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

Изобретение относится к плазменной технике, представляет собой средство для получения в вакууме потока электроэрозионной плазмы и может быть использовано для различных технологических целей, например для нанесения тонких пленок и покрытий.

Известно вакуумное электроразрядное устройство, включающее электроразрядную систему, содержащую анод и плазмообразующий катод, систему поджига, содержащую плотно охватывающий катод изолятор, снабженный тонкопленочным токопроводом, и контактирующий с токопроводом электрод противоположной по отношению к катоду полярности, и систему питания, состоящую из основного и пускового источников питания.

Недостатками такого устройства являются низкая надежность и загрязнение плазменного потока продуктами эрозии изолятора. Это происходит из-за того, что изолятор системы поджига плотно примыкает к плазмообразующему электроду и во время горения основного разряда находится в зоне интенсивного тепловыделения и плазмообразования, что приводит, с одной стороны, к наличию эрозии изолятора, загрязнению плазменного потока и выходу устройства из строя, а с другой стороны, к избыточному осаждению эрозионной плазмы в системе поджига, росту толщины токопровода и появлению отказов в работе устройства.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является устройство, включающее электроразрядную систему, содержащую анод и плазмообразующий катод, систему поджига, отделенную от катода вакуумным промежутком и состоящую из электромагнитной катушки, концентратора, изолятора, снабженного тонкопленочным токопроводом, и двух электродов противоположной полярности, контактирующих с токопроводом, и систему питания, состоящую из основного, пускового и вспомогательного источников питания, причем вспомогательный источник питания отрицательным полюсом соединен с катодом электроразрядной системы, а положительным с соответствующим электродом системы поджига.

Недостатками такого устройства также являются низкая надежность и плохие пусковые характеристики. Обусловлены они потерями инициирующей и вспомогательной плазмы и трудностью создания в соответствующих объемах устройства условий, необходимых для эффективного возбуждения разряда при одновременном выполнении таких требований, как отсутствие заметной "пусковой" эрозии изолятора и размещение системы поджига вне зоны интенсивного тепловыделения и плазмообразования.

Целью изобретения является повышение надежности устройства при одновременном улучшении пусковых характеристик в широком диапазоне рабочих напряжений и режимов.

Для достижения этой цели в известном вакуумном электроразрядном устройстве, включающем 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.

Расположение дополнительного электрода в непосредственной близости к токопроводу (величина вакуумного промежутка в системе поджига ≈ 0,1-0,5 мм) и возможное в связи с этим снижение более, чем на порядок затрат энергии на создание инициирующей плазмы требуемой плотности, позволяют практически полностью устранить "пусковую" эрозию изолятора. При этом образование высокоплотной вспомогательной плазмы за счет эрозии дополнительного электрода, улучшение условий и скорости ее получения обеспечивают надежное возбуждение разряда в электроразрядной системе и самовосстановление тонкопленочного токопровода в системе поджига. Расположение же ее изолятора вне зоны оптической видимости плазмообразующей поверхности катода электроразрядной системы экранирует изолятор системы поджига от плазмы основного разряда и устраняет осаждение ее в системе поджига. Все это и обеспечивает достижение поставленной цели.

Кроме того дополнительный электрод в системе поджига может быть выполнен в виде полости усеченного конуса.

Благодаря собственному расширению инициирующей и вспомогательной плазмы и под действием электромагнитных сил, создаваемых контуром тока вспомогательного разряда, плазма выталкивается из промежутка в системе поджига в электроразрядную систему, что способствует увеличению эффективности возбуждения в ней электрического разряда.

С целью получения высокооднородного по составу плазменного потока, создаваемого устройством, дополнительный электрод системы поджига выполняют из того же материала, что и плазмообразующий катод электроразрядной системы.

Достижение этой цели обеспечивается благодаря получению высокочистой вспомогательной плазмы, что исключает загрязнение плазменного потока при запуске устройства.

Данное изобретение поясняется чертежом.

