Способ ускорения плазменного потока

 

Изобретение относится к технике ускорения плазменных потоков и может быть использовано в различных технологических операциях по воздействию плазменных потоков на поверхность изделий таких, как напыление, распыление, имплантация и импульсная закалка. Целью изобретения является повышение скорости плазменного потока заключается в осуществлении импульсного дугового разряда между торцовой поверхностью катода и полым анодом, подключенными к источнику электропитания. Геометрические характеристики разрядного промежутка, давление в разрядном промежутке и параметры источника электропитания выбирают таким образом, чтобы скорость нарастания тока разряда была выше 10⁷A/c. 3 ил.

Изобретение относится к технике ускорения плазменных потоков и может быть использовано в различных технологических операциях по воздействию плазменных потоков на поверхность изделий таких, как напыление, распыление, имплантация и импульсная закалка. Известен способ ускорения плазменного потока, по которому зажигают дуговой разряд между катодом и анодом с помощью поджигающего электрода, а для стабильного горения дуги при малых токах используют дополнительный анод, охватывающий нерабочую поверхность катода. Наиболее близким к изобретению является способ ускорения плазменного потока, в котором при горении дугового разряда между торцовым катодом и полым анодом в вакууме поток плазмы, генерируемый в катодных пятнах, приобретает направленную скорость ≈10⁶ см/с. Недостатком этого способа является то, что энергия частиц в потоке зависит только от материала катода и не превышает 150 эВ, поэтому в этом способе плазменный поток может использоваться только для напыления. Чтобы использовать такой плазменный поток для импульсной закалки, распыления или имплантации необходимо прикладывать дополнительное электрическое поле для доускорения ионов, последнее не всегда возможно и наталкивается на серьезные технические трудности. Целью изобретения является повышение скорости плазменного потока и зарядности ионов в нем. Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу ускорения плазменного потока зажигают дуговой заряд в разрядном промежутке между торцовой поверхностью катода и полым анодом, подключенным к источнику электропитания. В отличие от известного в предлагаемом способе осуществляют импульсный заряд, при этом геометрические характеристики разрядного промежутка, давление в разрядном промежутке и параметры источника электропитания подбирают таким образом, чтобы скорость нарастания тока разряда была выше 10⁷ А/с. На фиг. 1 показана одна из возможных принципиальных схем питания ускорителя плазмы, работающего по предлагаемому способу, и схемы измерения скорости разлета плазмы и ее состава; на фиг. 2 приведены результаты расчета скорости разлета плазмы в зависимости от скорости роста тока для медного и алюминиевого катодов; на фиг. 3 масс-спектрограммы состава плазмы по предлагаемому способу di/dt 2x x10⁸ А/с. Схема содержит катод 1, поджигающий электрод-анод 2, керамику 3, экспандер 4, отверстие 5 в экспандере, коллектор 6, токовый шунт 7 для измерения ионного тока I_i, пояс 8 Роговского для измерения тока дуги I_д, разделительный трансформатор 9, масс-спектрометр 10, источник 11 высокого напряжения. Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом. Через разделительный трансформатор 9 подают высокое напряжение между катодом 1 и поджигающим электродом-анодом 2, при этом происходит пробой по поверхности изолятора 3, а между торцевым катодом 1 и поджигающим электродом-анодом 2 зажигается дуговой разряд. Параметры источника питания дугового разряда и разделительного трансформатора таковы, в данном примере конкретного выполнения предлагаемого способа, что позволяли создавать импульсы тока дугового разряда в диапазоне 2˙10⁸-10⁹ А/с. Импульс тока дугового разряда измеряется поясом Роговского 8 и подается на вход двухлучевого осциллографа. Плазма импульсного дугового разряда, разлетаясь в экспандере 4, достигает эмиссионного отверстия 5, где из нее отбирается ионный ток попадающий на коллектор 6 под действием источника 11 высокого напряжения. Регистрация ионного тока коллектора осуществляется активным шунтом 7, для чего сигнал, снимаемый с этого шунта, подается на второй вход двухлучевого осциллографа. Часть пучка проходит через отверстие в коллекторе 6 и попадает в масс-спектрометр 10. Из фиг. 2 следует, что скорость размера быстрой компоненты плазмы работает с ростом di/dt и достигает (2,5 и 1,5)˙10⁷ см/с соответственно для меди и алюминия при di/dt 10⁹ А/с, что в пересчете на энергию одноразрядных ионов составляет 21 кэВ для меди и 3,5 кэВ для алюминия. На фиг. 3 представлена масс-спектрограмма снятия для медного катода при di/dt 2˙10⁸ A/c, из масс-спектрограммы следует, что в условиях высокой скорости тока существенно повышается средняя зарядность ионов. Причем практически исчезают ионы с зарядностью L 1˙2 2.

Формула изобретения

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА, заключающийся в зажигании дугового разряда в разрядном промежутке между торцовой поверхностью катода и полым анодом, подключенными к источнику электропитания, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости плазменного потока и зарядности ионов в нем, осуществляют импульсный разряд, при этом геометрические характеристики разрядного промежутка, давление в разрядном промежутке и параметры источника электропитания подбирают таким образом, чтобы скорость нарастания тока разряда была выше 10⁷ А/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 27-1999

(73) Патентообладатель:Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Договор № 8510 зарегистрирован 12.04.1999

Извещение опубликовано: 27.09.1999