Способ генерации низкотемпературной плазмы в узких протяженных металлических трубках Российский патент 2023 года по МПК H01J37/317 C23C8/36 H01J37/34 

Изобретение относится к плазменной технике, а точнее, к средствам для генерации низкотомпературной плазмы в узких протяженных металлических трубках посредством газового разряда в среднем вакууме. Изобретение может найти применение для ионно-плазменной обработки внутренней поверхности полостей металлических изделий, такой как очистка поверхности от примесей промышленного характера и упрочнения поверхности посредством ионно-плазменного азотирования, оксидирования или цементирования широкого спектра металлов и сплавов.

Известно множество [1-3] газоразрядных систем, предназначенных для генерации низкотемпературной плазмы, оказывающей ионно-химическое воздействие на поверхность металлических изделий, отличающихся как диапазоном давления рабочего газа и режимом обработки (постоянный или высокочастотный), так и способом генерации плазмы и нагрева в процессе модификации обрабатываемой поверхности [1-3]. Однако большинство данных систем успешно применяется для модификации лишь внешних поверхностей изделий.

Генерация плазмы в узких протяженных полостях металлических трубок поперечным размером в несколько миллиметров и длиной в десятки сантиметров требует совокупного решения проблем проникновения плазмы в полость и обеспечения ее однородности по всей длине полости. Обе эти проблемы осложнены тем фактором, что газоразрядная плазма отделена от обрабатываемого изделия, на которое подается отрицательный относительно плазмы потенциал, слоем пространственного заряда, препятствующим как проникновению плазмы в полость, так и ее дальнейшему распространению. Именно поэтому заполнение узкой протяженной полости однородной по всей длине газовой плазмой возможно лишь при обеспечении условий дополнительной ионизации рабочего газа непосредственно внутри полости.

Известен способ [4], в котором генерация плазмы в полости металлической трубы осуществляется магнетронным разрядом, зажигаемым между внутренней поверхностью трубы и дополнительным разрядным электродом - анодом, расположенным на оси трубы. Инициирование вакуумного магнетронного разряда между электродами производится путем создания разности потенциалов между катодом-изделием, изготовленным из немагнитной нержавеющей стали, и анодом, изготовленным из немагнитного материала с длиной не меньше длины обрабатываемого изделия, при наложении на разрядную зону скрещенного с электрическим магнитного поля, создаваемого соленоидом, окружающим трубу. Недостатком такого подхода является ограничение минимального диаметра внутренней поверхности трубы из-за необходимости монтирования внутренних дополнительных электродов.

