ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ
VACUUM ARC PLASMA SOURCE

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно, к вакуумно-дуговым устройствам, предназначенным для генерации плазмы и осуществления технологических операций, связанных с предварительной обработкой и нанесением на поверхность изделий различного рода металлических покрытий.
10
13
2
В процессе работы вакуумно-дуговых источников плазмы между электродами устройства зажигается и поддерживается вакуумный дуговой разряд, горящий в парах материала, например металла, из которого изготовлен катода. Генерация рабочего вещества осуществляется из катодных пятен, перемещающихся по относительно холодной поверхности катода. На поверхности катодных пятен плотность выделяемой мощности достигает значений от 10 до 10 Вт/м. В области катодных пятен интенсивно протекают локальные процессы испарения и ионизации паров материала катода. При отсутствии внешних магнитных полей направление движения катодных пятен носит хаотический характер либо направленный дрейфовый характер, обусловленный взаимодействием разрядного тока с собственным магнитным полем.
Катодные пятна с конечной вероятностью могут перейти с рабочей поверхности катода на боковую поверхность, что может привести к аварийной ситуации и выходу устройства из строя. Известны методы стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода и методы управления движением катодного пятна по рабочей поверхности катода с помощью внешнего магнитного поля различной конфигурации. При наложении внешнего магнитного поля на область рабочей поверхности катода движение катодного пятна становится направленным, и скорость перемещения пятна увеличивается. В этом случае снижается выход капельной фракции с поверхности катода, что положительно влияет на качество покрытий, наносимых с помощью источника плазмы. Данное явление связано с сокращением длительности локального теплового воздействия катодного пятна на поверхность катода.
Известны вакуумно-дуговые источники плазмы, в которых для стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода используется внешнее магнитное поле арочной конфигурации. Такое магнитное поле создается, например, с помощью источника магнитодвижущей силы (источника магнитного поля), выполненного в виде электромагнитной катушки, и магнитопровода, которые размещаются с тыльной стороны держателя катода.
В патенте США №US 4724058 (МПК: С23С 14/22, дата публикации: 09.02.1988) описано устройство, с помощью которого создается магнитное поле арочной конфигурации над поверхностью катода. Вакуумно-дуговой источник плазмы содержит одну или несколько электромагнитных катушек, каждая из которых подключена к импульсному блоку электропитания. При импульсном электропитании через электромагнитные катушки начинают протекать импульсы тока, периодически возбуждающие над поверхностью катода внешнее магнитное поле арочной конфигурации. В результате взаимодействия тока дуги с периодически генерируемым магнитным полем катодные пятна приобретают направленное движение: катодные пятна с высокой скоростью начинают двигаться по замкнутым траекториям под вершиной арки магнитного поля в области с максимальным значением тангенциальной (параллельной поверхности катода), составляющей индукции суммарного магнитного поля. При использовании двух электромагнитных катушек, через которые протекают смещенные по фазе импульсы тока треугольной формы, управляемое движение катодных пятен попеременно происходит между арками магнитных полей, возбуждаемых электромагнитными катушками. Однако при работе данного устройства наблюдается невысокая равномерность выработки катода, поскольку рабочая зона катодных пятен ограничена вершинами двух периодически генерируемых арок магнитного поля, которые не изменяют своего положения вдоль поверхности катода. Более того, при возникновении нескольких катодных пятен в рабочей зоне происходит взаимное отталкивание катодных пятен, в результате которого одно из катодных пятен может выйти за пределы действия управляющего магнитного поля. После этого «вытолкнутое» катодное пятно не возвращается под арку магнитного поля и совершает неуправляемое хаотическое движение по поверхности катода вне рабочей зоны.
В патентной заявке №ЕР 0283095 А1 (МПК: С23С 14/32, H01J 37/32, дата публикации: 21.09.1988) описана конструкция вакуумно-дугового источника плазмы, в котором локализация катодного пятна на поверхности катода осуществляется путем перемещения магнитного поля с арочной конфигурацией силовых линий относительно поверхности катода. В качестве источника магнитодвижущей силы (источника магнитного поля) применяется сборка постоянных магнитов или электромагнитные катушки. Для перемещения магнитного поля относительно поверхности катода по заданной траектории с требуемой периодичностью магнитная система снабжена механическим приводом, который установлен под держателем катода. В результате перемещения источника магнитодвижущей силы у рабочей поверхности катода формируется перемещающееся магнитное поле арочной конфигурации, при этом катодные пятна двигаются (вместе с магнитным полем) в область рабочей поверхности катода с максимальным значением тангенциальной составляющей индукции магнитного поля.
Следует отметить, что магнитные системы с механическими средствами перемещения источника магнитодвижущей силы имеют сложную конструкцию, большую массу и габариты. Кроме того, механизм перемещения обладает ограниченным быстродействием и инерционностью. Вследствие этого данные устройства не нашли широкого применения в технологических процессах обработки поверхностей. Кроме того, из-за ограниченной скорости перемещения магнитного поля по поверхности катода, что связано с использованием механического привода, на рабочей поверхности возникают зоны перегрева. Из-за взаимного отталкивания катодных пятен одно из пятен может выйти из области действия управляющего магнитного поля и перейти на участок катода с меньшим межэлектродным напряжением, что приводит к хаотическому неуправляемому движению пятен по поверхности катода.
Для более эффективного управления движением катодных пятен по поверхности катода применяются сложные магнитные системы, состоящие из нескольких электромагнитных катушек. Так, например, в опубликованной патентной заявке №US 2004/0154919 (МПК: С23С 14/34, дата публикации: 12.04.2004) описан вакуумно-дуговой источник плазмы, включающий в свой состав охлаждаемый катод, держатель катода, анод и магнитную систему управления движением катодных пятен по рабочей поверхности катода. Магнитная система содержит две электромагнитные катушки, установленные под держателем катода в непосредственной близости от рабочей поверхности катода. Электромагнитные катушки расположены коаксиально относительно друг друга, а между катушками установлены магнитопроводящие элементы.
