УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАЗРЯДА В ИМПУЛЬСНОМ ГЕНЕРАТОРЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ Советский патент 1994 года по МПК H05H1/24 C23C4/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вакуумных сильноточных электроразрядных устройствах технологического назначения, например для нанесения покрытий.

Целью изобретения является увеличение ресурса путем увеличения срока службы тонкопленочного токопровода.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Предлагаемое устройство содержит охватывающий цилиндрический катод 1 генератора, кольцевой изолятор 2 и кольцевой поджигающий электрод 3. Диаметр отверстия в изоляторе 2 превышает диаметр катода 1. Поверхность изолятора 2, обращенная в одну сторону с рабочим торцом катода 1, снабжена тонкопленочным токопроводом 4. Вторым разрядным электродом генератора является его анод 5. Устройство содержит также механизм изолятора 2, который включает кольцевой держатель 6 изолятора 2 и установленную коаксиально катоду 1 цилиндрическую втулку 7, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси и снабженную роликами 8, взаимодействующими с держателем 6 изолятора 2. Один из роликов 8 связан с цилиндрической втулкой 7 пружинящим элементом 9, обеспечивающим прижим изолятора 2 к боковой поверхности катода 1 и образование зоны контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1. Изолятор 2 расположен эксцентрично по отношению к катоду 1, а контакт тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 является локальным. Тонкопленочный токопровод 4 контактирует также с поджигающим электродом 3.

Устройство также содержит экран 11, защищающий тонкопленочный токопровод 4 от избыточного осаждения электроэрозионной плазмы, смонтированный на цилиндрической втулке 7 и имеющий канал 12 для выхода инициирующей плазмы и отверстие 13 для выхода электроэрозионной плазмы. Канал 12 экрана 11 расположен напротив зоны контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1, а отверстие 13 экрана 11 - напротив катода 1. Ось катода проходит через центр отверстия экрана. Диаметр отверстия экрана превышает диаметр катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода. Экран 11 имеет также выступ 14, входящий в зазор между изолятором 2 и катодом 1. Экран 11 предпочтительно выполнять из изоляционного материала, лучше всего дугостойкой керамики. Для передачи вращательного движения цилиндрической втулке 7 служит привод вращения. Питание устройства и генератора осуществляется от управляемого импульсного источника, выводы которого электрически связаны с катодом 1, поджигающим электродом 3 и анодом 5.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Приводят во вращение цилиндрическую втулку 7, кинематически связанную с держателем 6 изолятора 2 при помощи роликов 8 и пружинящего элемента 9. Поскольку изолятор 2 расположен эксцентрично относительно катода 1, ролики 8, катясь по держателю 6 изолятора 2, обеспечивают изолятору 2 перемещение, при котором он обкатывает катод 1 по его боковой поверхности. При этом зона контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 перемещается одновременно по тонкопленочному токопроводу 4 и катоду 1, а так как экран 11 смонтирован на цилиндрической втулке 7, канал 12 экрана 11 для выхода инициирующей плазмы перемещается синхронно с зоной контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1, находясь все время напротив нее. При помощи управляемого импульсного источника питания периодически подают импульсы напряжения на межэлектродный промежуток "катод 1 - анод 5" генератора и пропускают импульс тока через промежуток "поджигающий электрод 3 - тонкопленочный токопровод 4 - зона контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 - катод 1". Протекание каждого импульса тока через этот промежуток вызывает электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1. Образующаяся при электровзрывном испарении инициирующая плазма через канал 12 экрана 11 инжектируется в объем генератора, заполняя его межэлектродный промежуток "катод 1 - анод 5", а поскольку к нему приложено импульсное напряжение, в генераторе возбуждается импульсный вакуумный сильноточный электрический разряд, горение которого сопровождается генерированием электроэрозионной плазмы в возникающих на рабочем торце катода 1 так называемых катодных микропятнах. Основная часть электроэрозионной плазмы, генерируемой при каждом импульсе, проходит через отверстие 13 экрана 11 и далее через кольцевой анод 5 генератора и затем используется в технологических целях, например для нанесения покрытий. Некоторая доля остальной части генерируемой электроэрозионной плазмы осаждается на поверхности тонкопленочного токопровода 4, подготавливая устройство к осуществлению очередного возбуждения разряда в генераторе. Экран 11 защищает тонкопленочный токопровод 4 от избыточного осаждения электроэрозионной плазмы, обеспечивая баланс между количеством испаренного материала тонкопленочного токопровода 4 и количеством электроэрозионной плазмы, сконденсировавшейся на нем. Катод 1 подают по мере его выработки при помощи системы подачи, предусмотренной в генераторе, благодаря чему сохраняется постоянство расстояния от рабочего торца катода 1 до поверхности тонкопленочного токопровода 4.

Предлагаемое устройство размещается в вакуумной камере с расположенным в ней импульсным генератором электроэрозионной плазмы, имеющим цилиндрический катод диаметром 39 мм и кольцевой анод диаметром 90 мм с отверстием диаметром 70 мм. Межэлектродный промежуток "катод-анод" генератора 10 мм. Катод генератора выполнен с возможностью подачи по мере выработки. Материал анода - нержавеющая сталь марки Х18Н10Т, катода - титан марки ВТ1-0. Оба электрода генератора охлаждаются проточной водой.

