ДУГОВОЙ ГЕНЕРАТОР ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ С ХОЛОДНЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ Российский патент 2004 года по МПК H05H1/24 H01J27/02 

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах и может быть использовано для формирования поверхностных протяженных твердых диффузионных слоев в металлах и сплавах (азотирование, цементация и др.), ионно-плазменного ассистирования при нанесении упрочняющих и защитных покрытий, плазменно-иммерсионной ионной имплантации, а также ионно-плазменного синтеза покрытий из продуктов разложения сложномолекулярных газов.

Известны генераторы на основе высокочастотного разряда [1] и генераторы с использованием тлеющего разряда [2], позволяющие создавать низкотемпературную газовую плазму в больших объемах. Однако такие генераторы имеют низкую энергетическую эффективность вследствие высокого напряжения горения и функционируют при относительно высоких давлениях газа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом, взятым за прототип, является генератор [3] для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы, в котором в качестве полого анода большого размера используется технологическая вакуумная камера, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термокатода (вольфрамовая спираль) и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с одним из выводов термокатода, помещенных в аксиальное магнитное поле. Катодный узел располагается на одной из стенок вакуумной камеры, а напуск рабочего газа производится через катодную полость.

В таком генераторе при подаче питания к накаленному катоду, постоянного напряжения к разрядному промежутку и установлении необходимого расхода рабочего газа между катодным узлом и анодом зажигается и горит несамостоятельный дуговой разряд низкого давления. Данный тип разряда инициируется электронами, испускаемыми накаленным катодом и ускоренными в катодном падении потенциала. Основным недостатком такого генератора является ограниченный срок службы накаленного катода при больших токах разряда, не превышающий нескольких десятков часов в атмосфере реактивных газов (N₂) и нескольких десятков минут в атмосфере активных газов (О₂, СН₄) вследствие окисления вольфрама и бомбардировки катода ионами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение времени непрерывной работы дугового генератора газоразрядной плазмы, в том числе при работе с химически активными газами.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из вакуумной камеры-анода и полого цилиндрического холодного катода, помещенного в аксиальное магнитное поле, согласно изобретению внутри полого катода размещено инициирующее дугу поджигающее устройство, а на торце катода, обращенного к аноду, расположен дугогаситель.

Кроме того, особенность заявленного генератора плазмы заключается в том, что дугогаситель выполнен в виде стакана с центральным отверстием в своем основании, при этом диаметр центрального отверстия относится к диаметру полого катода как 1:3.

В генераторе плазмы для инициирования и поддержания газового дугового разряда на внутренней поверхности водоохлаждаемого полого катода принудительно формируется катодное пятно, локализованное в максимуме тангенциальной составляющей магнитного поля.

На чертеже схематично представлен пример конструкции предлагаемого генератора плазмы. Генератор состоит из водоохлаждаемого полого катода 1 (диаметром 100 мм и длиной 200 мм), помещенного в продольное магнитное поле короткой магнитной катушки 2. Величина магнитного поля варьируется в пределах 0-2,5×10^-2 Тл. Рабочий газ с расходом 30-100 мПа×м³с^-1 напускается в катодную полость через отверстие 3. Для инициирования катодного пятна используется поджигающее устройство 4 на основе разряда по поверхности диэлектрика. Катодная полость установлена через изолятор 5 на заземленную вакуумную камеру размерами 600×600×600 мм, которая является анодом 6. На торцевой стороне полого катода под плавающим потенциалом установлен дугогаситель 7, выполненный в виде стакана с центральным отверстием в своем основании, при этом диаметр центрального отверстия относится к диаметру полого катода как 1/3. В вакуумной камере на подложкодержателе размещены обрабатываемые детали 8.