Арочное магнитное поле над рабочей поверхностью катода создается путем попеременного включения первой и второй электромагнитной катушки с помощью системы управления. Каждая из электромагнитных катушек создает локальное магнитное поле у поверхности катода: катушка большего диаметра (внешняя катушка) генерирует магнитное поле у периферийной части катода, а катушка меньшего диаметра (внутренняя катушка) - в центральной части катода. Магнитопроводящие элементы обеспечивают требуемую концентрацию магнитного поля в области рабочей части поверхности катода.
При изменении величины тока, пропускаемого через электромагнитные катушки, локальное арочное магнитное поле смещается в пространственной области между внешней и внутренней электромагнитными катушками. Однако применение управляющей магнитной системы не обеспечивает необходимую равномерность выработки материала катода, поскольку область локализации катодных пятен ограничена на поверхности катода кольцевой зоной, расположенной между внутренней и внешней вершинами арок магнитного поля, генерируемого электромагнитными катушками. Кроме того, для эффективного управления работой магнитной системы требуется достаточно сложная система управления.
Наиболее близким аналогом изобретения является вакуумно-дуговой источник плазмы с управляемым перемещением катодных пятен, конструкция которого раскрыта в описании к патенту №CN 1021062C (МПК: С23С 14/35, дата публикации: 02.06.1993). Известный вакуумно-дуговой источник плазмы содержит охлаждаемый катод, держатель катода, анод, блок электропитания дугового разряда, подключенный к катоду и аноду, и магнитную систему управления движением катодных пятен по рабочей поверхности катода. Магнитная система данного устройства включает в свой состав одну или несколько электромагнитных катушек, каждая из которых подключена к управляемому блоку электропитания, выполненному с возможностью изменения величины тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку. Катушки магнитной системы расположены под держателем катода в непосредственной близости от катода. В состав магнитной системы входит также один или несколько участков магнитопровода.
В процессе работы данного устройства с помощью магнитной системы создается относительно равномерное распределение катодных пятен по поверхности катода за счет изменения радиальной (тангенциальной) и аксиальной составляющих индукции магнитного поля. Часть поверхности катода, по которой перемещаются по замкнутым траекториям катодные пятна, периодически изменяется от минимального до максимального размера. Изменение площади локальной поверхности катода, занятой катодными пятнами, происходит за счет изменения величины тока, протекающего через выбранную управляющую электромагнитную катушку.
Управление катодными пятнами в определенных локальных зонах позволяет повысить равномерность выработки (испарения) материала катода, равномерность наносимого покрытия и повысить скорость технологического процесса нанесения покрытий. Однако применение описанной выше конструкции магнитной системы связано с существенным усложнением системы управления. Вместе с тем, не исключается возможность выхода катодных пятен за пределы рабочей зоны поверхности катода при одновременном действии двух локальных магнитных полей с арочной конфигурацией силовых линий. Попадая в зону между вершинами арок соседних магнитных полей, катодное пятно выталкивается из рабочей зоны поверхности катода. После этого катодное пятно не возвращается под арку силовых линий магнитного поля, поскольку оно попадает на участки поверхности катода с меньшим значением межэлектродного напряжения. Вследствие этого часть катодных пятен совершает в процессе работы устройства неконтролируемое хаотическое перемещение по поверхности катода с относительно малыми скоростями, что приводит к неравномерной выработке материала катода на локальных участках поверхности катода.
При перемещении катодных пятен вдоль замкнутой траектории движения, ограниченной близлежащими арками силовых линий магнитного поля, образуется узкая дорожка, вдоль которой преимущественно двигаются катодные пятна. При многократном прохождении катодных пятен по замкнутой траектории с высокой скоростью происходит локальный перегрев поверхности катода и образуется узкий «горячий след», вдоль которого происходит генерация капельной фазы. Следует отметить, что локальный перегрев поверхности катода при использовании вакуумно-дугового источника плазмы известной конструкции обусловлен ограниченной зоной управления движением катодных пятен по поверхности катода.
В результате данных явлений в генерируемом плазменном потоке появляется капельная фракция, возникающая при интенсивном испарении материала катода с перегретых участков поверхности катода. При локальном перегреве поверхности катода затрудняется также применение катодов, изготовленных из спеченных порошков.
Изобретение направлено на создание у поверхности катода периодически изменяемого магнитного поля с управляемой конфигурацией силовых линий, с помощью которой обеспечивается управляемое перемещение катодных пятен по всей рабочей поверхности катода. За счет этого исключается возможность возникновения локальных зон перегрева поверхности катода и предотвращается выход катодных пятен за пределы рабочей зоны. Решение данной технической задачи обеспечивает достижение следующих технических результатов: повышение эффективности использования материала катода за счет равномерной выработки материала катода по всей рабочей поверхности; снижение содержания капельной фракции в генерируемом плазменном потоке и повышение качества покрытий, наносимых с помощью вакуумно-дугового источника плазмы.
Перечисленные выше технические результаты обеспечиваются с помощью вакуумно-дугового источника плазмы, содержащего катодный узел, включающий в свой состав охлаждаемый катод, средство охлаждения катода и держатель катода, и анод. Блок электропитания дугового разряда подключается к катоду и аноду устройства. Магнитная система управления движением катодных пятен по рабочей поверхности катода содержит, по меньшей мере, один основной источник магнитного поля (источник магнитодвижущей силы), который расположен у поверхности катода со стороны размещения держателя катода. В состав магнитной системы входят магнитопровод и регулируемый блок электропитания. Магнитная система управления движением катодных пятен снабжена магнитным экраном и, по меньшей мере, одним дополнительным источником магнитного поля. В состав дополнительного источника магнитного поля входит дополнительный магнитопровод с магнитным полюсом, расположенным у поверхности катода со стороны держателя катода, и управляющая электромагнитная катушка, установленная на дополнительном магнитопроводе вне зоны размещения основного источника магнитного поля. К управляющей электромагнитной катушке подключен регулируемый блок электропитания, который выполнен с возможностью периодического изменения величины и/или направления тока, протекающего через катушку. Магнитный экран установлен между управляющей электромагнитной катушкой (дополнительным источником магнитного поля) и основными источниками магнитного поля.
