СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНОГО КОМБИНИРОВАННОГО РАЗРЯДА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H05H1/18 

Описание патента на изобретение RU2277763C2

Изобретение относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы пониженного давления, формируемой вокруг оконечной части электропроводного объекта и может быть использовано для структурных изменений поверхности обрабатываемого объекта, увеличения его износостойкости, повышения адгезии покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы.

Известны комбинированные разряды, возбуждаемые методом наложения сверхвысокочастотного электромагнитного поля на дуговой или коронный разряды при атмосферном давлении (Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., патент РФ №2166240, заявл. 27.04.99 г., МПК Н 05 Н 1/18 «Способ и устройство для получения неравновесной СВЧ-плазмы в газах высокого давления», Лысов Г.В. и др.), однако при пониженном давлении комбинированные разряды данного типа не могут быть реализованы из-за физической природы дугового или коронного разрядов.

Кроме того, известны условия пробоя газа и возбуждения стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), где основными процессами являются: ионизация, получаемая за счет столкновения с молекулами газа электронов, обладающих высокой скоростью колебательного движения; потери электронов в результате диффузии на стенки из разрядного промежутка, рекомбинации и прилипания к нейтральным молекулам. Пробой в газе наступает в определенной области пространства при условии, когда скорость образования электронов даже незначительно превышает скорость потерь, что приводит к резкому возрастанию их плотности. Минимальные пробойные поля в газах при непрерывном режиме генерации на частоте 2,8 ГГц соответствуют давлению 300 Па (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), при импульсном на частоте 2,5 ГГц - давлению 3 Па (Райцын Д.Г., Электрическая прочность. М.: Советское радио, 1977 г.

Традиционные микроволновые плазменные технологии при пониженном давлении предполагают создание некоторого плазменного объема, который затем трансформируется и доставляется до обрабатываемого объекта. В таких системах зона плазмообразования и обрабатываемый объект могут быть значительно разнесены в пространстве, как, например, в установках ионного легирования. При этом большая часть потребляемой энергии затрачивается на создание плазмы и поддержание условий ее генерации, сепарации и доставки активных частиц с заданной энергией до объекта обработки с последующим сканированием пучка по поверхности. При обработке сложнопрофильных поверхностей такой способ формирования и доставки активных частиц плазмы к поверхности объекта не эффективен, т.к. выступающие элементы образуют тени при сканировании ионного пучка.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить эффективную обработку оконечной части электропроводного объекта сложной формы (далее обрабатываемый объект) с целью увеличения их износостойкости, повышения адгезии ранее нанесенных покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы при малых затратах энергии.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что на обрабатываемый объект, имеющий выступающие части или заостренные кромки, подается положительный потенциал, формирующий вокруг оконечной части объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.

Хаотичное тепловое движение электронов, осциллирующих со сверхвысокой частотой электромагнитного поля, в электростатическом поле приобретает направленное движение к положительному электроду (обрабатываемому объекту). Движение электронов в электростатическом поле ведет к наращиванию, как энергии, так и плотности электронов. В этих условиях вблизи оконечной части обрабатываемого объекта баланс электронов восстанавливается, их энергия и плотность возрастают и становятся достаточными для неупругого взаимодействия с тяжелыми частицами газа, тем самым создаются условия для пробоя газа и у оконечной части обрабатываемого объекта появляется светящаяся область плазмы стационарного комбинированного разряда, показанная на фиг.1, 2.

Несветящаяся часть пространства, в котором совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле, является объемным катодом и постоянно подпитывает плазму электронами и отрицательными ионами.

В области внешней границы плазмы 1 (фиг.3) электромагнитная волна сильно затухает в скин-слое в результате эффективной передачи энергии поля электронам, которые в свою очередь передают накопленную энергию через неупругие столкновения тяжелым частицам плазмы. Дальнейший дрейф электронов от скин-слоя во внутреннем объеме 2 осуществляется только под действием нарастающего положительного электростатического поля. В этой области электроны наряду с элементарными процессами способны создавать новые свободные электроны в результате объемной ионизации. В области 3 происходит резкое нарастание электростатического поля, в результате чего процесс объемной ионизации газа перерастает в лавинообразный. Здесь положительные ионы запираются и создают пространственный заряд, который дополнительно ускоряет электроны. Плотность заряженных частиц в этой области увеличивается, а среднее расстояние между ними уменьшается так, что начинает проявляться кулоновское взаимодействие, приводящее к возникновению амбиполярной диффузии, в результате которой электроны начинают тормозиться ионами, а ионы ускоряться электронами, что приводит к формированию локальных потоков электронов и ионов, направленных к поверхности обрабатываемого объекта. Такой поток плазмы оказывает наибольшее воздействие на выступающие части обрабатываемой поверхности, острые кромки, неровности поверхности, где концентрация силовых линий электростатического поля максимальная. Эта область плазмы видна на фиг.2 как яркая полоска.

Управление энергией частиц в потоке плазмы осуществляется путем изменения СВЧ мощности, расположения обрабатываемого объекта и значения положительного потенциала, подаваемого на обрабатываемый объект.

