ПЛАЗМЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к физике плазмы и может быть использовано в различных плазменных устройствах для накопления и удержания плазмы.

Известен способ и устройство для обработки, в частности нанесения покрытий на подложки, с помощью плазменного разряда [1] Согласно этому способу плазменный разряд формируется с помощью электрода. С одной стороны подложки устанавливается магнитная система для формирования магнитной ловушки, осуществляющей "шнурование" плазмы, которая удерживается над покрываемой поверхностью.

Недостатком этого устройства является слишком сложное техническое воплощение в реальную конструкцию.

Наиболее близкими к изобретению являются способ и устройство нанесения тонких слоев покрытия на подложку [2] Для нанесения тонких слоев покрытия используется источник плазмы, содержащий электроды, помещенные в специальную камеру с относительно высоким давлением. Эти камеры соединены диффузором, пропускающим ионы напыляемого вещества.

Недостатком данного устройства является высокая себестоимость выпускаемой продукции и практическая невозможность изготовления деталей из продуктов испаряемого материала.

Недостатком устройства-прототипа является сложная кинематика получения низкотемпературной плазмы, а также неспособность устройства группировать компоненты плазмы и удерживать плазму делительное время с требуемыми геометрическими параметрами.

Задачей изобретения является создание плазменного устройства, способного управлять низкотемпературной плазмой, группировать ее, накапливать и удерживать длительное время.

Задача достигается тем, что источник плазмы включает электронно-лучевую пушку и мишень из плазмообразующего материала, установленную перпендикулярно излучению электронно-лучевой пушки, при этом между пушкой и мишенью размещены цилиндрическая камера, соединенная с диффузором, и насадка в виде конфузора, причем диффузор и конфузор соединены между собой малыми основаниями, а на торцовой стенке цилиндрической камеры закреплен патрубок для ввода излучения из электронно-лучевой трубки в диффузор, при этом патрубок выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого пространственно совмещена с торцовым сечением диффузора, а в стенке цилиндрической камеры выполнены два сквозных отверстия.

На фиг. 1 приведена конструкция, плазменного устройства; на фиг. 2 плазменный сгусток во внутреннем объеме устройства.

Устройство состоит из диффузора 1, соединенного малым основанием 2 с конфузором 3, камеры 4 с отверстиями 5 и 6, верхней стенки 7, в которую вставлен патрубок 8, выполненный в виде усеченного конуса с вершиной 9, закрепленный с помощью гаек 10, камеры 11 с отверстиями 12 для дополнительной откачки внутреннего объема устройства, хомуте 13 с крепежными элементами 14, электронно-лучевой пушки 15, внутреннего отверстия конической формы 16 в патрубке с сужающейся наружной поверхностью 17, вакуумного объема (камеры) 18, мишени 20 и подвижного стола 21.

Устройство включается и работает в следующей последовательности. Первоначально патрубок 8 устанавливается в устройстве таким образом, чтобы вершина 9 усеченного конуса совместилась с малым основанием 2 диффузора 1. Затем включаются откачные агрегаты (не показаны). Одновременно откачивается электронно-лучевая пушка до давления 6,65˙10^-3 Па. После получения в вакуумном объеме 18 давления порядка 6,65 Па (низкий вакуум) включается в работу электронно-лучевая пушка 15.

Электронный пучок 19, попадая на мишень 20, изготовленную, например, из алюминиевого сплава АМг6, создает канал проплавления, в котором образуется низкотемпературная плазма с высокой концентрацией элементарных частиц, порядка (10¹⁸-10²⁰ ) см^-3. С частотой, равной 10⁴-10⁶ Гц, из канала проплавления выбрасывается плазменный поток 24. Так как электронный пучок 19 при своем движении вращается, то образуемая низкотемпературная плазма, двигаясь со скоростью порядка 10⁵ см/с, также совершает вращение в обратную сторону вращения электронного пучка 19. Ввиду того, что весь парогазовый поток сначала поступает в конфузор, а вершина 9 усеченного патрубка размещена на стыке конфузора 3 и диффузора 1, во внутреннем объеме диффузора 1 образуется стоячая волна 25 (одновременно изменяются температура, давление и плотность потока). Толщина стоячей волны (скачок уплотнения) измеряется десятыми долями миллиметра. За счет того, что электронный пучок 19 создает вокруг себя вращающееся электромагнитное поле, низкотемпературная плазма, попадая во внутренний объем конфузора 3, преобразуется во вращающийся сгусток 22 с внутренним каналом 23. Происходит мгновенная передислокация всех элементарных частиц по массовым числам каждого элемента за счет центростремительного ускорения и центробежной силы, образуемых во время вращения плазменного сгустка.

