ГЕНЕРАТОР МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЫ Советский патент 1998 года по МПК H05H1/24 H01J27/22 

Изобретение относится к электронно-ионному оборудованию технологического назначения и может быть использовано в качестве генератора металлосодержащей плазмы для обработки поверхностей изделий с целью повышения коррозионной стойкости, увеличения твердости и создания декоративных покрытий, а также повышения износостойкости режущего инструмента в различных отраслях техники и в качестве источника ионов.

Известны ускорители плазмы и генераторы, работающие на принципе генерирования плазмы дуговым разрядом в вакууме и ускорения ее в скрещенных EH-полях.

Основным недостатком данных генераторов является невысокая надежность из-за низкой надежности узла поджига дуги вследствие разрушения керамики и локальной эрозии катода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является генератор плазмы устройства для нанесения покрытий в вакууме, включающий катод с распыляемым компонентом, анод в виде цилиндрической спирали и источник питания, работающий по принципу распыления вещества с поверхности катода при бомбардировке ее ионами из плазмы разряда с осцилляцией электронов в спиральном зазоре между витками спиралей, где возбуждается магнитное поле при прохождении тока по ее виткам, способствующее повышению концентрации плазмы.

Основными недостатками генератора являются сложность конструкции, обусловленная наличием сложных деталей и необходимостью их точной юстировки, а также ограниченные технологические возможности, связанные со специализацией устройства, приспособленного для обработки поверхностей цилиндров радиально расходящимися плазменными потоками и непригодного для генерирования аксиальных потоков плазмы, необходимых для обработки плоских поверхностей.

Целью изобретения является упрощение конструкции и расширение технологических возможностей за счет совмещения импульсного испарения металла и ионизации паров в индукционном импульсном разряде при формировании аксиального потока плазмы.

Это достигается тем, что в импульсном генераторе металлосодержащей плазмы, включающем соосно расположенные катод в форме спирали с распыляемым компонентом, являющейся одновременно источником магнитодвижущей силы, и анод, а также источники электропитания, катодная спираль выполнена в виде конуса, анод в виде многослойной катушки Гельмгольца с выводами от внутреннего и внешнего слоев, размещенной соосно над катодной спиралью и являющейся элементом системы ускорения плазмы, дополнительно введены дроссель, сильноточный генератор импульсов тока и охватывающий коническую спираль экран в виде конуса из ферромагнитного материала, при этом внутренний виток катодной спирали подключен к генератору импульсов тока и через дроссель к отрицательному полюсу источника ускоряющего напряжения, наружный - к внешнему выводу анодной катушки и к генератору импульсов тока, а вывод от внутреннего слоя анодной катушки подключен к положительному полюсу указанного источника.

Новым в предлагаемом генераторе является конструктивное совмещение испарителя с катодом и камерой ионизации, в частности выполнение последнего в виде конической спирали, охваченной ферромагнитным конусом, а также совмещение системы ускорения с ионизационной камерой и выполнение ее как продолжение последней в виде катушки Гельмгольца. Это позволило использовать для испарения металла и ионизации его паров один и тот же генератор импульсов, подключенный к конической спирали, а для ускорения плазмы в аксиальном направлении - источник постоянного напряжения и обойтись без сложных схем синхронизации, что упростило конструкцию генератора плазмы и расширило его технологические возможности. Благодаря использованию для испарения металла импульсного нагрева спирали, ионизации его паров и ускорения плазмы одного и того же импульса значительно упрощается конструкция генератора по сравнению с прототипом и существенно расширяются его технологические возможности.

На чертеже показан предлагаемый генератор.

Генератор содержит катод-испаритель, выполненный в виде конической спирали 1, являющейся источником магнитодвижущей силы и образующей разрядную камеру, снабженную выводами от центрального и наружного витков, анод 2, выполненный в виде многослойной катушки Гельмгольца с выводами от внутреннего и внешнего слоев, ферромагнитный экран 3, охватывающий спираль 1, генератор 4 импульсов, подключенный к выводам спирали 1, и источник 5 ускоряющего напряжения, подключенный положительным полюсом через дроссель 6 к центральному выводу спирали, а отрицательным - к выводу от внутреннего слоя катушки, вывод от внешнего слоя которой соединен с выводом от наружного витка спирали.

Принцип работы генератора заключается в следующем. При пропускании импульса тока от генератора 4 по виткам конической спирали 1 поверхность витков вследствие вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) быстро нагревается до температуры, при которой происходит испарение металла, и в объеме, образованном спиралью и ферромагнитным экраном 3, давление паров металла повышается до 1 - 10^-1 Па.

В это время ток в витках спирали продолжает расти и затем начинает спадать, вызывая изменение магнитного потока в полости конической спирали. В результате этого изменения, как и при протекании ВЧ-тока, в полости спирали индуцируются вихревые ЭДС, охватывающие изменяющийся магнитный поток. Под действием этих ЭДС в полости спирали зажигается разряд в парах металла, по физическим процессам близкий к индукционному разряду. В отличие от индукционного ВЧ-разряда, который по плотности плазмы относится к тлеющему, данная форма разряда обеспечивает более высокую концентрацию плазмы и приближается к дуговой форме, что позволяет генерировать плазму с более высокой плотностью. Плазма этого разряда, содержащая ионы металла, заполняет полость спирали 1. Током от источника 5, проходящим в катушке 2, вокруг нее возбуждается магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, создаваемому между витками спирали и внутренним витком катушки 2 при подаче на него положительного потенциала от источника 5. Под действием скрещенных EH-полей происходит ускорение плазмы в направлении к коллектору или обрабатываемой детали, как в известных торцовых холловских ускорителях.