Достижение технических результатов с помощью вакуумно-дугового источника плазмы в представленной совокупности существенных признаков обеспечивается за счет следующих процессов и явлений, происходящих при работе устройства.
t
t
t
t1
t2
t3
t1
t2
t3
Направленное движение катодных пятен при наложении внешнего магнитного поля на область рабочей поверхности катода связано с реализацией принципа максимума магнитного поля, согласно которому катодное пятно смещается в направлении области действия максимального значения тангенциальной (параллельной поверхности катода) составляющей индукции суммарного магнитного поля ∑B на границе катодного пятна. Индукция магнитного поля ∑Bвключает следующие составляющие: ∑B=|B+B+B|, где B - тангенциальная составляющая индукции магнитного поля тока разряда, протекающего через катодное пятно; B - тангенциальная составляющая индукции магнитного поля тока, протекающего по телу катода; B - тангенциальная составляющая внешнего магнитного поля (см., например, Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. Москва, Энергоатомиздат, 1988, стр.138, 150).
Данное явление связано с тем, что в результате поляризации прикатодной плазмы на границе катодного пятна в области минимума индукции магнитного поля формируется отрицательный объемный заряд, а в области максимума - положительный объемный заряд. При этом отрицательный объемный заряд подавляет эмиссию электронов из катодного пятна, а положительный объемный заряд интенсифицирует процесс эмиссии электронов. Вследствие этого эмиссионные центры смещаются в область максимума индукции магнитного поля. В области положительного объемного заряда (в области с максимальным значением величины тангенциальной составляющей магнитного поля) происходит интенсивная ионная бомбардировка поверхности катода, что обеспечивает наиболее выгодные энергетические условия для локализации катодного пятна. Указанные условия способствуют перемещению катодного пятна в область с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля.
t
Эффективное удержание катодного пятна на рабочей поверхности связано также с закономерностями движения катодного пятна в неоднородном магнитном поле. В достаточно сильном магнитном поле, с напряженностью более 10 мТл, катодное пятно перемещается в сторону вершины острого угла, образованного силовыми линиями магнитного поля, пересекающими поверхность катода. Одновременно катодное пятно двигается перпендикулярно тангенциальной составляющей магнитного поля (см. Аксенов В.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Формирование потоков металлической плазмы. Москва, ЦНИИатоминформ, 1984, стр.27, 28). При выходе катодного пятна на нерабочую поверхность под действием управляющего неоднородного магнитного поля пятно снова возвращается на рабочую поверхность. Такое смещение происходит при существенных значениях тангенциальной составляющей индукции магнитного поля. В случае если силовые линии магнитного поля пересекают поверхность катода преимущественно вдоль нормали к поверхности, т.е. при малых значениях тангенциальной составляющей индукции магнитного поля ∑B, движение катодного пятна становится практически неуправляемым.
Управление движением катодных пятен по поверхности катода без появления локальных зон перегрева поверхности достигается путем периодического изменения магнитного потенциала полюсов управляющей магнитной системы. За счет периодического изменения величины и/или направления тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку, изменяется величина и/или направление магнитного потока через магнитный полюс, расположенный под катодом. При этом, вследствие магнитного экранирования управляющей электромагнитной катушки, магнитное поле, генерируемое управляющей катушкой, непосредственно не влияет на неоднородное магнитное поле, создаваемое основными источниками магнитного поля. Перераспределение магнитных потоков над поверхностью катода осуществляется через магнитный полюс дополнительного магнитопровода.
Питание основных источников магнитного поля осуществляется независимо от электропитания управляющей электромагнитной катушки. Например, при использовании в качестве основных источников магнитного поля электромагнитных катушек в состав устройства входит дополнительный блок электропитания, подключенный к основным электромагнитным катушкам, которые размещены у поверхности катода со стороны держателя катода. Таким образом, в источнике плазмы используется магнитная система, управляющая движением катодного пятна, которая содержит два источника магнитного поля. Первый источник магнитного поля возбуждает над поверхностью катода неоднородное магнитное поле, например, с арочной конфигурацией магнитных силовых линий. Второй источник магнитного поля, выполненный в виде дополнительного магнитопровода с магнитным полюсом и удаленной управляющей электромагнитной катушкой, возбуждает над рабочей поверхностью катода периодически изменяющееся нестационарное магнитное поле. Создаваемое магнитное поле влияет на конфигурацию силовых линий неоднородного магнитного поля, возбуждаемого первым источником магнитного поля.
t
t
Одновременное действие двух источников магнитного поля с указанными свойствами приводит к изменению магнитного потенциала у полюсов, расположенных под катодом, и синхронному изменению конфигурации магнитных силовых линий вдоль всей рабочей поверхности катода с определенной периодичностью. Так, например, при увеличении потенциала внешних магнитных полюсов основного источника магнитного поля и соответствующем уменьшении потенциала внутреннего (центрального) магнитного полюса происходит смещение области с максимальным значением тангенциальной составляющей индукции суммарного магнитного поля ∑B вместе с траекторией движения катодных пятен в центральную часть поверхности катода. При изменении направления тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку, происходит увеличение потенциала внутреннего магнитного полюса и соответствующее уменьшение потенциала внешних магнитных полюсов. В этом случае область с максимальным значением ∑B вместе с траекторией движения катодных пятен смещается к периферийной части катода.