В отсутствии дополнительных внутренних электродов, генерация плазмы в узкой полости металлического изделия может производиться путем зажигания газового разряда при высоких давлениях рабочего газа. Так, известен способ [5], в котором плазма внутри трубки генерируется аномальным тлеющим разрядом при давлениях рабочего газа в несколько сотен паскалей. Наработка газовой плазмы в полости, образуемой металлическими стенками, усиливается благодаря возникновению эффекта полого катода. Минимальный диаметр обрабатываемой полости, представленной в качестве примера азотирования [6], составляет 6 мм с аспектным отношением (отношение протяженности полости к ее диаметру) 50. К недостатку описанного метода можно отнести тот факт, что при давлениях в сотни паскалей генерируемая в полости трубки плазма оказывает слабое воздействие на внутренние стенки трубки. Это обусловлено тем, что ионы из плазмы приходят на обрабатываемую поверхность с энергией, не превышающей несколько десятков эВ вне зависимости от ее потенциала, что вызвано достаточно малой длиной свободного пробега ускоряемых ионов при рабочих давлениях порядка ста паскалей. Такие низкоэнергетичные ионы обладают слабой способностью к травлению, что в том числе сказывается в виде осложнения модификации поверхности путем азотирования из-за образования оксидного слоя на поверхности, препятствующего поступлению азота вглубь металла.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению, взятым качестве прототипа, является способ генерации плазмы в трубках путем зажигания несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом в среднем вакууме [7]. В данном способе генерация плазмы несамостоятельным тлеющим разрядом обеспечивается при подаче напряжения между трубкой, используемой в качестве полого катода, и вольфрамового стержня, монтируемого посредством изолятора с одного конца трубки и выполняющего роль анода. Инициирование и поддержание горения тлеющего разряда при столь низком давлении обеспечивается путем инжекции низкоэнергитичных электронов в полость со стороны трубки, противоположной аноду. При этом инжекция электронов осуществляется из вспомогательной плазмы, отделяемой от внутренней полости трубки вольфрамовой сеткой, перекрывающий торец трубки. Генерация вспомогательной плазмой, являющей источником инжектируемых в полость низкоэнергитичных электронов, производится несамостоятельным дуговым разрядом плазменного генератора ПИНК (плазменный источник с накаленным катодом) с комбинируемым накаливаемым и полым катодом. Повышение эффективности в подобных системах, помимо снижения парциального давления кислорода, вызвано возможностью производить более эффективную очистку поверхности от оксидных слоев ионами с высокой энергией, определяемой приложенным отрицательным напряжением смещения, так как при данных давлениях ионы проходят прикатодный слой с низкой вероятностью столкновения. Кроме того, при плазменном азотировании наблюдается повышение эффективности насыщения поверхности по сравнению с повышенными давлениями, связанное с более интенсивной наработкой в плазме разряда низкого давления активных частиц атомарного азота вблизи обрабатываемой поверхности. В [7] представлены результаты применения плазмы, генерируемой в полости металлической трубки несамостоятельным разрядом с полым катодом, для плазменного азотирования внутренней поверхности трубки из стали марки 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 25 мм и длиной 300 мм. К недостаткам данного метода можно отнести низкую энергию инжектируемых в полость металлической трубки электронов, определяемую потенциалом вспомогательной плазмы относительно трубки и составляющую несколько электронвольт. Основная же работа по ускорению этих электронов в полости и ионизации ими рабочего газа осуществляется источником питания тлеющего разряда. Для внутренних диаметров трубок менее 25 мм обеспечиваемого уровня ионизации инжектируемыми в полость низкоэнергитичными электронами, ускоряемыми источником питания тлеющего разряда, недостаточно для инициирования разряда.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение генерации низкотемпературной плазмы в полости узкой протяженной трубки с поперечным размером в от 8 до 15 мм и протяженностью до 300 мм путем зажигания несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, обеспечиваемого инжекцией в полость пучка ускоренных электронов.

Технический результат достигается тем, что при подаче отрицательного относительно стенок вакуумной камеры напряжения на узкую протяженную металлическую трубку, генерация низкотемпературной плазмы в полости трубки обеспечивается несамостоятельным тлеющим разрядом с полым катодом, инициирование и поддержание которого, в отличие от прототипа, осуществляется инжекцией в полость сфокусированного пучка ускоренных электронов, генерируемого форвакуумным плазменным источником. В такой системе ионизация рабочего газа в полости металлической трубки осуществляется как тлеющим разрядом, так и пучком ускоренных электронов, благодаря чему обеспечивается поддержание тлеющего разряда в полости с диаметром от 8 до 15 мм.

Схема реализации предлагаемого способа генерации плазмы в узкой протяженной полости, ограниченной металлическими стенками, изображена на рисунке (фиг. 1).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. В вакуумную камеру 1 помещается металлическая трубка 2 диаметром от 8 до 15 миллиметров и протяженностью 300 мм, электрически изолированная от стенок вакуумной камеры. На верхнем фланце вакуумной камеры 1 установлен форвакуумный источник 3 сфокусированного пучка ускоренных электронов. Вакуумная камера 1 откачивается механическим насосом 4 до среднего вакуума (5-7 Па). На металлическую трубку 2 подается относительно стенок вакуумной камеры отрицательное напряжение посредством источника питания несамостоятельного тлеющего разряда 5. При включении форвакуумный источник 3 генерирует сфокусированный пучок ускоренных электронов 6 с энергией 5 – 20 кэВ и током 10-50 мА при диаметре пучка в кроссовере менее 1 мм, инжектируемый в полость трубки 2. Сфокусированный пучок ускоренных электронов 6 производит ионизацию рабочего газа в полости металлической трубки 2, в результате которой зажигается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом между трубкой 2 и стенками вакуумной камеры, усиливающий процессы ионизации в полости трубки 2. Образуемая за счет ионизации рабочего газа ускоренными электронами сфокусированного пучка 6 и несамостоятельным тлеющим разрядом с полым катодом низкотемпературная плазма 7 может использоваться для ионно-плазменной очистки внутренней поверхности полых изделий или для плазменной модификации внутренних поверхностей.

