Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле



Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле
Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле
Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле
Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле
H05H1/24 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2642847:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение срока службы трубчатого самонакаливаемого полого катода в аксиально-симметричном магнитном поле. Способ повышения ресурса катода основан на изменении условий горения разряда в катодной полости при наложении резко неоднородного осесимметричного магнитного поля. С помощью кольцевых постоянных магнитов создают резко неоднородное магнитное поле, максимум которого располагается в плоскости выходной апертуры катода, в результате чего активная зона разряда, характеризующаяся максимальной плотностью тока эмиссии и скоростью эрозии катода, локализуется на торцевой поверхности катода. Повышение ресурса катода обеспечивается созданием условий, при которых износ катода происходит не только в радиальном, но и в продольном направлении путем перемещения катода или магнитов по мере эрозии катода, при котором сохраняется положение максимума магнитного поля в плоскости торца катода. Генератор плазмы на основе разряда с самонакаливаемым полым катодом может быть использован как в магнетронных системах нанесения покрытий для повышения плотности тока ионного сопровождения, так и в устройствах химического осаждения покрытий для плазменной активации процессов взаимодействия реагентов в рабочем объеме. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике генерации плотной плазмы в больших объемах с помощью газоразрядных систем с твердотельным катодом и может быть использовано в устройствах физического и химического нанесения покрытий с ионным сопровождением, в частности в магнетронных распылительных системах.

Известно применение разряда с самонакаливаемым полым катодом (далее по тексту - катод) в источниках заряженных частиц и генераторах плазмы [1]. Катод был изготовлен из ниобиевой или танталовой трубки диаметром 3,2 мм и работал при токах до 8,5 А. Особенностью функционирования такого катода является неравномерное распределение температуры и плотности тока эмиссии по внутренней поверхности катодной полости [2]. Катодные процессы локализуются в области «активной зоны» с размерами, которые обычно составляют несколько диаметров катодной полости. С увеличением тока разряда и потока газа через сужение активная зона смещается в направлении выходной апертуры катода. Интенсивная ионная бомбардировка катода приводит к преимущественной эрозии катода в области активной зоны, поэтому ресурс катода определяется временем распыления катода на всю толщину стенки.

Поскольку рост тока разряда и, соответственно, плотности тока на катоде увеличивает скорость распыления катода, для увеличения его ресурса используют катоды большого диаметра с увеличенной толщиной стенки [3]. Катод из гексаборида лантана с внутренним диаметром 15 мм и толщиной стенки 2 мм работал при токах разряда до 30 А. Ресурс такого катода увеличивается пропорционально толщине стенки и диаметру катода.

Одним из основных требований к генератору плазмы при его использовании в устройствах для нанесения покрытий наряду с высокой плотностью генерируемой в разряде плазмы является низкое давление рабочего газа, что обеспечивает большую длину пробега распыленных или испаренных частиц, формирующих покрытие. Снижение давления газа в разряде с самонакаливаемым катодом до 0,015 Па достигается применением осесимметричных магнитных полей [4].

Наиболее близкий к заявляемому метод генерации плазмы реализован в устройстве, в котором полый катод помещен в магнитное поле, создаваемое магнитной катушкой или комбинацией магнитной катушки и кольцевых постоянных магнитов [4]. В разряде с полым катодом внутренним диаметром 4 мм и максимальной индукцией магнитного поля на оси до 100 мТл был достигнут ток до 300 А. Поскольку положение активной зоны разряда определяется ионизационными процессами в катодной полости, наложение магнитного поля должно влиять на положение активной зоны, а степень неоднородности магнитного поля - на размер активной зоны. В статье не приводится результатов исследования влияния топографии магнитного поля на размеры активной зоны, однако из проведенных авторами заявки исследований следует, что с ростом неоднородности магнитного поля продольный размер активной зоны сокращается, что уменьшает ресурс катода. Очевидно, по этой причине в способе-прототипе используется комбинация магнитной катушки и постоянного магнита, которая создает поле с меньшей неоднородностью, чем поле постоянного магнита. Поскольку наложение магнитного поля не меняет механизм эрозии катода, его ресурс также будет определяться толщиной стенки и диаметром катода и будет сокращаться примерно обратно пропорционально току разряда. Если исходить из сделанной в [5] оценки ресурса трубчатого ниобиевого катода диаметром 8 мм с толщиной стенки 1 мм при токе разряда 10 А и скорости эрозии катода 1⋅10-7 г/Кл, который составил 360 ч, то ресурс катода в устройстве-прототипе с внутренним диаметром 4 мм и толщиной стенки 4 мм при токе разряда 300 А с учетом сокращения ширины активной зоны с ростом тока разряда в магнитном поле составит менее 20 ч.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле.