Устройство для возбуждения разряда в таком генераторе содержит кольцевой поджигающий электрод, кольцевой изолятор, механизм перемещения изолятора и экран. Изолятор охватывает цилиндрический катод генератора вблизи его торца. Материал изолятора - керамика марки 22ХС. Диаметр отверстия изолятора превышает диаметр катода и составляет 40,5 мм. Диаметр поджигающего электрода равен 65 мм, а диаметр его отверстия - 55 мм. Материал поджигающего электрода - нержавеющая сталь марки Х18Н10Т. Поверхность изолятора, обращенная в одну сторону с рабочим торцом катода, снабжена тонкопленочным титановым токопроводом. Механизм перемещения изолятора включает кольцевой держатель изолятора и установленную коаксиально катоду цилиндрическую втулку, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси и снабженную роликами, взаимодействующими с держателем изолятора. Один из роликов при помощи рычага шарнирно установлен на кронштейне, который закреплен на цилиндрической втулке, и связан с ней пружинящим элементом в виде винтовой цилиндрической пружины сжатия, что обеспечивает отклонение ролика и прижим изолятора к боковой поверхности катода с образованием локального контакта тонкопленочного токопровода с катодом. Изолятор в устройстве расположен эксцентрично по отношению к катоду генератора. Расстояние от кромки рабочего торца катода до поверхности тонкопленочного токопровода в зоне контакта его с катодом не превышает 1 мм. Экран устройства смонтирован на цилиндрической втулке при помощи закрепления винтами. Он имеет канал для выхода инициирующей плазмы и отверстие для выхода электроэрозионной плазмы. Канал экрана расположен напротив зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом, а отверстие экрана находится напротив катода. Ось катода проходит через центр отверстия экрана. Толщина экрана 1 мм, а диаметр отверстия 40,2 мм, т.е. больше диаметра катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода. При этом экран своей торцовой частью шириной ≈7,4 мм защищает тонкопленочный токопровод от избыточного осаждения генерируемой плазмы. Экран имеет выступ толщиной 0,6 мм, входящий в зазор между кольцевым изолятором и катодом. Экран находится на расстоянии не более 0,3 мм от поверхности тонкопленочного токопровода. Сечение канала экрана представляет собой часть круга радиусом ≈ 4 мм, с центром, лежащим на окружности диаметром 39 мм. Экран изготовлен из изоляционного материала - дугостойкой керамики марки 22ХС. Двигатель постоянного тока типа СЛ221 через редуктор и привод вращения, снабженный зубчатой передачей, осуществляет вращение цилиндрической втулки вокруг своей оси, при котором ролики обкатывают держатель изолятора, обеспечивая перемещение изолятора, а значит и зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом одновременно по тонкопленочному токопроводу и катоду, а поскольку экран закреплен на цилиндрической втулке, его канал для выхода инициирующей плазмы перемещается синхронно с зоной контакта тонкопленочного токопровода с катодом, находясь все время напротив нее. При вращении цилиндрической втулки со скоростью ≈ 3 об/с канал экрана и зона контакта тонкопленочного токопровода с катодом смещаются приблизительно на 3,4 мм от импульса к импульсу при частоте следования импульсов тока (тока поджига) по цепи поджигающий электрод-тонкопленочный токопровод - локальный контакт тонкопленочного токопровода с катодом-катод, равной 100 Гц. Протекание импульса тока поджига по этой цепи обеспечивается при помощи управляемого импульсного источника питания за счет разряда имеющейся в нем конденсаторной батареи поджига, состоящей из трех конденсаторов марки К 75-25 (1 мкФ, 1000 В). Предразрядное напряжение на ней 500 В. Подача напряжения на межэлектродный промежуток "катод-анод" генератора также осуществляется от управляемого импульсного источника питания, содержащего (помимо конденсаторной батареи поджига) конденсаторную батарею эрозии, состоящую из 48 конденсаторов марки К75-17 (50 мкФ, 1000 В). Напряжение на ней перед каждым импульсом возбуждения 200 В. Под действием импульса тока поджига происходит образование инициирующей плазмы, заполнение которой межэлектродного промежутка "катод-анод" генератора вызывает возникновение в нем импульсного вакуумного сильноточного электрического разряда, горение которого сопровождается генерированием электроэрозионной плазмы, основная часть которой проходит через отверстие экрана и далее через кольцевой анод и затем используется в технологических целях, в частности, для нанесения покрытий. Экран допускает осаждение на поверхности тонкопленочного токопровода лишь небольшой доли остальной части электроэрозионной плазмы, а именно такого ее количества, конденсация которого не вызывает заметного увеличения толщины тонкопленочного токопровода (уменьшения величины его сопротивления). Поскольку перемещение изолятора в устройстве происходит плавно, усилие прижима его к боковой поверхности катода и соответственно переходное сопротивление контакта тонкопленочного токопровода с катодом практически не изменяется в процессе работы. В итоге общее сопротивление цепи "поджигающий электрод - тонкопленочный токопровод - локальный контакт тонкопленочного токопровода с катодом - катод" остается достаточно постоянным, что обеспечивает улучшение ритмичности работы устройства, повышение срока службы тонкопленочного токопровода и увеличение надежности и ресурса устройства.

Так, например, в интенсивном режиме генерации электроэрозионной плазмы (энерговклад ≈ 25-50 Дж, частота следования импульсов 100-200 Гц) срок службы тонкопленочного токопровода в предлагаемом устройстве по крайней мере в пять раз превышает срок его службы в устройстве, выполненном по основному изобретению.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАЗРЯДА В ИМПУЛЬСНОМ ГЕНЕРАТОРЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ по авт. св. N N 1168070, отличающееся тем, что, с целью увеличения ресурса путем увеличения срока службы тонкопленочного токопровода, оно содержит дополнительно защитный экран, размещенный на торце цилиндрической втулки с зазором относительно катода, выполненный в виде плоского кольца с каналом для выхода инициирующей плазмы, при этом канал расположен против зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом, а ось катода совпадает с осью экрана. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний диаметр экрана превышает диаметр катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что экран имеет выступ, входящий в зазор между изолятором и катодом.