Пример

Генерация плазмы в узкой протяженной полости была осуществлена для трубок длиной 300 мм и внутренним диаметром полости 15 и 8 мм. В качестве рабочего газа использовались аргон при давлении 5 Па для трубки диаметром 15 мм и азот при давлении 7 Па для трубки диаметром 8 мм. Энергия электронов в пучке составляла 15 кэВ, то пучка – 25 мА. Для визуального наблюдения свечения генерируемой плазмы в полости в трубке были выполнены протяженные отверстия, перекрытые мелкоструктурной сеткой. Фотографии свечения плазмы, заполняющей полости трубок, представлены на рис. (Фиг. 2). Как видно из фотографий свечений, представленным способом обеспечивается генерация низкотемпературной плазмы практически по всему объему полостей.

Литература

[1] Пат. RU 2095462 C1, Российская Федерация, МПК C23C 8/36. СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ / Будилов В.В., Киреев Р.М., Шехтман С.Р.; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет, Будилов Владимир Васильевич, Киреев Радик Маратович, Шехтман Семен Романович. - № 94039147/02; заявл. 17.10.1994; опубл. 10.11.1997.

[2] Пат. RU 2590439 C1, Российская Федерация, МПК C23C 8/36, C23C 14/06. СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТАЛИ В ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА / Федоров А.А., Шапошникова Т.Л., Гаврилов А.И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") (RU). - № 2015103491/02; заявл. 03.02.2015; опубл. 10.07.2016, Бюл. № 19.

[3] Пат. RU 2691026 C1, Российская Федерация, МПК C23C 8/36, C23C 14/35, C23C 14/48. СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ / Писарев А.А., Степанова Т.В., Мозгрин Д.В., Казиев А.В., Тумаркин А.В., Харьков М.М., Колодко Д.В., Леонова К.А., Дробинин В.Е.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU). - № 2017140100; заявл. 17.11.2017; опубл. 29.10.2018 Бюл. № 31.

[4] Пат. RU 2039845 C1, Российская Федерация, МПК C23C 14/35. СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ / Гончаренко И.М., Окс Е.М., Чагин А.А.; заявитель и патентообладатель Институт сильноточной электроники СО РАН. - № 5054026/21; заявл. 08.07.1992; опубл. 20.07.1995.

[5] Пат. RU 2671522 C1, Российская Федерация, МПК C23C 16/34, C23C 16/513. Способ плазменного упрочнения внутренней цилиндрической поверхности / Писарев А.А., Мозгрин Д.В., Борисюк Ю.В., Орешникова Н.М., Степанова Т.В.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "РОСАТОМ" (RU), Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") (RU). - № 2017129030; заявл. 14.08.2017; опубл. 01.11.2018, Бюл. № 31.

[6] Borisyuk Y.V., Mozgrin D.V., Oreshnikova N.M., Berdnikova M.M., & Pisarev A.A. (2018). Nitriding of internal cylindrical surfaces in abnormal glow discharge. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 12(3), 603-606.

[7] Ignatov D.Y., Lopatin I.V., Denisov V.V., Koval N.N., & Ahmadeev, Y.H. (2020). Generation of Plasma in Non-Self-Sustained Glow Discharge With Hollow Cathode for Nitriding Inner Surfaces of Elongated and Complex Shaped Cavities. IEEE Transactions on Plasma Science, 48(6), 2050-2059.

Изобретение относится к плазменной технике, а точнее, к средствам для генерации низкотемпературной плазмы в узких протяженных металлических трубках посредством газового разряда в среднем вакууме. Способ генерации заключается в зажигании несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, в роли которого выступает металлическая трубка. Инициирование и поддержание несамостоятельного тлеющего разряда осуществляется инжекцией в трубку сфокусированного пучка ускоренных электронов в условиях среднего вакуума. Достигается обеспечение генерации низкотемпературной плазмы в полости трубки с поперечным размером в от 8 до 15 мм и протяженностью до 300 мм путем зажигания несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, обеспечиваемого инжекцией в полость пучка ускоренных электронов. 2 ил., 1 пр.

Способ генерации низкотемпературной плазмы в металлических трубках c поперечным размером от 8 до 15 мм и протяженностью до 300 мм, заключающийся в зажигании несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, в роли которого выступает металлическая трубка, отличающийся тем, что инициирование и поддержание несамостоятельного тлеющего разряда осуществляется инжекцией в трубку сфокусированного пучка ускоренных электронов в условиях среднего вакуума.