Генератор газоразрядной плазмы работает следующим образом. При приложенных напряжениях к поджигающему устройству 4 (U_п) и разрядному промежутку U_р между полым катодом 1 и полым анодом 6 (вакуумная камера) на внутренней поверхности полого катода инициируется катодное пятно и в полом катоде появляется первичная плазма, через которую анодный потенциал проникает в катодную полость, способствуя зажиганию основного дугового разряда между полым катодом и полым анодом. В скрещенных электрическом поле катодного падения потенциала и продольном магнитном поле, создаваемом магнитной катушкой 2, катодное пятно движется по круговой орбите в максимуме магнитного поля по внутренней поверхности полого катода, причем скорость вращения пятна повышается при увеличении магнитного поля. Для того чтобы затруднить выход катодного пятна на торец полого катода и развитие разряда по поверхности изолятора 5, на торце полого катода установлен находящийся под плавающим потенциалом дугогаситель 7. Электроны, испускаемые катодным пятном и ускоренные в катодном падении потенциала, ионизируют рабочий газ, а продукты эрозии катода (микрокапли, атомы и незамагниченные ионы материала катода) оседают на противоположной от катодного пятна стороне полого катода. Это приводит к уменьшению эрозии катода и увеличению времени непрерывной работы генератора плазмы. Перемещение магнитной катушки вдоль полого катода позволяет менять место привязки катодного пятна дуги и рационально использовать внутреннюю поверхность полого катода при работе генератора плазмы за счет равномерного износа катода. Вторичные электроны, выбитые ионами, бомбардирующими внутреннюю поверхность катодной полости, усиливают ионизационные процессы в полом катоде и обеспечивают горение разряда при низких напряжениях и давлениях газа. Проникновению нейтральных частиц материала катода в анодную полость препятствует также механический барьер, образованный дугогасителем, диаметр центрального отверстия которого значительно меньше внутреннего диаметра полого катода. Для некоторой части быстрых ионов металла, движущихся в плазме, имеется некоторая вероятность выхода в анодную полость в результате двух процессов - перезарядки и потери импульса. Однако, как показывают расчеты, вероятность их проникновения в анодную полость не превышает вероятности выхода микрокапель вследствие большой длины свободного пробега быстрого иона, сравнимой с размерами полого катода. В результате испытаний за время работы генератора плазмы в течение t=120 мин (материал полого катода - нержавеющая сталь) было установлено, что при давлении рабочего газа аргона Р=3×10^-1 Па, токе разряда I=90 А, напряжении горения разряда U=45 В и индукции магнитного поля В=0,01 Тл скорость эрозии катода на порядок меньше скорости эрозии вакуумной дуги согласно литературным данным [4]. Количество микрокапель на поверхности стеклянного образца, помещенного в вакуумную камеру (полый анод), на расстоянии 30 см от полого катода приведено в Таблице. При замене рабочего газа аргона на кислород наблюдается более стабильное горение разряда и меньшая скорость эрозии материала катода вследствие перехода горения дуги в режим с катодными пятнами первого рода. Дуговой генератор газоразрядной плазмы с холодным полым катодом испытывали в течение 70 ч непрерывной работы с использованием различных рабочих газов (Ar, N₂, О₂, СН₄, С₂Н₂). Существенной эрозии внутренней поверхности катодной полости и заметного изменения параметров разряда не наблюдалось.

Источники информации

1. Setsuhara Y., Shoji Т., Sakawa Y. and Miyake S., Production of Inductively-Coupled Large-Diameter RF Plasmas Using Multiple Low-Inductance Antenna Units, Proc. Of 25-th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 2001, Nagoya, Japan,Vl, p.19 - 20.

2. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.-И., Бемер 3. Теория и технология азотирования. - М.: Металлургия, 1991, 320 с.

3. RU №2116707, МПК Н 05 Н 1/24,1998, №21.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987, 592 с.

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах. Сущность: другой генератор газоразрядной плазмы состоит из вакууумной камеры-анода и полного цилиндрического холодного катода, помещенного в аксиальное магнитное поле. Внутри полого катода размещено инициирующее дугу поджигающее устройство, а на торце катода, обращенного к аноду, расположен дугогаситель. Технический результат: увеличение времени непрерывной работы дугового генератора газоразрядной плазмы, в том числе при работе с химически активными газами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дуговой генератор газоразрядной плазмы, состоящий из вакуумной камеры-анода и полого цилиндрического холодного катода, помещенного в аксиальное магнитное поле, отличающийся тем, что внутри полого катода размещено инициирующее дугу поджигающее устройство, а на торце катода, обращенного к аноду, расположен дугогаситель.2. Дуговой генератор газоразрядной плазмы по п.1, отличающийся тем, что дугогаситель выполнен в виде стакана с центральным отверстием в своем основании, при этом диаметр центрального отверстия относится к диаметру полого катода как d=1/3 D, где d - диаметр центрального отверстия, D - диаметр полого катода.