При этом плазменный сгусток 22 все время пополняется плазмой, транспортируемой из канала проплавления во внутренний объем конфузора 3, в котором она удерживается на протяжении всего рабочего цикла за счет пульсирующей стоячей волны 25, ударной волны, исходящей из канала проплавления мишени 20 и разности давлений между внутренним объемом конфузора 3 и давлением над обрабатываемой мишенью 20, установленной в вакуумном объеме (камере) 18. Вращению парогазового потока помогают два отверстия 5 и 6, расположенные в одной плоскости в камере 4, за счет разницы давлений и скорости истечения из внутреннего объема диффузора 1.

Так как все компоненты алюминиевого сплава АМг6 имеют разные температуры плавления и разные парциальные давления в парообразном состоянии, а также различные массовые числа, то их вращение происходит по разным траекториям вокруг плазменного сгустка 22. Угол α вершины усеченной части патрубка 8 и габариты поверхности 17 патрубка 8 определяют свободный объем, во внутренней полости диффузора 1, для конденсации элементов испаряемого материала во время обработки электронным пучком 19 мишени 20. Все линейные размеры устройства: l₁, l₂ и l₃ определяются исходя из расстояния между электронно-лучевой пушкой 15 и мишенью 20. Это расстояние выдерживается в пределах от 150 до 250 мм и устанавливает общий габаритный размер устройства в интервале от 120 до 180 мм, а размер l₁ от 30 до 35 мм зависит от величины ускоряющего напряжения.

Вся робота, которую производит при своем вращении сгусток, затрачивается на вращение первого потока и самого сгустка. Контакт сгустка со стенками устройства практически не происходит. Элементы парового потока, вращаясь каждый по своей траектории, спокойно конденсируются на стенках устройства без диффундирования в кристаллическую решетку материала устройства, которое выполнено из нержавеющей стали, например из стали марки 12Х18Н9Т. Стенки устройства нагреваются не более чем на 200-300^оС, хотя средняя температура парового потока может быть более 5000^оС, т. е. значительно выше, чем температура плавления материала, из которого изготовлено устройство.

После окончания рабочего цикла компоненты испаряющегося материала, осевшие на стенках устройства, легко удаляются.

Пример выполнения и опробирования плазменного устройства в вакуумном объеме характеризуется. Следующими параметрами:
установка с источником "КАФА-270" с ЭЛА 60/60;
ускоряющее напряжение 60 кВ;
рабочий ток 200 мА;
обрабатываемый материал АМг 6;
скорость движения детали 35 м/ч;
время удержания плазменного сгустка 30 мин;
давление в камере 6,65 Па;
температура стенок ловушки 205^оС.

Температура парового потока измерялась пирометром, использующим инфракрасное излучение. Известно, что температура паровой фазы материла АМг6 примерно равна 2440^оС. Для регистрации формирования плазменного сгустка и его удержания внутри конфузора была использована скоростная киносъемка. В диффузоре 3 были для этой цели выполнены пазы, через которые в смотровое окно установки производилась киносъемка, а затем были выполнены фотографии плазменного сгустка, удерживаемого внутренним объемом устройства.

Таким образом, практическая реализация изобретения очевидна. Процесс накопления и удержания плазмы может быть использован в плазменных устройствах, в которых необходимо поддерживать высокую плотность плазменного сгустка длительный период времени при обработке рабочей мишени электронным пучком.

Использование: в машиностроении, в частности в плазменных устройствах для изготовления деталей, нанесения покрытий. Сущность изобретения: устройство содержит электронно-лучевую пушку 15, мишень 20 из плазмообразующего материала, диффузор 1, соединенный малым торцовым основанием с конфузором 3, и цилиндрическую камеру 4 с отверстиями 5 и 6. На цилиндрической камере 4 закреплена камера 11 с отверстиями 12 для дополнительной откачки внутреннего объема. Соосно электронно-лучевой пушке внутри устройства расположен усеченный патрубок 8, вершина которого пространственно совмещена с торцовым сечением диффузора. Через патрубок 8 электронной луч 19, который вращается во внутреннем отверстии патрубка, попадает на мишень 20 и испаряющееся вещество мишени в виде плазменного образования, вращающегося относительно электронного луча, попадает внутрь конфузора. Плазма внутри последнего оседает на его стенках, при этом в зависимости от времени работы пушки 15 образуется покрытие требуемой тощины. 2 ил.

ПЛАЗМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее источник плазмы, диффузор и цилиндрическую камеру, отличающееся тем, что источник плазмы включает электронно-лучевую пушку и мишень из плазмообразующего материала, установленную перпендикулярно излучению электронно-лучевой пушки, при этом между пушкой и мишенью размещены цилиндрическая камера, соединенная с диффузором, и насадка в виде конфузора, причем диффузор и конфузор соединены между собой малыми основаниями, а на торцевой стенке цилиндрической камеры закреплен патрубок для ввода электронного пучка из электронно-лучевой трубки в диффузор, при этом патрубок выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого пространственно совмещена с торцевым сечением диффузора, причем в стенке цилиндрической камеры выполнены два сквозных отверстия.