Сущность изобретения заключается в том, что при использовании неоднородного осесимметричного магнитного поля активная зона разряда локализуется в области максимума магнитного поля, в которой обеспечивается максимальная частота ионизации газа быстрыми электронами, эмитированными катодом и ускоренными в катодном слое пространственного заряда. Увеличение степени неоднородности магнитного поля, которое достигается использованием постоянных магнитов с осевой намагниченностью, создающих магнитное поле с инверсией направления поля вдоль оси, приводит к сокращению продольного размера активной зоны. При произвольном расположении активной зоны внутри катода это ускоряет эрозию катода на всю толщину стенки и резко сокращает ресурс катода. Однако при таком взаимном расположении катода и постоянных магнитов, когда кромка катода находится в области максимума магнитного поля, активная зона локализуется на кромке катода. Если по мере износа кромки катода перемещать магниты и катод относительно друг друга, то эрозия катода будет происходить не только в радиальном направлении и ограничиваться толщиной стенки, а будет определяться допустимым перемещением катода и магнитов в осевом направлении, которое может составлять значительную часть полной длины катода. Это обеспечит многократный рост ресурса катода.

На фигуре 1 схематично показан катод (1.1) с установленным с наружной стороны катода за тепловым экраном (1.2) постоянным магнитом (1.3) и распределение продольной составляющей магнитного поля вдоль оси катода, которое характеризуется наличием двух точек инверсии поля и максимумом осевой составляющей индукции поля в точке пересечения оси катода с плоскостью симметрии магнита.

Предложенный способ был реализован в электродной системе (фигура 2) с катодом из нитрида титана в форме трубки длиной 50 мм с внутренним диаметром 12 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Катод (2.1) был установлен внутри водоохлаждаемого корпуса (2.2). На внешней поверхности корпуса располагались два постоянных магнита (2.3) из самарий-кобальтового сплава с размерами 50×36×8 мм. Напротив одного торца катода установлена система поджига разряда и подачи газа, с противоположной стороны катода, напротив его выходной апертуры, устанавливали экранный электрод (2.4) под плавающим потенциалом и цилиндрический анод (2.5). Через катодную полость прокачивали поток газа 40-100 см3/мин (азот, аргон или их смесь). После подачи импульса поджига (5 кВ, 50 мкс) зажигается слаботочный высоковольтный тлеющий разряд с полым катодом, который по мере разогрева термоизолированного катода переходит в сильноточный (до 80 А) низковольтный (30-40 В) режим горения, обеспечиваемый термоэлектронной эмиссией катода. Испытания подтвердили, что активная зона располагается в области максимума поля и может быть перемещена на расстояния порядка 20 мм при изменении положения магнитов. При размещении центра магнитной системы в плоскости кромки катода разряд на катоде локализуется в кольцевой области шириной 5 мм вблизи кромки катода. Испытания показали, что вывод активной зоны из катодной полости на кромку катода не нарушает стабильного устойчивого горения разряда. Укорочение катода на 50 мм не повлияло на стабильность горения разряда. Прямоугольная форма кромки катода после длительных испытаний катода трансформируется в остроугольную, что показано на фиг. 3, и такая форма рабочей кромки сохраняется при длительной работе катода, обеспечиваемой перемещением постоянных магнитов.

Гравиметрические испытания показали, что магнитное поле практически не влияет на скорость уноса массы катода из нитрида титана, которая составляла 2,3⋅10-7 г/Кл при расположении активной зоны внутри катодной полости, однако ресурс катода в магнитном поле (20 ч) был на порядок ниже, чем в разряде без магнитного поля из-за уменьшения ширины активной зоны и роста скорости распыления в максимуме плотности тока. Измеренная скорость уноса массы для катода из нитрида титана с локализованной на кромке катода активной зоной составила 1,6⋅10-6 г/Кл, что может быть обусловлено выносом материала катода с торцевой поверхности в разрядный промежуток, в отличие от обычного разряда, в котором распыленные атомы преимущественно осаждаются на противоположной стенке катодной полости. Измеренная линейная скорость эрозии катода в экспериментах с размещением активной зоны на торце катода составила 0,5 мм/ч при токе разряда 50 А. При рабочей длине катода, в пределах которой было возможно относительное перемещение катода и магнитов, равной 50 мм, соответствующий расчетный ресурс катода составил 100 ч.

