ВАКУУМНОЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1995 года по МПК H05H1/24 H05B7/18 

Изобретение относится к плазменной технике, представляет собой средство для получения в вакууме потока высокочистой электроэрозионной плазмы и является усовершенствованием основного изобретения по авт. св. N 950167, в котором описано вакуумное электроразрядное устройство, включающее электроразрядную систему, содержащую анод и плазмообразующий катод, систему поджига, отделенную от катода вакуумным промежутком и содержащую изолятор, снабженный тонкопленочным токопроводом, и два электрода противоположной полярности, контактирующие с токопроводом, и систему питания, состоящую из основного, пускового и вспомогательного источников питания, система поджига снабжена дополнительным электродом, отделенным вакуумным промежутком от двух других ее электродов и изолятора и соединенным с отрицательным полюсом вспомогательного источника питания, причем изолятор системы поджига расположен вне зоны оптической видимости плазмообразующей поверхности катода электроразрядной системы.

Недостатками такого устройства являются плохие пусковые характеристики в диапазоне низких (50-500 В) разрядных напряжений, приложенных между анодом и плазмообразующим катодом электроразрядной системы, а именно низкая вероятность возбуждения разряда при отсутствии эрозии изолятора системы поджига, большая величина задержки срабатывания, т.е. времени перехода от вспомогательного разряда в системе поджига к электрическому разряду в вакууме между электродами электроразрядной системы, большой разброс этой величины, изменение от разряда к разряду формы и амплитуды импульса разрядного тока. Обусловлены эти недостатки трудностью обеспечения при низком разрядном напряжении стабильных условий для возникновения катодного пятна на плазмообразующем катоде электроразрядной системы в стадии возбуждения разряда.

Целью изобретения является улучшение пусковых характеристик устройства в диапазоне низких разрядных напряжений.

Это достигается тем, что вакуумное электроразрядное устройство по авт. св. N 950167 снабжено дросселем и импульсными высоковольтными трансформатором и конденсатором, первичная обмотка трансформатора включена между отрицательным полюсом вспомогательного источника питания и плазмообразующим электродом системы поджига, первый вывод его вторичной обмотки соединен с плазмообразующим катодом электроразрядной системы, второй с первой обкладкой конденсатора и первым выводом дросселя, второй вывод дросселя соединен с отрицательным полюсом основного источника питания, а вторая обкладка конденсатора с анодом электроразрядной системы.

Введение импульсных высоковольтных трансформатора и конденсатора способствует созданию необходимых условий для эффективного возбуждения разряда в диапазоне низких (50-500 В) разрядных напряжений на электродах электроразрядной системы, поскольку с их использованием уже в самой начальной стадии возбуждения разряда в устройстве за счет формирования между катодом и анодом короткого высоковольтного импульса достигается критическая напряженность электрического поля у катода, чем обеспечивается резкое нарастание автоэлектронной эмиссии, появление катодного пятна и дальнейшее быстрое нарастание разрядного тока тока основного разряда.

На чертеже представлена схема устройства.

Вакуумное электроразрядное устройство включает электроразрядную систему 1, содержащую анод 2 и плазмообразующий катод 3, систему поджига 4, отделенную от катода 3 вакуумным промежутком 5 и содержащую три электрода поджига 6, 7 и 8 и изолятор 9, снабженный тонкопленочным токопроводом 10, систему питания 11, состоящую из пускового 12, вспомогательного 13 и основного 14 источников питания, дроссель 15, импульсные высоковольтные конденсатор 16 и трансформатор 17. Анод 2 электроразрядной системы 1 соединен с положительным полюсом основного источника питания 14. Первичная обмотка 18 трансформатора 17 включена между отрицательным полюсом вспомогательного источника питания 13 и электродом поджига 8, являющимся плазмообразующим электродом системы поджига 4. Первый вывод вторичной обмотки 19 трансформатора 17 присоединен к катоду 3 электроразрядной системы 1, второй к первой обкладке конденсатора 16 и к первому выводу дросселя 15, второй вывод дросселя 15 подключен к отрицательному полюсу основного источника питания, а вторая обкладка конденсатора 16 присоединена к аноду 2 электроразрядной системы 1. Положительный полюс вспомогательного источника питания 13 соединен с электродом 6 системы поджига 4, который присоединен через ключ 20 к положительному полюсу пускового источника питания 12. Отрицательный полюс пускового источника 12 соединен с электродом 7 системы поджига 4. Электроды 6 и 7 системы поджига 4 контактируют с тонкопленочным токопроводом 10, третий ее электрод 8 отделен вакуумным промежутком 21 от электродов 6 и 7 и изолятора 9. Катод 3 электроразрядной системы 1 охвачен экраном (на чертеже не показан).

Устройство работает следующим образом.

