ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии и может быть применено для нанесения покрытий.

В последние годы широкое распространение получила технология нанесения покрытий, основанная на применении потоков металлической плазмы, получаемых с помощью вакуумно-дуговых устройств с интегрально-холодным катодом. Использование данной технологи позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию.

Вакуумно-дуговой разряд горит в парах материала катода, на поверхности которого образуются микропятна, в зоне которых температура материала, как правило, превышает температуру кипения. Пятна хаотически перемещаются по поверхности и их скорость перемещения лежит в диапазоне от десятых долей до нескольких десятков метров в секунду. Плотность тока в катодных пятнах имеет порядок 1. E9. 1. E10 А/м², что и вызывает интенсивное испарение катода, обеспечивающее высокую эффективность процесса горения разряда [1, 2] Создание ваккумно-дуговых источников плазмы требует решения задачи удержания катодных пятен на рабочей поверхности катода.

Известно и широко применяются вакуумно-дуговые источники плазмы с коаксиальной системой электродов и внешней магнитной системой стабилизации катодных пятен [3,4] В этом случае используются закономерности движения катодных пятен во внешнем неоднородном магнитном поле: катодные пятна вакуумной дуги в достаточно сильном магнитном поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом, движутся в "антиамперовском" (обратном) направлении, т. е. смещаются в сторону острого угла [5] Использование стабилизирующей катушки ведет к удержанию катодных пятен на рабочей поверхности катода и формированию расходящегося плазменного потока.

Известны также источники плазмы со стабилизацией катодных пятен арочным магнитным полем [6] В этом случае катодные пятна, двигаясь по правилу "острого угла", локализуются под вершиной магнитной арки и циркулируют по замкнутой траектории.

Описанные источники плазмы генерируют аксиально-симметричные потоки, что не всегда удобно для практического применения. Для обработки длинномерных изделий требуется создание вакуумно-дуговых устройств, формирующих протяженные потоки.

Известна типичная конструкция протяженного испарителя [7] состоящего из протяженного цилиндрического катода с токоподводом и анодом, функции которого выполняет вакуумная камера, кроме того, катод снабжен поджигающим электродом и дугогасящим экраном. При горении дуги на движение катодных пятен оказывает влияние магнитное поле токов, протекающих через плазму и через катод. Силовые линии магнитных полей, создаваемых этими токами, тангенциальны поверхности катода. Катодные пятна перемещаются от поджигающего электрода в сторону токоподвода, имея составляющие как продольного перемещения вдоль катода, так и азимутальную компоненту, обеспечивающую их вращение вокруг оси катода, которая, однако, носит хаотический неуправляемый характер. Достигнув при перемещении дугогасящего экрана, катодные пятна попадают в зазор между катодом и экраном, что приводит к погасанию дугового разряда. К недостаткам данной конструкции следует отнести хаотический характер движения катодных пятен по рабочей поверхности катода, что приводит к получению на обрабатываемом изделии покрытия, неравномерного по толщине.

Известна конструкция испарителя со стержневым катодом, в котором локализацию катодных пятен обеспечивают с помощью магнитных полей двух встречно включенных соленоидов [8] За счет изменения тока в соленоидах осуществляется сканирование катодных пятен по длине рабочей зоны катода. К недостаткам данной конструкции следует отнести необходимость специальных электронных средств управления перемещением катодных пятен, усложняющих установку.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является устройство, описанное в [9] в котором источник состоит из протяженного электрического катода, внутри которого вдоль его оси расположен набор постоянных магнитов, намагниченных в осевом направлении. Катод имеет токоподвод и снабжен поджигающим электродом и двумя дугогасящими экранами. Функции анода выполняет вакуумная камера. Удержание катодного пятна на боковой поверхности цилиндрического катода осуществляется магнитным полем "арочной" конфигурации. Для усиления "арочных" свойств создаваемого магнитного поля используется магнитопровод, расположенный между магнитами. Формируемое магнитное поле представляет собой набор "арок" от отдельно взятых магнитов, при этом магнитное поле ориентировано так, что составляющие его вектора индукции лежат в плоскости, параллельной оси катода.

При горении дуги на движение катодных пятен оказывает влияние как магнитное поле постоянных магнитов, так и поле токового канала в плазме и поле тока, текущего по катоду. Катодные пятна перемещаются от поджигающего электрода в сторону токоподвода, имея составляющие как продольного перемещения в сторону токоподвода, так и азимутальную компоненту, обеспечивающую их вращение вокруг оси катода под "аркой" магнитного поля. При равных напряженностях магнитного поля под "арками" происходит сканирование катодных пятен из одной зоны в другую случайным образом [3] что вносит неуправляемость в характер их продольного перемещения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание ввакуумно-дугового источника плазмы с упорядоченным характером движения катодных пятен по рабочей поверхности катода, обеспечивающим равномерное нанесение покрытий на длинномерные изделия.