Благодаря созданию рабочей атмосферы (пары металла) не за счет локального нагрева металла в катодном пятне вакуумной дуги или катодного распыления, как у известных генераторов, а за счет испарения со сравнительно большой поверхности витков, нагреваемых при пропускании импульса тока с крутым фронтом, значительно упрощается конструкция генератора плазмы.

Кроме того, благодаря испарению металла с большой поверхности витков без каких-либо локальных перегревов не происходит разбрызгивания металла, и в плазме и в пучке ионов отсутствует капельная фракция, что вместе с возможностью генерировать аксиальный поток плазмы ведет к расширению технологических возможностей генератора плазмы и позволяет повысить качество изделий, поскольку при обработке таким пучком поверхность изделия не загрязняется каплями металла.

Одним из достоинств предложенного генератора является простота конструкции схемы электропитания, состоящей только из генератора импульсов и выпрямителя, импульс которого приводит к нагреву поверхности спирали и испарению металла, обеспечивает зажигание и горение разряда, в котором ионизируется пар. Это позволило отказаться от схем синхронизации и повысить надежность. Для увеличения длительности импульса генерации коническая спираль может быть снабжена добавочным конденсатором, с которым она образует колебательный контур, несколько затухающих колебаний которого можно использовать для генерирования плазмы и ускорения ионов.

При необходимости генерирования твердых веществ, из которых нельзя изготовить спираль, эти вещества наносятся на металл витков конической спирали.

Примером конкретного исполнения генератора является проект генератора плазмы титана с током ионов в пучке 1 A при длительности импульса 200 мкс. Генератор содержит коническую спираль из пяти витков титановой проволоки диаметром 1 мм, полый конус из феррита с диаметром основания 5 см и высотой 4 см, катушку Гельмгольца диаметром 5 см из 20 витков медной проволоки диаметром 1 мм, соединенной с конической спиралью, и генератор импульсов тока с регулируемой амплитудой напряжения до 10 кВ. К выходу генератора импульсов подключены вывод от центрального витка конической спирали и второй вывод катушки.

Технико-экономические преимущества предложенного генератора ионов заключаются в более высокой надежности и долговечности генератора, обусловленные простотой конструкции, облегчении условий эксплуатации, снижении веса и габаритов генератора и уменьшении его стоимости.

Экономический эффект от внедрения предложенного генератора складывается благодаря следующим факторам: повышению качества изделий, обусловленного отсутствием капельной фракции в плазме и в ионном пучке; снижению стоимости генератора вследствие уменьшения материалоемкости и упрощения конструкции; уменьшению эксплуатационных расходов в результате повышения надежности и долговечности генератора, а также упрощения его конструкции.

Использование: электронно-ионное оборудование технологического назначения, в частности, для обработки поверхностей изделий с целью повышения коррозионной стойкости, увеличения твердости и создания декоративных покрытий, а также повышения износостойкости режущего инструмента в различных отраслях техники и в качестве источника ионов. Сущность: генератор металлосодержащей плазмы содержит катод в виде спирали с ферромагнитным экраном, анод в виде электромагнитной катушки с выводами от внутреннего и внешнего слоев. Генератор импульсов тока подключен к выводам спирали. Генератор ускоряющего напряжения подключен положительным полюсом через дроссель к центральному выводу спирали, а отрицательным - к выводу от внутреннего слоя катушки. Вывод от внешнего слоя катушки соединен с выводом от наружного витка спирали. В генераторе плазмы осуществляется совмещение в одной камере импульсного испарения металла и ионизации паров в индукционном импульсном разряде. 1 ил.

Генератор металлосодержащей плазмы, содержащий соосно расположенные катод в форме спирали, содержащий рабочий распыляемый металл и служащий источником магнитодвижущей силы, и анод, к которым подключены генератор тока и генератор напряжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции при генерации аксиально направленных потоков плазмы за счет совмещения в одной камере импульсного испарения металла и ионизации его паров в индукционном импульсном разряде, катодная спираль выполнена в форме конуса и снабжена внешним коническим экраном из ферромагнитного материала, анод выполнен в виде многослойной электромагнитной катушки с выводами от внутреннего и внешнего слоев, расположенной над большим основанием конической катодной спирали, в качестве генератора тока выбран генератор импульсов тока, при этом виток меньшего основания катодной спирали подключен к генератору импульсов тока и через дроссель - к отрицательному полюсу генератора напряжения, виток большего основания катодной спирали подключен к выводу от внешнего слоя анодной катушки и к генератору импульсов тока, а вывод от внутреннего слоя анодной катушки подключен к положительному полюсу генератора напряжения.