КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ИСТОЧНИК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ Советский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение касается нанесения покрытий и может быть использовано в электронной технике и машиностроении для получения электропроводящих пленок и защитных покрытий.

Целью изобретения является улучшение массо-габаритных характеристик электродугового источника, повышение устойчивости работы и равномерности выработки катода.

На чертеже представлен общий вид электродугового источника.

Он содержит профилированный катод 1, узел 2 инициирования дуги, стабилизирующую электромагнитную катушку 3, токоввод 4, штуцеры входа 5 и выхода 6 водяного охлаждения. Электромагнитная катушка, имеющая общую с катодным узлом систему охлаждения, электрически соединены одним своим концом с токовводом 4, другим концом с катодом 1 (через болт 7 вакуумного уплотнения катода) и питается током дугового разряда. Катодный узел собирается и уплотняется при помощи фланца 8. При расположении элекродугового источника в непосредственной близости от другого подобного источника обечайка 9 служит магнитным экраном и изготавливается из магнитомягкого материала. Среднее сечение электромагнитной катушки совпадает с плоскостью А-А, проходящей через дно охлаждаемой плоскости катода и разделяющей катод на рабочую (испаряемую) и нерабочую (неиспаряемую) зоны.

Минимальная величина индукции магнитного поля для осуществления надежности локализации катодных пятен на рабочей поверхности катода (обеспечивающие уход катодных пятен на боковую нерабочую поверхность катода не более чем на 5 мм) и для осуществления устойчивости вакуумного дугового разряда должна составлять, как показали эксперименты, не менее 50 Гс. Учитывая это, высота испаряемой зоны катода электродугового источника металлической плазмы выбирается такой, чтобы индукция магнитного поля в центре рабочей поверхности катода перед началом испарения была не менее 50 Гс (при выбранной электромагнитной катушке). Либо при заданной высоте испаряемой зоны катода соответствующим образом выбирается количество ампер-витков электромагнитной катушки. Количество ампер-витков катушки W и высота испаряемой зоны катода Z (см), как показали эксперименты, должны удовлетворить для этого соотношению:
W ≥ 5 (Z² + 25)^3/2
При работе двух и более электродуговых источников в непосредственной близости друг от друга, как показали эксперименты, происходит взаимное наложение магнитных полей источников друг на друга, и, как следствие этого, неустойчивость их работы, и неравномерное испарение катодов. При использовании магнитного экрана из магнитомягкого материала (обечайка 9), охватывающего электромагнитную катушку, магнитные поля рассеяния резко снижаются, что приводит к восстановлению устойчивости работы и равномерности испарения катодов. Как показали эксперименты, для надежного экранирования высота магнитного экрана должна быть не меньше высоты электромагнитной катушки.