В результате, несмотря на повышение скорости эрозии торцевого катода в неоднородном магнитном поле, за счет большой длины относительного перемещения катода и магнитов и реализации условий износа катода не только в радиальном, но и в продольном направлении ресурс самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле может быть повышен в несколько раз.

Таким образом, изобретение существенно расширяет возможности способа генерации плазмы в разряде с полым самонакаливаемым катодом, позволяя многократно увеличить время работы генератора плазмы без замены дорогостояшего катода или повысить ток разряда и плотность плазмы без существенного сокращения ресурса катода. Это позволит повысить производительность устройств нанесения покрытий с ионным сопровождением и улучшить качество покрытий.

Сущность изобретения демонстрируется фигурами.

Фигура 1. Распределение продольной составляющей магнитного поля вдоль оси разрядной системы, где 1.1 - катод, 1.2 - тепловой экран, 1.3 - магниты, 1.4 - цилиндрический анод.

Фигура 2. Электродная схема разрядной системы, где 2.1 - катод, 2.2 - водоохлаждаемый корпус, 2.3 - кольцевые магниты, 2.4 - экранный электрод, 2.5 - цилиндрический анод, 2.6 - поджигающий электрод, 2.7 - тепловой экран.

Фигура 3. Профиль кромки катода: а) до испытаний, б) после испытаний.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение:

1. Gushenets V.I., Bugaev A.S., Oks Е.М., Schanin Р.М, and Goncharov A.A. Self-heated hollow cathode discharge system for charged particle sources and plasma generators. Review of Scientific Instruments. - 2010. - V. 81, 02B305.

2. Delcroix J.L., Trindade A.R. Hollow cathode arc. Advances in Electronics and Electron Physics. - V. 37. - 1974. - p. 87-190.

3. Child D., Gibson D., Placido F., Waddell E. Enhanced hollow cathode plasma source for assisted low pressure electron beam deposition processes. Surface & Coatings Technology. - 2015. - V. 267. - P. 105-110.

4. Fietzke F., Morgner H., Gunther S. Magnetically enhanced hollow cathode - a new plasma source for high-rate deposition processes. Plasma Process. Polym. 2009, 6, S242-S246.

5. Гаврилов H.В., Меньшаков А.И. Источник широких электронных пучков с самонакаливаемым полым катодом для плазменного азотирования нержавеющей стали. Приборы и техника эксперимента. - 2011. - №5. - С. 140-148.

Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле постоянных кольцевых магнитов, отличающийся тем, что с помощью постоянных кольцевых магнитов с аксиальной намагниченностью создают резко неоднородное магнитное поле с инверсией направления продольной составляющей поля, максимум которой располагают в плоскости кромки самонакаливаемого полого катода, что приводит к локализации разряда в области максимума магнитного поля и преимущественной эрозии кромки самонакаливаемого полого катода, по мере износа которой самонакаливаемый полый катод и постоянные магниты перемещают таким образом, чтобы максимум магнитного поля постоянно находился в области кромки самонакаливаемого полого катода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам исследования локальных параметров плазмы в газоразрядных источниках плазмы. В заявленном способе локальной диагностики максвелловской плазмы с помощью одиночного цилиндрического зонда Ленгмюра предусмотрено введение в газоразрядное пространство тонкого зондодержателя с зондом на конце в виде отрезка металлической нити, подключенной через источник зондового напряжения к металлическому корпусу газоразрядного устройства или дополнительному опорному электроду.

Изобретение относится к области генерирования плазмы. Устройство содержит по меньшей мере два коаксиальных волновода (4), каждый из которых сформирован из центрального проводника (1) и внешнего проводника (2) для направления сверхвысокочастотных волн в камеру обработки.

Изобретение относится к способу и системе для нанесения покрытий на подложку. В системе узел нанесения покрытия расположен внутри вакуумной камеры.

Изобретение относится к области плазменно-электромагнитного воздействия на различные виды материальной среды, расположенной как на близком, так и значительном расстояниях от излучателя.

Изобретение относится к наукоемкой технологии и может быть применено для плазменно-электромагнитного воздействия на различные виды материальной среды, расположенной как на близком, так и значительном расстояниях от излучателя.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для плазменной обработки термочувствительных поверхностей, стерилизации, а также для дезинфекции раневых поверхностей и стимулирования процессов их заживления.

Изобретение относится к плазменной и медицинской технике и может быть использовано для активации иммунного ответа и процессов заживления, уменьшения микробного обсеменения инфицированных ран и язв, их обеззараживания неравновесной аргоновой плазмой атмосферного давления без инициации новых полирезистентных штаммов, для лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.