Сущность изобретения заключается в том, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем цилиндрический катод, магнитную систему, дугогасящий экран, поджигающий электрод и анод, магнитная система выполнена в виде спирали, установленной соосно катоду, витки которой охватывают его рабочую поверхность, при этом один из вводов магнитной системы соединен с положительным полюсом источника питания дугового разряда, а другой заземлен.

Предлагаемое устройство отличается от известного следующим. В известном устройстве магнитное поле формируется с помощью набора магнитов кольцевой формы, магнитное поле которых имеет "арочную" конфигурацию. Перемещение катодных пятен осуществляется как в азимутальном направлении под "аркой" магнитного поля, так и в продольном от "арки" к "арке". При этом перемещение катодных пятен в продольном направлении происходит случайным образом.

В предлагаемом устройстве движение катодных пятен носит упорядоченный характер за счет их локализации на рабочей поверхности при помощи магнитного поля, создаваемого магнитной системой, выполненной в виде спирали и охватывающей рабочую поверхность катода, в момент пропускания через нее разрядного тока.

На фиг. 1 показана конструкция вакуумно-дугового источника плазмы; на фиг. 2 диаграммы тока и напряжения, поясняющие работу вакуумно-дугового источника плазмы.

Принцип действия предлагаемого вакуумно-дугового источника плазмы основан на управлении движением катодных пятен с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого протяженной магнитной системой в виде спирали. При протекании разрядного тока по виткам спирали, охватывающей рабочую поверхность катода, создается магнитное поле, которое обеспечивает управляемый характер перемещения катодных пятен до дугогасящего экрана.

Предлагаемый вакуумно-дуговой источник плазмы (фиг.1) состоит из охлаждаемого протяженного цилиндрического катода 1, токоподвода 2, электрически изолированного о катода 1, токоподвода 2, электрически изолированного от катода 1 дугогасящего экрана 3 и поджигающего электрода 4. Вакуумная камера 5 выполняет функции анода. Протяженная магнитная система 6 выполняется в виде спирали, витки которой охватывают рабочую поверхность катода 1. В рабочем объеме камеры 5 установлен планетарный механизм перемещения 7, который приводится в движение двигателем 8. Обрабатываемые изделия 9 вращаются вокруг своей оси на электрически изолированных дисках 10.

Отрицательный полюс источника питания дуги 11 подключен через балластное сопротивление к токоподводу 2 протяженного катода 1. Положительный полюс источника питания 11 подключен к вводу магнитной системы 6 со стороны поджигающего электрода 4, другой ввод заземлен и имеет потенциал анода. Магнитная система спираль 6 выполнена из медной трубки диаметром 5 мм и имеет принудительное водяное осаждение. Конструкция снабжена источником 12, вырабатывающим импульсы поджига.

Фиг.2 иллюстрирует работу вакуумно-дугового источника плазмы. В исходном состоянии (интервал времени t0.t1) напряжение холостого хода U xx источника питания 11 приложено отрицательным потенциалом к катоду 1, а положительным к вводу магнитной системы 6, которая другим вводом со стороны токоввода заземлена. При подаче импульса во времени t1.t2 на поджигающий электрод 4 происходит образование катодных пятен и локальное заполнение межэлектродного пространства плазмой вакуумно-дугового разряда между катодом 1 и анодом 5.

Время жизни катодных пятен на поверхности катода 1 определяется временем t1. t3 их движения к дугогасящему экрану 3. Движение катодных пятен в этом случае носит упорядоченный характер за счет локализации их на рабочей поверхности катода 1 магнитным полем, создаваемым магнитной системой 6 при протекании по ней тока дугового разряда I_разр I_сол. При попадании катодных пятен в зазор дугогасящего экрана 3 (момент времени t3) происходит погасание дугового разряда и система в течение времени t3.t4 возвращается в исходное состояние. Интервал t1.t3 между поджигающими импульсами устанавливается большим или равным среднестатистическому времени жизни катодных пятен на поверхности катода.

Осаждение плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии 9, расположенном на пути его движения. Распределение плотности ионного тока вдоль оси катода 1 имеет равномерный характер. Упорядоченный характер движения катодных пятен по поверхности катода 1 обеспечивает получение покрытия, равномерного по высоте обрабатываемого изделия 9.

Предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства с протяженным цилиндрическим катодом длиной 300 мм была опробована для нанесения покрытия на длинномерные изделия высотой 300 мм. Неравномерность покрытия не превышала единиц процентов.

Сущность изобретения: вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный цилиндрический катод, протяженную магнитную систему, дугогасящий экран, поджигающий электрод и анод, снабжен протяженной магнитной системой, выполненной в виде спирали, установленной соосно катоду, витки которой охватывают его рабочую поверхность, при этом один из вводов магнитной системы соединен с положительным полюсом источника питания дугового разряда, а другой заземлен. 2 ил.

Вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод, протяженную магнитную систему, поджигающий электрод, дугогасящий экран и анод, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде спирали, установленной соосно с катодом, витки которой охватывают его рабочую поверхность, при этом один из вводов магнитной системы соединен с положительным полюсом источника питания дугового разряда, а другой заземлен.