Устройство для нанесения покрытий работает следующим образом. При зажигании вакуумного дугового разряда узлом 2 инициирования дуги катодные пятна, образованные на боковой поверхности катода 1, выталкиваются на торцевую рабочую поверхность магнитным полем стабилизирующей электромагнитной катушки 3, питаемой током дуги, и удерживаются на этой поверхности. Поскольку для выталкивания катодных пятен на торцовую поверхность катода наиболее эффективна топография магнитного поля, в которой угол, образованный при пересечении магнитных силовых линий с боковой поверхностью катода 1, близок к 45^о, катод профилирован таким образом, чтобы это условие выполнялось. Кроме того, подобное профилирование катода по сравнению с катодами в форме усеченного конуса приводит к дополнительной экономии катодного материала. При стационарной работе электродугового источника катодные пятна, хаотически перемещаясь по торцовой рабочей поверхности катода, равномерно распыляют его, в результате чего высота катода 1 непрерывно уменьшается, а магнитная индукция на торцовой поверхности увеличивается. При высоте катода 1, близкой к высоте охлаждаемой катодной полости, величина индукции магнитного поля на рабочей поверхности катода 1 максимальна, а ее вектор по всей рабочей поверхности (в плоскости А-А) параллелен оси катода 1. Если среднее сечение электромагнитной катушки 3 находится на некотором расстоянии от плоскости, разделяющей катод 1 на испаряемую и неиспаряемую зону, ближе к испаряемой поверхности, то при достижении поверхностью испарения катода 1 плоскости этого сечения вакуумная дуга резко теряет свою устойчивость. Это происходит в результате перемены знака радиальной составляющей индукции магнитного поля при переходе через среднее сечение электромагнитной катушки 3. Если среднее сечение электромагнитной катушки 3 находится на некотором расстоянии о плоскости, разделяющей катод 1 на испаряемую и неиспаряемую зоны, дальше от испаряемой поверхности, то для достижения требуемой величины индукции необходимо большее количество ее ампер-витков. Таким образом, геометрическое положение катушки 3, когда среднее ее сечение совпадает с плоскостью, разделяющей катод 1 на испаряемую и неиспаряемую зоны, является оптимальным. При питании электромагнитной катушки 3 током вакуумного дугового разряда и принудительном ее охлаждении существенно уменьшаются необходимые габариты и масса катушки для создания необходимой магнитной индукции. В конструкции, изображенной на чертеже, электромагнитная катушка 3 содержит 20 витков, намотанных двумя параллельно идущими проводами ПЭВ 1,6. Для удобства охлаждения половина этих витков находится с внутренней стороны каркаса, а другая половина - с его наружной стороны.

Кроме того, в торцовой части каркаса катушки 3 предусмотрены отверстия для прохождения воды из внутренней ее полости во внешнюю. Вода, попадая в полость охлаждения катода 1 через штуцер входа воды 5, охлаждает его и через радиальные канавки уплотнительного фланца 8 попадает во внутреннюю полость электромагнитной катушки 3, затем через гребенку каркаса катушки - в ее внешнюю полость, и выходит через штуцер выхода 6.

Применение данного электродугового источника металлической плазмы по сравнению с известным позволяет уменьшить его вес и габариты, а также повысить устойчивость работы и равномерность выработки катода при расположении его в непосредственной близости от другого подобного источника.

Использование: нанесение проводящих покрытий. Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить устойчивость работы и равномерность выработки катода (К) электродугового источника (ЭИ) при расположении его в непосредственной близости от другого подобного ЭИ. Для этого каждый К снабжен магнитным экраном (МЭ) из магнитомягкого материала, охватывающим стабилизированную электромагнитную катушку (ЭК). Для эффективного экранирования магнитных полей высота МЭ должна быть не меньше высоты ЭК. Это позволяет располагать два и более ЭИ в непосредственной близости друг от друга, обеспечивая их эффективную одновременную работу. ЭК, питаемая током дугового разряда, соединяется электрически последовательно с К и устанавливается таким образом, что плоскость ее среднего сечения соответствует границе между испаряемой и неиспаряемой областями К, а высота Z испаряемой области и количество W ампер-витков ЭК связаны соотношением W≥ 5(Z²+25)^3/2 . Это сводит к минимуму количество ампер-витков ЭМ, что снижает вес и габариты ЭИ. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ИСТОЧНИК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ, содержащий катод из испаряемого материала, стабилизирующую электромагнитную катушку и узел инициирования дугового разряда, отличающийся тем, что, с целью улучшения массо-габаритных характеристик источника, электромагнитная катушка установлена таким образом, что плоскость ее среднего сечения расположена к испаряемой поверхности не ближе плоскости сечения катода, разделяющей его на рабочую и нерабочую зоны, а высота Z (см) рабочей зоны и количество W ампер-витков катушки связаны соотношением:
W ≥ 5(Z² + 25)^3/2. 2. Источник плазмы по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы и равномерности выработки катода источника при расположении его в непосредственной близости от другого подобного источника, он снабжен магнитным экраном из магнитомягкого материала, охватывающим электромагнитную катушку, причем высота экрана не меньше высоты электромагнитной катушки.