Таким образом, при реализации изобретения осуществляется управляемое перемещение катодных пятен не только вдоль замкнутых траекторий движения, но и периодическое смещение замкнутых траекторий движения катодных пятен по всей поверхности катода. Выбирая длительность полупериода изменения тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку, в соответствии со скоростью движения катодных пятен и теплофизическими свойствами материала катода, можно обеспечить равномерное движение катодных пятен по рабочей поверхности катода без образования локальных зон перегрева катода. Данная возможность позволяет, с одной стороны, существенно повысить коэффициент использования материала катода, а с другой - исключить капельное испарение катода и минимизировать образование капельной фракции в генерируемом плазменном потоке. За счет этого повышается качество покрытий, наносимых с помощью вакуумно-дугового источника плазмы.
Изменение потенциала магнитных полюсов, установленных под катодом, может быть обеспечено с помощью регулируемого блока электропитания, который выполнен с возможностью изменения величины тока или с помощью блока электропитания, выполненного с возможностью изменения направления тока. Наиболее эффективное изменение потенциала магнитных полюсов достигается с помощью универсального регулируемого блока электропитания, который выполнен с возможностью одновременного изменения величины и направления тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку.
В качестве, по меньшей мере, части магнитного экрана, установленного между управляющей электромагнитной катушкой и основным источником магнитного поля, может использоваться магнитопровод, входящий в состав магнитной системы управления движением катодных пятен.
При использовании катодов небольшой толщины (менее 20 мм) целесообразно применять в качестве основного источника магнитного поля сборки постоянных магнитов. Для катодов в виде дисков используются постоянные магниты кольцеобразной формы. В этом случае магнитный полюс дополнительного магнитопровода устанавливается в центральной части сборки постоянных магнитов соосно катоду.
Для катодов с большей толщиной (более 20 мм) в качестве основного источника магнитного поля применяется электромагнитная катушка, подключенная к дополнительному блоку электропитания. Данное выполнение источника магнитного поля позволяет корректировать величину индукции неоднородного магнитного поля над поверхностью катода при уменьшении толщины катода в результате выработки материала катода.
Для упрощения конструкции устройства дополнительный магнитопровод имеет форму стержня. Магнитопровод устанавливается с образованием зазора относительно основного магнитопровода. Дополнительный магнитопровод выполняется с магнитным полюсом, который расположен соосно катоду. Кольцевой магнитный полюс основного магнитопровода также устанавливается соосно катоду.
При использовании катодов в виде дисков дополнительный магнитопровод может быть выполнен в форме кольца и соединен с основным магнитопроводом. В данном варианте конструкции управляющая электромагнитная катушка устанавливается на кольцевом магнитопроводе, выполняющем также функцию магнитного экрана, расположенного между управляющей катушкой и основным источником магнитного поля. Дополнительный магнитопровод соединяется с центральным магнитным полюсом. В этом случае полюс дополнительного выполняется в виде торцевой стенки. Торцевая часть основного магнитопровода образует внешний полюс магнитной системы управления движением катодных пятен, а полюс дополнительного магнитопровода является центральным полюсом магнитной системы управления движением катодных пятен.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения вакуумно-дугового источника плазмы, входящего в состав технологической установки, предназначенной для нанесения металлических покрытий.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы с основным источником магнитного поля, выполненным в виде сборки постоянных магнитов (при нулевом значении тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку);
на фиг.2 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы, показанного на фиг.1, при одинаковом направлении векторов индукции магнитного поля у центрального и внешнего полюса магнитной системы;
на фиг.3 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы, показанного на фиг.1, при противоположном направлении векторов магнитной индукции у центрального и внешнего полюса магнитной системы.
на фиг.4 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы с основным источником магнитного поля, выполненным в виде электромагнитной катушки, при усилении магнитного поля у центрального магнитного полюса;
на фиг.5 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы с основным источником магнитного поля, выполненным в виде электромагнитной катушки, при ослаблении магнитного поля у центрального магнитного полюса;
на фиг.6 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы с дополнительным магнитопроводом в форме кольца.
Вариант конструкции вакуумно-дугового источника плазмы, изображенный на фиг.1-3 чертежей, основан на использовании в качестве основного источника магнитного поля постоянных магнитов. Источник плазмы включает в свой состав катодный узел. Катод 1 выполнен в форме диска. В качестве материала катода 1 используется сплав на основе титана. Катод 1 установлен на держателе 2. В качестве средства охлаждения катода 1 используется теплообменный узел системы принудительного водяного охлаждения (на чертеже не показана). Анодом источника плазмы служит корпус устройства. Вблизи катода 1 устанавливается устройство поджига дугового разряда (на чертеже не показано). Катод 1 и анод (корпус устройства) подключаются к соответствующим клеммам блока электропитания дугового разряда (на чертеже не показан).
Вакуумно-дуговой источник плазмы содержит магнитную систему управления движением катодных пятен по рабочей поверхности катода, включающую в свой состав основной источник магнитного поля, выполненный в виде сборки постоянных магнитов 3 кольцеобразной формы. Постоянные магниты 3 установлены у поверхности катода 1 со стороны размещения держателя 2. Магнитная система включает в свой состав основной магнитопровод 4, с которым соединены постоянные магниты 3. Магнитная система снабжена также дополнительным магнитопроводом 5, который выполнен в виде стержня с магнитным полюсом 6, расположенным у поверхности катода 1 со стороны размещения держателя 3. Полюс 6 установлен в центре сборки постоянных магнитов 3 соосно катоду 1 и служит центральным (внутренним) полюсом магнитной системы. Постоянные магниты 3 образуют кольцеобразный внешний (периферийный) полюс магнитной системы. В рассматриваемом варианте конструкции дополнительный магнитопровод 5 соединен с основным магнитопроводом 4. Магнитопроводы выполнены в виде единого элемента конструкции с центральным и внешним полюсами.