Вакуумное электроразрядное устройство включает коаксиальную электроразрядную систему 1, содержащую анод 2 и плазмообразующий катод 3, систему поджига 4, отделенную от катода вакуумным промежутком 5 и содержащую изолятор 6, снабженный тонкопленочным токопроводом 7, два электрода 8 и 9 противоположной полярности, контактирующие с токопроводом, и дополнительный электрод 10, и систему питания 11, состоящую из основного 12, пускового 13 и вспомогательного 14 источников питания. В качестве пускового и вспомогательного источников питания использованы конденсаторы Сп и Св соответственно. Дополнительный электрод 10 системы поджига отделен вакуумным промежутком 15 от остальных ее элементов и соединен с отрицательным полюсом вспомогательного источника питания 14. Положительный полюс вспомогательного источника питания соединен с электродом 8 системы поджига 4. Пусковой источник питания 13 присоединен к электродам 8 и 9 системы поджига через ключ К. Анод 2 и плазмообразующий катод 3 электроразрядной системы 1 соединены с соответствующими полюсами основного источника питания 12. Вакуумный промежуток 15 в системе поджига 4 представляет собой объем в виде полого усеченного конуса. Изолятор 6, снабженный тонкопленочным токопроводом 7, расположен вне зоны оптической видимости плазмообразующей поверхности катода.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения от пускового источника питания 13 через ключ К на электроды 8 и 9 системы поджига 4 происходит электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 7 с поверхности изолятора 6. Образовавшаяся плазма заполняет при этом вакуумный промежуток 15, что приводит к возникновению вспомогательного разряда между дополнительным электродом 10 и электродом 8 системы поджига. Горение вспомогательного разряда поддерживается в течение времени, необходимого для возбуждения основного разряда, за счет поступления энергии от вспомогательного источника питания 14. Образовавшаяся на стадии возбуждения основного разряда плазма благодаря собственному расширению и под действием электромагнитных сил, создаваемых контуром тока вспомогательного разряда в конусообразном промежутке 15, выталкивается в электроразрядную систему 1. При достижении около плазмообразующей поверхности катода 3 и в промежутке между ним и анодом 2 требуемых для возбуждения плотностей вспомогательной плазмы развивается основной разряд между электродами электроразрядной системы 1, горение которого поддерживается основным источником питания 12, обеспечивающим подачу на электроразрядную систему напряжения Up.

Поставленная в результате эрозии торцовой поверхности катода 3 плазма формируется электроразрядной системой 1 в плазменный поток.

По окончании вспомогательного разряда часть вспомогательной плазмы осаждается на поверхности изолятора 6, восстанавливая тонкопленочный токопровод 7 и подготавливая тем самым устройство к следующему запуску.

Осаждение на изоляторе эрозионной плазмы основного разряда исключается благодаря тому, что он расположен вне зоны оптической видимости плазмообразующей поверхности катода электроразрядной системы.

Постоянство толщины токопровода (сопротивления тонкой пленки) сравнительно легко обеспечивается соответствующим выбором емкости С_в вспомогательного источника питания 14 и величины вакуумного промежутка 15 в системе поджига 4. При этом количество испаряемого во время пускового импульса материала токопровода 7 равно количеству материала, осаждаемого из плазмы вспомогательного разряда при его окончании.

Предложенное вакуумное электроразрядное устройство обладает высокой надежностью и хорошими пусковыми характеристиками в широком диапазоне рабочих напряжений и режимов.

При практически тех же, что и в известном устройстве, затратах энергии на создание вспомогательной плазмы и расположении изолятора системы поджига в 2,5 раза дальше от плазмообразующего катода электроразрядной системы вероятность возбуждения разряда в предложенном устройстве на 10-12% выше, чем в известном. Она достигает 99,8% при работе устройства в импульсных режимах и превышает 90% при работе в стационарном режиме. За счет снижения затрат энергии на образование инициирующей плазмы более, чем на порядок, снижается "пусковая" эрозия изолятора. В 3-4 раза увеличивается быстродействие время перехода к основному разряду. Наработка на отказ в стационарном режиме при мощности основного источника питания 9,8 кВт и числе запусков 10³ превышает 200 ч, что в 4-10 раз превосходит этот же показатель для известных устройств. В импульсном режиме при частоте следования импульсов 40 Гц, энергии пускового импульса Е_п 0,5 Дж, затратах энергии на вспомогательный разряд Е_в 2,5 Дж и энергии, затрачиваемой на основной разряд, Е_р 60 Дж на предложенном устройстве произведено свыше 7,2˙10⁷ импульсов. Сопротивление тонкопленочного токопровода при этом практически не изменяется. Каких-либо существенных изменений, препятствующих дальнейшей эксплуатации устройства, не обнаружено.

Предложенное устройство обеспечивает надежное возбуждение разряда, получение однородного по составу плазменного потока, устраняет появление отказов, обусловленных быстрым изменением толщины токопровода, работоспособно в широком диапазоне рабочих напряжений и режимов.

Оно может быть использовано в различных областях техники, связанных с получением и применением потоков электроэрозионной плазмы.

Изобретения в вакуумном технологическом оборудовании значительно расширяет область применения подобных устройств.

1. 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 источника питания, отличающееся тем, что, с целью повышения его надежности при одновременном улучшении пусковых характеристик в широком диапазоне рабочих напряжений и режимов, 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. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод в системе поджига выполнен в виде полого усеченного конуса.