе" блока 13 поджига дуги реостата 4

14 . ; ния зарядки вакуумной камеры 1 до вы сокого потенциала рассеянным потоком,, вого подогревателя разрядного соп о"

p, p зрядного conpo . электронов подогревателя 6. Для пода åìnåPaTÓ чи управляющих. сигналов в блоки 13 ры катода. 30 и 17 вместо регистратора 11 может

Устройство .работает следующим об дующим об использоваться аналоги 4ный регистраразом.,Рабочий плазмообразующий мате-. тор, измеряющий температУРУ катода. на боковой поверхности. В этом слувыполненный .из электрonðîâîäÿøåãî . чае должна быть -установлена:функциотугоплавкого материала, наприме 35 нальная связь между температурами вольфрама, тантала или молибдена. Ус- рабочей и боковой поверхностей катотанавливается величина сопротивления да. реостата 14, необходимая для реализа- цо - цу Поток. плазмы металлов, создаваемый

40 Вд, может быть использован для нанегде Б н Г напряжение источника 12 сения покрытий йа изделия, помещенэлектропитания и напряжение горения .ные в вакуумную камеру. Для нанесе" дуги соответственно Откачивают ва- ния покрытий сложного состава (ниткуумную камеру 1 через вакуумпровод ридов, оксидов, карбидов и др.) в ваТорр после . 4» куумную камеру могут подаваться Реак чего исключают источник 15 и с помо- ционные газы {азот, воздух, углекисщью электронно-лучевого подогревате- : лый газ и др.), . ля б осуществляют нагрев рабочего . Ток Х с рабочей поверхности катоес материала 4 катода в тигле 3. С по- . . да площадью Гс можно выразить через мощью фотоэлектрического регистратора 50 плотность тока. термоэмиссии Тес

11 через открытый затвор 9 изыеряют

J j<

Тсъ Т блок 13 поджига нуги обесцечи- Значение и< можно кайтй из давления

+ Ф вает зажиг вакуумной дуги с ДКП между насыщенных паров в ЫТй .

В свою анодом » и рабочим материалом 4 като- 1сТс

f730864

7 очередь, давление Г ехр(-1ф /1сТ ), где Ц ц - теплота испарения атомон.

Таким образом„значение Тс определя+ ется, в первую очередь, такими харак- теристиками катодного материала как

М

Ф (и(Ц . Значение ТС зависит, кроме того, ат Рабочего тока дуги INt и площади Гс.

На фиг. 2 представлены данные о . 1. температуре Тс для ряда катодных мате риалов в зависимости от плотности рабочего тока дуги j o, Из данных

Ф на фиг. 2 следует, что величина Т в существенной степени зависит от типа катодного материала. Для пред". ставленных металлов величина Т+h ь 1700 К. При этом при низких зиаче-

М. .ниЯх 1естемпеРатУРа Тс опРеДелЯетсЯ необходимостью создания требуемой .20 для протекания тока концентрации паров катодного материала, а при высоких значениях — условием обеспечения требуемого тока термоэмиссии с катода, 25

На фиг. 3 нанесены реализованные при Т > Т в представленном на фиг,1 устройстве типичные распределения . интенсивности излучения W no рабочей поверхности катода площадью Рс = .30

= 5 см для Та = 40 А. Эти распределения измерялись с помощь1о сканирующего регистратора спектра МРС-1 через окно

7 при открытом затворе 9, цричем выбиралась такая область спектра, в которой вклад излучения плазмы в изме- ряемое излучение не превышал 10Х. Временный сдвиг между кривыми на фиг. 3 составлял 1 мс. Этот сдвиг мог изменяться от 0,1 мс до нескольких се- 40 кунд, В последнем случае вместо. прибора ИРС-1 использовался Ьотоаппарат

"Зенит .ЕТ. В качестве материала 4 катода использовался редкоземельный металл — гадолиний марки ГДИ"1, кото.рый помещался в тигель 3 иэ молибдена марки И4ВП. Нагрев катода осуще" стнлллся с помощью подогревателя. б мощностью до 1,2 кВт с прямоканальным катодом. Обработка распределений интенсивности Ч(г), подобным тем, что представлены на фиг, 3, показывает, что во всех случаях при Т p T реалиС . зуется достаточное однородное распре" деление температур по катоду с максимальным перепадом температур менее

4Х. То есть s укаэанных случаях отсутствуют характерные для ВД с KKII локальные перегревы поверхности като8 да и реализуется ИД с ДКП. При yC> To о1 сутствуют временные изменения излучения рабочей поверхности катода и пульсации излучения прнкатодной плазмы. В дуге с ДКП отсутствуют также характерные для nvr с ККП колебания напряжения горения. Все это свидетельствует о стационарности и неподвижности ДКП, которая занимала практически всю рабочую поверхность катода, в

В дуге с ДКП эрозия катода осущестлялась только за счет термического

1 испарения, загрязнения плазмы твер-. дыми и жидкими частицами рабочего материала катода не происходилр, Об этом свидетельствовала структура конденсата на специальных подложках, помещаемых в вакуумную камеру вместо затвора 9. Об этом же свидетельствует и тот факт, что измеренная скорость эрозии катода в ВД не превышала скорость термического испарения катодного материала.

Па фиг. 2 нанесены измеренные для катода из гадолиния представленные н виде крестиков значения Тс в эави% симости От плотнОсти тока дУги )ес .

При Тс > Т в представленном на фиг.1

Х устройстве реализуется ВД с ДКП. Иэ фиг. 2 видно, что измеренная зависимость Тс = E(jес) согласУетсЯ с зави% симостью, определенной по предложенному методу. Это подтверждает справедливость предложенного метода определения Т 1 с

Таким образом, заявленный способ позволяет за счет внешнего подогрева катода до температуры Т k Т обеспе" с с чить протекание разрядного тока в . вакууме и одновременно исключить загрязнение плазменного потока, генерируемого ВД твердыми и жидкими частицами материала катода„

Формула изобретения

Способ получения плазмы металлов с помощью вакуумной дуги постоянного тока, горящей в парах металлического катода, включающий подогрев катода от внешнего источника и поджиг дуги путем электрического пробоя межэлектродного промежутка, заполненного парами катодного материала, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью. исключения загрязнения плазмы жидкими и твердыми частицами катода, при подогреве катода измеряют его темпе" ратуру и поджиг вакуумной дуги осу9 1730ÂÜ4 f0

) ществляют после достижения температу-, дуги, а концентрация насыщенного пары рабочей поверхности катоде, прн : ра катодного материала над этой иокоторой ток термоэмиссин с этой по-, веркнос1ъю обеспечивает формирование верхностй не меньше рабочего тока нрикатодного дугового слоя.

3730864

Редактор T. Лошкарева

° Ю Ф

Составитель В. Милославская

Техред М,Моргеитал Еорректор И. Самборская

Ю Ю4ЮВВ4 ВЮФН396ВВ а\ее юа ем «июле» еие ем ее

Заказ 1974 . Тираж Подписное

ВНИИПИ ГосудйрсФвениого комитета по. изобретениям и открмтиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауасиая иаб;, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат ПатеЮ ", г . Ужгород, уи, Гагарина, f01