На дополнительном магнитопроводе 5 установлена управляющая электромагнитная катушка 7, которая подключена к регулируемому блоку электропитания, позволяющему периодически изменять величину и направление тока. В качестве регулируемого блока электропитания (источника тока) применяется генератор 8 низкочастотных знакопеременных и знакопостоянных сигналов. Диапазон частот следования управляющих сигналов, создаваемых с помощью генератора 8, включает частотный диапазон от 0,1 Гц до 20 Гц.
Между управляющей электромагнитной катушкой 7 и постоянными магнитами 3 установлен магнитный экран 9, охватывающий основной магнитопровод 4 и торцевую часть дискового катода 1. Структура магнитного поля, создаваемого у рабочей поверхности катода 1 с помощью управляющей магнитной системы, характеризуется арочной конфигурацией магнитных силовых линий 10.
Второй вариант конструкции вакуумно-дугового источника плазмы, изображенный на фиг.4 и 5 чертежей, основан на использовании в качестве основного источника магнитного поля электромагнитной катушки. В данном варианте вакуумно-дуговой источник плазмы также содержит катодный узел, включающий в свой состав катод 1 в форме диска. Катод 1 выполнен из рабочего металла, в качестве которого используется сплав на основе никеля. Катод 1 установлен на держателе 2 и снабжен теплообменным узлом системы принудительного водяного охлаждения (на чертеже не показана). В качестве анода источника плазмы используется корпус устройства. В непосредственной близости от катода 1 устанавливается устройство поджига дугового разряда (на чертеже не показано). Катод 1 и анод (корпус устройства) электрически соединены с блоком электропитания дугового разряда (на чертеже не показан).
Магнитная система, управляющая движением катодных пятен по рабочей поверхности катода, включает в свой состав основной источник магнитного поля, выполненный в виде электромагнитной катушки 11, которая подключена к блоку электропитания 12. Основной магнитопровод 4 частично охватывает электромагнитную катушку 11. Дополнительный магнитопровод 5 имеет форму стержня, торцевая часть которого служит магнитным полюсом 6. Полюс 6 расположен соосно катоду 1 у его поверхности со стороны размещения держателя 2 и выполняет функцию центрального (внутреннего) полюса магнитной системы. Между основным магнитопроводом 4 и дополнительным магнитопроводом 5 образован зазор. В рассматриваемом варианте конструкции устройства основной и дополнительный магнитопроводы 4 и 5 выполнены в виде отдельных элементов конструкции. Торцевая часть основного магнитопровода 4, имеющая форму кольца, служит внешним (периферийным) полюсом магнитной системы.
На дополнительном магнитопроводе 5 установлена управляющая электромагнитная катушка 7, которая подключена к генератору 8 низкочастотных знакопеременных и знакопостоянных сигналов. Генератор 8 обеспечивает изменение величины и направления тока, протекающего через катушку 7. Диапазон частот следования управляющих сигналов, создаваемых с помощью генератора 8, включает частотный диапазон от 0,1 Гц до 20 Гц.
Между управляющей электромагнитной катушкой 7 и электромагнитной катушкой 11 установлен магнитный экран 9, охватывающий основной магнитопровод 4 и торцевую часть дискового катода 1. Структура магнитного поля, создаваемого у рабочей поверхности катода 1 с помощью управляющей магнитной системы, характеризуется арочной конфигурацией магнитных силовых линий 10.
Третий вариант конструкции вакуумно-дугового источника плазмы, изображенный на фиг.6, основан на использовании дополнительного магнитопровода 5, выполненного в форме кольца и соединенного с основным магнитопроводом 4. В данном варианте конструкции вакуумно-дуговой источник плазмы содержит катодный узел с дисковым катодом 1, который установлен на держателе 2. Катодный узел снабжен теплообменником системы принудительного водяного охлаждения катода (на чертеже не показана). В качестве анода источника плазмы используется корпус устройства. В непосредственной близости от катода 1 размещено устройство поджига дугового разряда (на чертеже не показано). Катод 1 и анод (корпус устройства) соединены с блоком электропитания дугового разряда (на чертеже не показан).
Магнитная система, управляющая движением катодных пятен по рабочей поверхности катода, включает в свой состав основной источник магнитного поля, выполненный в виде электромагнитной катушки 11, которая подключена к блоку электропитания 8. Основной магнитопровод 4 частично охватывает электромагнитную катушку 11. Дополнительный магнитопровод 5 выполнен в форме кольца с торцевой стенкой, на которой образован магнитный полюс 6. Магнитопроводы 4 и 5 соединены между собой и выполнены в виде единого элемента конструкции. Торцевая часть основного магнитопровода 4 образует внешний (периферийный) полюс магнитной системы в форме кольца, а полюс 6 дополнительного магнитопровода 5 служит центральным полюсом магнитной системы.
На дополнительном магнитопроводе 5, выполненном в форме кольца, установлена управляющая электромагнитная катушка 7, которая подключена к генератору 8 низкочастотных знакопеременных и знакопостоянных сигналов. Генератор 8 обеспечивает изменение величины и направления тока, протекающего через катушку 7. Диапазон частот следования управляющих сигналов, создаваемых с помощью генератора 8, включает частотный диапазон от 0,1 Гц до 20 Гц.
Между управляющей электромагнитной катушкой 7 и электромагнитной катушкой 11 установлен экран 9, охватывающий часть основного магнитопровода 4 и торцевую часть дискового катода 1. В рассматриваемом варианте конструкции источника плазмы экран 9 выполняет защитную функцию, а функцию магнитного экрана выполняют части магнитопроводов 4 и 5, которые охватывают электромагнитную катушку 11. Экран 9 может быть выполнен из магнитного материала. В этом случае экран 9 применяется в качестве дополнительного магнитного экрана.