Изобретение относится к соединительному компоненту для сборки в головку горелки для обработки материалов. Этот соединительный компонент содержит цилиндрический корпус, который включает в себя проксимальный конец и дистальный конец, определяющие продольную ось.

Изобретение относится к области плазменной техники. Источник (1) плазмы, предназначенный для нанесения покрытия на подложку (9) и выполненный с возможностью соединения с источником (Р) энергии, содержит электрод (2), магнитный узел (4), находящийся на периферии упомянутого электрода и содержащий совокупность магнитов, соединенных между собой магнитной опорой (46), включающий в себя по меньшей мере первый и второй центральные магниты (43, 44) и по меньшей мере один головной магнит (45), электрически изолирующую оболочку (5), расположенную таким образом, чтобы окружать электрод и магниты.

Изобретение относится к области плазменной техники. Устройство включает в себя ускоритель плазмы с воронкообразным участком высокой степени сжатия, отходящим от входа ускорителя, и вытянутым участком, соединенным с воронкообразным участком высокой степени сжатия, который может располагаться между концом воронкообразного участка и выходом ускорителя.

Газоразрядный прибор содержит разделенные разрядным промежутком и установленные в изолирующем корпусе противостоящие высоковольтные электроды (ВЭ). Рабочая часть, по крайней мере, одного из ВЭ изготовлена в виде слоистой металлической структуры, которая выполнена из базового высокопроводящего слоя, рабочего металлического слоя и расположенного на периферии над поверхностью базового слоя второго металлического слоя с относительно низкой проводимостью, имеющего контакт с базовым слоем в центральной части.

Изобретение относится к газоразрядной технике. .

Изобретение относится к источникам УФ и ВУФ излучения на основе барьерного разряда в инертных газах и их смесях с галогенами. .

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных приборов, например разрядников-обострителей и коммутационных разрядников для малогабаритных импульсных рентгеновских аппаратов.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при создании плазменных дисплеев и других устройств с барьерным разрядом, например газовых лазеров.

Изобретение относится к низковольтным вакуумным средствам отображения информации на основе катодолюминесценции и может быть использовано для создания экранов, цифровых и буквенно-цифровых индикаторов, универсальных панелей для визуального отображения текстовой знаковой, графической информации, счетных устройств, аналоговых и дискретно-аналоговых измерительных приборов, а именно для индикаторов, используемых в калькуляторах, часах, индикаторных табло коллективного пользования.

Изобретение относится к приборам тлеющего заряда с холодным катодом, в частности к газоразрядным индикаторным панелям постоянного тока и методам их изготовления. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве разрядных источников света низкого давления, в частности люминесцентных ламп.

Изобретение относится к физике высоких плотностей энергии и термоядерного синтеза и может использоваться при получении мощных потоков мягкого рентгеновского излучения. Многопроволочный лайнер содержит анод и катод с токопроводяшими деталями, систему токопроводящих проволочек, соединенных с токопроводяшими деталями анода и катода и расположенных в направляющих. Образующие поверхности токопроводящих деталей электродов плавно сопряжены с внешней поверхностью электродов и обработаны с чистотой поверхности по классу не ниже 13. На сопряженных поверхностях установлены накладки, в которых выполнены направляющие для проволочек в виде прорезей. Техническим результатом является точность позиционирования проволочек, составляющая ±1 мкм; уменьшение вероятности повреждения проволочек при сборке, монтаже и транспортировке устройства. 2 ил., 3 пр.

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение срока службы трубчатого самонакаливаемого полого катода в аксиально-симметричном магнитном поле. Способ повышения ресурса катода основан на изменении условий горения разряда в катодной полости при наложении резко неоднородного осесимметричного магнитного поля. С помощью кольцевых постоянных магнитов создают резко неоднородное магнитное поле, максимум которого располагается в плоскости выходной апертуры катода, в результате чего активная зона разряда, характеризующаяся максимальной плотностью тока эмиссии и скоростью эрозии катода, локализуется на торцевой поверхности катода. Повышение ресурса катода обеспечивается созданием условий, при которых износ катода происходит не только в радиальном, но и в продольном направлении путем перемещения катода или магнитов по мере эрозии катода, при котором сохраняется положение максимума магнитного поля в плоскости торца катода. Генератор плазмы на основе разряда с самонакаливаемым полым катодом может быть использован как в магнетронных системах нанесения покрытий для повышения плотности тока ионного сопровождения, так и в устройствах химического осаждения покрытий для плазменной активации процессов взаимодействия реагентов в рабочем объеме. 3 ил.

Наверх