При подаче импульса напряжения от пускового источника питания 12 через ключ 20 на электроды 6 и 7 системы поджига 4 происходит электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 10 в результате протекания по нему импульса тока. Образовавшаяся инициирующая плазма заполняет вакуумный промежуток 21 в системе поджига 4, что приводит к возникновению в ней вспомогательного сильноточного электрического разряда между электродами 7 и 8, горение которого поддерживается вспомогательным источником питания 13. Благодаря протеканию импульса тока вспомогательного разряда по первичной обмотке 18 импульсного высоковольтного трансформатора 17 на его вторичной обмотке 19 формируется высоковольтный импульс напряжения, который прикладывается к электродам 2 и 3 электроразрядной системы 1. К этому времени образовавшаяся за счет эрозии плазмообразующего электрода 8 системы поджига 4 вспомогательная плазма в силу своего собственного расширения и под действием электромагнитных сил, создаваемых контуром тока вспомогательного разряда в конусообразном вакуумном промежутке 21 системы поджига 4, выталкивается в промежуток между анодом 2 и плазмообразующим катодом 3 электроразрядной системы 1. Наличие в ней плазмы и высоковольтного импульса напряжения обеспечивает пробой указанного промежутка и появление катодного пятна на поверхности плазмообразующего катода 3, что в совокупности с присутствием плазмы в объеме электроразрядной системы 1 и наличием напряжения на ее электродах 2 и 3, соединенных с основным источником питания, приводит к возникновению в ней сильноточного электрического разряда в парах материала плазмообразующего катода 3, горение которого поддерживается основным источником питания 14 и сопровождается генерированием высокочистой электроэрозионной плазмы материала катода 3. Экран, охватывающий боковую поверхность катода 3, служит для удержания катодного пятна на его торцовой (рабочей) поверхности. Для обеспечения высокой чистоты электроэрозионной плазмы, генерируемой устройством, плазмообразующий электрод 8 и тонкопленочный токопровод 10 системы поджига 4 выполняют из того же материала, что и материал плазмообразующего катода 3 электроразрядной системы 1. Таким образом, чистота электроэрозионной плазмы определяется лишь чистотой используемого материала. По окончании вспомогательного разряда в системе поджига 4 некоторое количество плазмы материала плазмообразующего электрода 8 системы поджига 4 осаждается на поверхности изолятора 9, восстанавливая тонкопленочный токопровод и подготавливая тем самым системы поджига 4 к следующему запуску устройства. Дроссель 15 необходим, чтобы предотвратить проникновение короткого высоковольтного импульса напряжения в основной источник питания 14. Импульсный высоковольтный конденсатор 16 служит для замыкания цепи протекания импульса тока от вторичной обмотки 19 высоковольтного трансформатора 17 через промежуток анод 2 плазмообразующий катод 3 электроразрядной системы 1. Вторичная обмотка 19 высоковольтного трансформатора 17 и дроссель 15 играют также роль индуктивного сопротивления в цепи основного разряда, ограничивая амплитуду разрядного тока. Поставляемая в результате эрозии торцовой поверхности катода 3 высокочистая электроэрозионная плазма формируется электроразрядной системой 1 в плазменный поток, который может быть использован для технологических целей, например для нанесения тонких пленок и покрытий.

Предложенное вакуумное электроразрядное устройство обладает хорошими пусковыми характеристиками в диапазоне низких, начиная с 50 В, разрядных напряжений на электродах его электроразрядной системы.

В Институте электроники АН БССР изготовлен макет устройства и проведены его испытания.

Во время испытаний производилось сравнение пусковых характеристик предлагаемого устройства и устройства, выполненного по авт. св. N 950167. Результаты испытаний показали высокую эффективность предлагаемого устройства: вероятность возбуждения разряда увеличилась на 21% максимальная величина задержки начала основного разряда по отношению к началу вспомогательного разряда в системе поджига снизилась от 50 до 8 мкс, разброс этой величины уменьшился от 30 до 3 мкс, а разброс амплитуд импульсов разрядного тока от 20 до 3% Таким образом, пусковые характеристики предлагаемого устройства при низком разрядном напряжении значительно улучшились по сравнению с устройством прототипом.

Испытания также показали высокую надежность предлагаемого устройства: отказов в работе, выхода устройства из строя не наблюдалось.

ВАКУУМНОЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО по авт. св. N 950167, отличающееся тем, что, с целью улучшения его пусковых характеристик в диапазоне низких разрядных напряжений, оно снабжено дросселем и импульсными высоковольтными трансформатором и конденсатором, первичная обмотка трансформатора включена между отрицательным полюсом вспомогательного источника питания и плазмообразующим электродом системы поджига, первый вывод его вторичной обмотки соединен с плазмообразующим катодом электроразрядной системы, второй с первой обкладкой конденсатора и первым выводом дросселя, второй вывод дросселя соединен с отрицательным полюсом основного источника питания, а вторая обкладка конденсатора с анодом электроразрядной системы.