Работа вакуумно-дугового источника плазмы, изображенного на фиг.1-3, осуществляется следующим образом.
Катод 1, изготовленный из рабочего металла, устанавливается на держателе 2. Перед началом работы устройства включают систему принудительного водяного охлаждения катода. Вода подается из напорной магистрали системы охлаждения в трубчатый теплообменник, расположенный под катодом 1 (на чертеже не показан). После отбора тепловых потоков от катода 1 нагретая вода направляется в магистраль слива системы охлаждения. С помощью средства охлаждения катода 1 обеспечивается режим работы вакуумно-дугового источника плазмы с «холодным» (охлаждаемым) катодом.
У рабочей поверхности катода 1 с помощью магнитной системы управления движением катодных пятен создается магнитное поле, имеющее арочную конфигурацию магнитных силовых линий 10. Магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов 3, расположенных под держателем 2 катода 1, и основного магнитопровода 4. Постоянные магниты 3 служат внешним полюсом магнитной системы. На управляющую электромагнитную катушку 7 от генератора 8 подаются знакопеременные импульсы тока. Частота следования управляющих импульсов тока выбирается в диапазоне от 0,1 Гц до 20 Гц в зависимости от материала, формы и размеров катода. Для катода 1, имеющего форму диска, преимущественно используются импульсы синусоидальной или параболической формы.
Магнитный поток, создаваемый с помощью управляющей электромагнитной катушки 7, концентрируется и передается через дополнительный магнитопровод 5 и центральный магнитный полюс 6 в область пространства над рабочей поверхностью катода 1. Возбуждаемое магнитное поле вне тела дополнительного магнитопровода 5 экранируется от магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 3 (основными источниками магнитного поля) с помощью магнитного экрана 9. В результате взаимодействия неоднородного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 3, и периодически изменяющегося нестационарного магнитного поля, возбуждаемого управляющей электромагнитной катушкой 7, у рабочей поверхности катода 1 создается суммарное магнитное поле с периодически изменяемой арочной конфигурацией силовых линий 10.
На катод 1 и корпус устройства, служащий анодом, подается разрядное напряжение от блока электропитания дугового разряда. Инициация вакуумного дугового разряда осуществляется с помощью вспомогательного электрода устройства поджига разряда. После подачи импульсов высокого напряжения на поджигающий электрод происходит пробой межэлектродного промежутка и зажигается вакуумная дуга между разрядными электродами. После инициации основного разряда прекращается подача импульсов напряжения на поджигающий электрод, на поверхности катода 1 образуется катодное пятно, перемещающееся по замкнутым траекториям под вершинами арок силовых линий 10 магнитного поля.
t
Магнитное поле у рабочей поверхности катода 1 периодически изменяется в результате изменения величины и направления индукции магнитного поля  вблизи центрального полюса 6 магнитной системы, который является полюсом дополнительного магнитопровода 5. За счет периодического изменения величины и/или направления тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку 7, изменяется распределение магнитного поля вдоль поверхности катода 1. В частности, изменяется положение на поверхности катода 1 области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B, в которой локализуются катодные пятна.
Для варианта конструкции устройства, изображенного на фиг.1-3, характерно влияние индукции магнитного поля в дополнительном магнитопроводе 5 и, соответственно, индукции  вблизи центрального полюса 6 магнитной системы на величину индукции  у внешнего кольцевого полюса магнитной системы. Данное взаимное влияние обусловлено тем, что основной и дополнительный магнитопроводы 4 и 5 соединены между собой и выполнены в виде единого элемента конструкции.
Конфигурация силовых линий 10 магнитного поля при равенстве магнитных потенциалов у центрального и внешнего полюсов магнитной системы, что имеет место, например, при нулевом значении тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку 7, представляет собой симметричную арочную форму (см. фиг.1 чертежей). В этом случае замкнутые траектории движения катодных пятен сосредоточены в срединной части поверхности катода 1: между центром катода и его периферийной частью.
t
В следующий момент времени происходит изменение сигнала, формируемого генератором 8, и через управляющую электромагнитную катушку 7 протекает электрический ток, величина и направление которого, обеспечивают минимальное значение индукции у центрального полюса 6 и рост индукции у внешнего кольцевого полюса магнитной системы. При этом вектор индукции  магнитного поля у центрального полюса 6 направлен в том же направлении, что и вектор индукции  у внешнего полюса магнитной системы (см. фиг.2). При данном распределении магнитных потенциалов вдоль поверхности катода 1 происходит смещение области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B в направлении к центру катода 1. В результате замкнутые траектории движения катодных пятен также смещаются в радиальном направлении к центру катода 1.
После этого происходит изменение величины и полярности сигнала, формируемого генератором 8, и через управляющую электромагнитную катушку 7 протекает электрический ток, величина и направление которого обеспечивают изменение направления индукции у центрального полюса 6 с последующим увеличением величины индукции  и одновременное снижение величины индукции
t
у внешнего полюса магнитной системы. Вектор индукции  магнитного поля у центрального полюса 6 изменяет свое направление на противоположное по отношению к вектору индукции  у внешнего кольцевого полюса магнитной системы (см. фиг.3). При данном распределении магнитных потенциалов вдоль поверхности катода 1 происходит смещение арки магнитного поля и области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B в направлении от центра катода 1 к его периферии (см. фиг.3). Замкнутые траектории движения катодных пятен также смещаются в радиальном направлении к периферийной части катода 1.
Таким образом, при периодическом изменении величины и/или направления тока, протекающего через управляющую электромагнитную катушку 7, синхронно происходит смещение замкнутых траекторий движения катодных пятен в радиальном направлении от центра к периферии катода 1, а затем в обратном направлении: от периферийной части катода 1 к его центральной части.