Указанный способ реализован в устройстве, содержащем цилиндрический резонатор, внутренний вакуумируемый объем которого ограничен радиопрозрачным цилиндром, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, источник питания генератора СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на объект обработки, вакуумную систему, систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатора

Обрабатываемый объект 1, как показано на фиг.4, закрепляется в сменной цанге 2 держателя 3, расположенного в камере обработки 4. Часть поверхности обрабатываемого объекта и цанга 2 изолируются радиопрозрачным материалом 5, открытой остается поверхность, подлежащая обработке. Обрабатываемый объект и держатель определенным образом располагаются в камере обработки 4, которая откачивается с помощью вакуумной системы 6 до предельного давления и через систему газонапуска 7 в камере обработки устанавливается рабочее давление технологического газа, например азота. От блока подачи потенциала 8 через герметичный разъем 9, кабель с многослойными элементами защиты 10 и держатель 3 на обрабатываемый объект подается положительный потенциал, определенной величины. От генератора СВЧ-энергии 11 через волноводно-щелевую антенну, свернутую в кольцо, 12 в цилиндрическом резонаторе 13 возбуждаются сверхвысокочастотные электромагнитные колебания. При наложении электростатического и сверхвысокочастотного электромагнитного полей у оконечной части обрабатываемого объекта возникает комбинированный разряд пониженного давления 14.

В зависимости от энергии частиц плазмы можно проводить различные процессы: выглаживание поверхности, полимеризацию с образованием на поверхности плотноупакованной полимерной пленки, диффузионные процессы и легирование, что в совокупности ведет к структурным изменениям на поверхности и в приповерхностном слое обрабатываемого объекта. Результат - изменения микротвердости HV, омического сопротивления, шероховатости по Ra, структуры в объеме до 300 мкм, что приводит к повышению износостойкости поверхности обрабатываемого объекта.

Набор сменных цанг позволяет закрепить в держателе обрабатываемые объекты, например сверла, метчики, пальчиковые фрезы диаметром 0,6-15 мм.

Пример:

Цилиндрический резонатор диаметром 150 мм, длиной 320 мм возбуждается волноводно-щелевой антенной, которая представляет собой свернутый в кольцо волновод сечением 45×90 мм с прорезанными параллельно оси широкой стенки волновода восемью излучающими щелями размером 62×6 мм. На входе волноводно-щелевой антенны установлен рассекатель. В таком устройстве при подаче на сверло диаметром 0,6 мм потенциала 30 В, при рабочем давлении 300 Па, стационарный комбинированный разряд низкотемпературной плазмы возникает при подводимой СВЧ-мощности ˜20 Вт (анодный ток магнетрона 10-12 мА) на частоте 2450 МГц.

Похожие патенты RU2277763C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В СТАЦИОНАРНОМ КОМБИНИРОВАННОМ РАЗРЯДЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ 2009
  • Бржозовский Борис Максович
  • Мартынов Владимир Васильевич
  • Зинина Елена Петровна
RU2428521C2
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН 2004
  • Кузовой Валерий Дмитриевич
  • Кислицына Нина Фёдоровна
  • Генералова Татьяна Борисовна
RU2274963C2
ГЕНЕРАТОР НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ 2006
  • Буков Виталий Иванович
  • Дьяченко Михаил Владимирович
RU2321974C2
УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ 2011
  • Савченко Илья Михайлович
  • Тюрюканов Павел Михайлович
  • Коваленко Юрий Алексеевич
RU2456473C1
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО 1991
  • Достанко А.П.
  • Грушецкий С.В.
  • Вашкевич В.А.
SU1829879A1
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ 2003
  • Шлифер Э.Д.
RU2236721C1
СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ 1991
  • Грущецкий С.В.
  • Достанко А.П.
SU1829774A1
СПОСОБ УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1994
  • Блашков В.И.
  • Горбунов Н.А.
  • Ключарев А.Н.
  • Скребов В.Н.
  • Таратин Б.В.
RU2084984C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА 2008
  • Жерлицын Алексей Григорьевич
  • Шиян Владимир Петрович
  • Медведев Юрий Васильевич
RU2390493C1
Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его реализации 2017
  • Трифанов Иван Васильевич
RU2675732C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 277 763 C2

Реферат патента 2006 года СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНОГО КОМБИНИРОВАННОГО РАЗРЯДА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы пониженного давления. Способ получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления у оконечной части обрабатываемого электропроводного объекта, имеющего выступающие части или заостренные кромки, заключается в том, что на объект подается положительный потенциал. Положительный потенциал формирует вокруг объекта электростатическое поле. На электростатическое поле накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления. Имеется устройство для осуществления этого способа. Это устройство содержит цилиндрический резонатор, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на обрабатываемый электропроводный объект, вакуумную систему и систему напуска газа. Цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной. Волноводно-щелевая антенна свернута в кольцо. Положительный потенциал подается на объект обработки посредством держателя. Держатель расположен в вакуумируемой части цилиндрического резонатора. Группа изобретений позволяет осуществить эффективную обработку оконечной части электропроводного обрабатываемого объекта с целью увеличения их износостойкости, повышения адгезии ранее нанесенных покрытий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 277 763 C2

1. Способ получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления у оконечной части обрабатываемого электропроводного объекта, имеющего выступающие части или заостренные кромки, заключающийся в том, что на объект подается положительный потенциал, формирующий вокруг объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.2. Способ по п.1, заключающийся в том, что источником электронов является объемный катод, возникающий в области, в которой совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле.3. Устройство для получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, содержащее цилиндрический резонатор, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на обрабатываемый электропроводный объект, вакуумную систему и систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2277763C2

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЫ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 1999
  • Лысов Г.В.
RU2166240C2
СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ 1993
  • Бельков Евгений Петрович
  • Иванов Александр Антонович
  • Молодкина Людмила Михайловна
  • Спичкин Георгий Леонидович
  • Старостин Сергей Валерьевич
  • Чистов Ефим Кириллович
  • Шелегедин Владимир Николаевич
RU2102084C1
RU 2058429 C1, 20.04.1996
УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО 0
SU295083A1

RU 2 277 763 C2

Авторы

Сергеев Анатолий Александрович

Зинина Елена Петровна

Кислицына Нина Федоровна

Даты

2006-06-10Публикация

2004-05-24Подача