В зависимости от размера катода и его материала можно выбирать форму и амплитуду сигнала, формируемого генератором 8, и периодичность (частоту) следования сигналов, при которых обеспечивается максимальная выработка материала катода. На основании результатов проведенных испытаний устройства с дисковым катодом диаметром 180 мм было установлено, что при использовании изобретения коэффициент использования материала катода составляет не менее 85%.
При выбранной для используемого металлического катода периодичности перемещения замкнутых траекторий движения катодных пятен между центром катода и его периферийной частью достигается равномерная выработка материала катода и равномерный нагрев всей поверхности катода. В данном случае существенно снижается вероятность образования на поверхности катода зон локального перегрева. Вследствие этого практически исключается выброс капельной фракции металла в генерируемый поток плазмы.
Аналогичным образом осуществляется работа варианта конструкции вакуумно-дугового источника плазмы, изображенного на фиг.4 и 5 чертежей. Отличие данного варианта конструкции заключается в использовании полюсов магнитной системы, не связанных между собой магнитопроводящей цепью. Поскольку дополнительный магнитопровод 5 установлен с образованием зазора относительно основного магнитопровода 4, центральный полюс 6, являющийся частью дополнительного стрежневого магнитопровода 5, не связан с внешним кольцевым полюсом, который образован торцевой частью основного магнитопровода 4. Для данной конструкции возможно независимое возбуждение магнитных полей у центрального и внешнего полюса магнитной системы. В этом случае при изменении магнитного потенциала центрального полюса магнитный потенциал внешнего полюса практически не изменяется.
Образование разрыва в магнитопроводящей цепи позволяет независимо от стационарного неоднородного магнитного поля, возбуждаемого у внешних полюсов, изменять нестационарное магнитное поле у центрального полюса с помощью управляющей электромагнитной катушки 7, подключенной к генератору 8. Неоднородное магнитное поле в рассматриваемом варианте конструкции устройства создается с помощью основного источника магнитного поля, выполненного в виде электромагнитной катушки 11, которая подключена к блоку электропитания 12. С помощью двух независимых источников магнитного поля (электромагнитных катушек) у рабочей поверхности катода 1 создается суммарное магнитное поле с арочной конфигурацией силовых линий. При этом магнитное поле, возбуждаемое управляющей электромагнитной катушкой 7 вне тела дополнительного магнитопровода 5, экранируется от магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 11, с помощью магнитного экрана 9.
t
После инициации вакуумного дугового разряда катодные пятна перемещаются по замкнутым траекториям вдоль поверхности катода 1 под вершинами арок магнитного поля (в область с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B). Для управления движением катодных пятен на управляющую электромагнитную катушку 7 от генератора 8 подаются низкочастотные импульсы тока при неизменной величине тока, протекающего через электромагнитную катушку 11. Возбуждаемый с помощью управляющей электромагнитной катушки 7 магнитный поток концентрируется и передается через дополнительный магнитопровод 5 и центральный магнитный полюс 6 в пространственную область над рабочей поверхностью катода 1.
t
При использовании не связанных друг с другом магнитопроводов величина индукции  вблизи центрального полюса магнитной системы практически не влияет на величину индукции  у внешнего кольцевого полюса магнитной системы. С генератора 8 на управляющую электромагнитную катушку 7 подаются периодически изменяющиеся знакопостоянные сигналы тока. Через катушку 7 начинает протекать электрический ток, величина которого изменяется во времени. При увеличении тока растет величина индукции магнитного поля у полюса 6. Вектор индукции  у центрального полюса направлен в противоположном направлении по отношению к вектору индукции  у внешнего кольцевого полюса магнитной системы (см. фиг.4). При данном распределении магнитных потенциалов вдоль поверхности катода 1 происходит смещение области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B в направлении от центра катода 1 к его периферийной части. Замкнутые траектории движения катодных пятен также смещаются в радиальном направлении к периферийной части катода 1 под вершину арки силовых линий 10 магнитного поля.
t
После достижения максимального значения сигнала происходит уменьшение величины тока, протекающего через катушку 7, в соответствии с формой управляющего сигнала, задаваемого генератором 8. При уменьшении тока снижается величина индукции магнитного поля у центрального полюса (см. фиг.5). При этом вектор индукции  у центрального полюса не изменяет своего направления: вектор индукции  направлен в противоположном направлении по отношению к вектору индукции  у внешнего кольцевого полюса магнитной системы. В результате перераспределения магнитных потенциалов вдоль поверхности катода 1 происходит смещение области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B в направлении от периферийной части к центру катода 1. Замкнутые траектории движения катодных пятен также смещаются в радиальном направлении к центру катода 1 под вершину арки силовых линий 10 магнитного поля.
Периодическое изменение магнитного поля над рабочей поверхностью катода 1 с помощью управляющей электромагнитной катушки 7 независимо от магнитного поля, возбуждаемого электромагнитной катушкой 11, обеспечивает управляемое перемещение катодных по всей поверхности катода 1. Движение катодных пятен происходит вдоль замкнутых траекторий вокруг центра катода 1 и в радиальном направлении между центральной частью катода 1 и его периферийной частью. Следует отметить, что при изменении не только величины, но и направления тока, протекающего через управляющую катушку 7, радиальное смещение катодных пятен для рассматриваемого варианта конструкции устройства осуществляется таким же образом, как и в процессе работы первого варианта конструкции устройства, изображенного на фиг.1-3.
Работа вакуумно-дугового источника плазмы, изображенного на фиг.6, осуществляется аналогично первому варианту конструкции. Отличие заключается в использовании в качестве основного источника магнитного поля электромагнитной катушки 11, которая подключена к блоку электропитания 12. Кроме того, в качестве дополнительного магнитопровода, на котором установлена управляющая катушка 7, используется магнитопровод 5 в форме кольца с торцевой стенкой, на которой образован магнитный полюс 6.
С помощью генератора 8 производится изменение величины и/или направления тока, протекающего через катушку 7. Магнитный полюс 6 служит центральным полюсом магнитной системы. Внешний (периферийный) полюс магнитной системы образован торцевой частью основного магнитопровода 4. Магнитное поле, возбуждаемое управляющей электромагнитной катушкой 7 вне тела дополнительного магнитопровода 5, экранируется от магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 11, с помощью магнитного экрана, в качестве которого используются участки магнитопроводов 4 и 5. Экранирующие части основного и дополнительного магнитопроводов 4 и 5 размещены в области действия управляющего магнитного поля, возбуждаемого электромагнитной катушкой 7, между электромагнитными катушками 11 и 7. Экран 9, окружающий торцевую часть катода 1, используется в рассматриваемом примере конструкции источника плазмы в качестве защитного экрана в процессе распыления катода.
t
Для рассматриваемого варианта конструкции устройства характерно влияние индукции магнитного поля вблизи центрального полюса на величину индукции у внешнего кольцевого полюса магнитной системы, образованного основным магнитопроводом 4. Данное взаимное влияние магнитных полей обусловлено тем, что основной и дополнительный магнитопроводы 4 и 5 соединены между собой магнитопроводящей цепью и выполнены в виде единого элемента конструкции. В процессе работы устройства магнитное поле у поверхности катода 1 периодически изменяется в результате изменения величины и/или направления индукции магнитного поля у полюса 6 дополнительного магнитопровода 5. Вследствие этого изменяется распределение магнитного поля вдоль поверхности катода 1 и происходит периодическое смещение области с максимальным значением тангенциальной составляющей суммарного магнитного поля ∑B, в которой находятся катодные пятна, по всей поверхности катода 1. Управляемое перемещение замкнутых траекторий движения катодных пятен осуществляется в радиальном направлении от центральной части катода 1 к его периферийной части и обратно.
Применение магнитной системы управления движением катодных пятен, включающей в свой состав дополнительный магнитопровод с магнитным полюсом, установленным у рабочей поверхности холодного катода, управляющую электромагнитную катушку, через которую протекает периодически изменяющийся ток, и средство экранирования магнитных полей, позволяют повысить эффективность использования материала катода, обеспечить генерацию плазменных потоков с минимальным содержанием капельной фракции и повысить качество покрытий, наносимых с помощью вакуумно-дугового источника плазмы.
Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных формах выполнения элементов конструкции вакуумно-дугового источника плазмы и использовании катода в форме диска, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения. Так, например, для генерации управляющего магнитного поля у рабочей поверхности катода могут использоваться магнитопроводы различной конструкции. Основной и дополнительный магнитопроводы могут быть соединены между собой и образовывать единую магнитопроводящую цепь. Магнитопроводы могут быть разорваны, т.е. установлены с зазором относительно друг друга. В составе магнитной системы могут использоваться несколько основных источников магнитного поля и несколько дополнительных магнитопроводов с управляющими электромагнитными катушками, каждая из которых независимо подключается к регулируемому блоку электропитания.
В зависимости от материала, формы и размеров катода на управляющую электромагнитную катушку от регулируемого блока электропитания могут подаваться знакопостоянные сигналы электрического тока с периодически изменяемой амплитудой сигнала, знакопеременные периодические сигналы электрического тока с постоянной амплитудой либо знакопеременные периодические сигналы электрического тока с изменяемой амплитудой. Конкретный вид управляющего сигнала, формируемого регулируемым блоком электропитания, выбирается с учетом решаемой технологической задачи, характеристик катода и свойств наносимого покрытия.
Основной источник магнитного поля, обеспечивающий создание у рабочей поверхности катода неоднородного магнитного поля с арочной конфигурацией силовых линий, может быть выполнен с возможностью периодического изменения величины индукции поля. Такое изменение магнитного поля целесообразно производить синхронно с периодическим изменением магнитного поля, которое возбуждается управляющей электромагнитной катушкой. В данном случае основной источник магнитного поля выполняет функцию вспомогательного средства управления движением катодных пятен по поверхности катода, а дополнительный магнитопровод с управляющей электромагнитной катушкой выполняет функцию основного средства управления. Для реализации данной возможности основной источник магнитного поля выполняется в виде электромагнитной катушки и подключается к регулируемому источнику тока. Управляя магнитным полем у поверхности катода с помощью управляющей электромагнитной катушки и одновременно с помощью основного источника магнитного поля, можно добиться равномерного перемещения катодных пятен по всей поверхности катода, имеющей форму, отличную от круга. Источник плазмы с несколькими управляющими электромагнитными катушками и основным источником магнитного поля, выполненным с возможностью возбуждения периодически изменяющегося нестационарного магнитного поля, целесообразно применять, например, в случае использования катодов с большой площадью рабочей поверхности или катодов, имеющих форму многоугольника.
Вакуумно-дуговой источник плазмы может применяться в составе технологических установок, работа которых основана на генерации высокоскоростных потоков металлической плазмы, распространяющихся в вакууме или в разряженной атмосфере химически активных газов. Достижение перечисленных выше технических результатов позволяет использовать источник плазмы для решения ряда технологических задач, связанных с созданием функциональных, защитных и декоративных покрытий на основе как чистых металлов и их сплавов, так и различных химических соединений металлов (нитридов, карбидов, оксидов). Источник плазмы может применяться для нанесения покрытий из магнитных материалов.
Перечень цифровых обозначений (позиций) элементов вакуумно-дугового источника плазмы, изображенных на фиг.1- 6:
1 - катод;
2 - держатель катода;
3 - постоянные магниты;
4 - основной магнитопровод;
5 - дополнительный магнитопровод;
6 - магнитный полюс (центральный полюс магнитной системы);
7 - управляющая электромагнитная катушка;
8 - генератор низкочастотных знакопеременных и знакопостоянных сигналов;
9 - экран;
10 - магнитные силовые линии;
11 - электромагнитная катушка основного источника магнитного поля;