СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ И ОБРАЗОВАННОГО ЕЙ КАНАЛА ЗАДАННОЙ ФОРМЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА
METHOD OF FORMING HEAT CUMULATIVE JET AND CREATED PREDETERMINED SHAPE CHANNEL ON METAL CATHODE SURFACE

Область техники
Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах, между анодом и катодом которых при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Заявляемое изобретение может найти применение при формировании направленной тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного струей канала на металлической поверхности катода в дуговом импульсном разряде при взрыве размещаемой между электродами проволочки. При этом изобретение обеспечивает формирование тепловой кумулятивной струи и образованного канала на металлическом катоде с заданными параметрами (геометрией) канала (формы, ширины, длины и т.д.) посредством размещения на поверхности катода в месте формирования направленной кумулятивной струи диэлектрического шаблона с прорезью, обеспечивающей формирование канала требуемой траектории, ограничивающего поверхность катода. Это позволяет образовывать каналы проплавленного металла различной формы. Изобретение может найти применение в технике и научных исследованиях, в новых технологиях микроэлектроники. Изобретение может быть использовано при получении фигурных сварных швов [см., например, патент RU 2453408, опубликован 20.06.2012, бюл. №17], при нанесении надписей и номеров деталей на металле.
Уровень техники
Из уровня техники не известно решений, направленных на формирование тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного канала заданной траектории на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве размещенной между электродами проволочки.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения канала, образованного тепловой кумулятивной струей, плавящей металл, на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве металлической проволочки между электродами [патент RU 2537383, опубликован 10.01.2015, бюл. №1]. В соответствии с изобретением между катодом и анодом с фиксированным расстоянием между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние межэлектродного промежутка выбирается таким, при котором разряд самопроизвольно без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом проволочка располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал расплавленного металла, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Однако данный способ не позволяет формировать на поверхности катода тепловую кумулятивную струю, плавящую металл, и образованный ей канал заданной траектории.
Раскрытие изобретения
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа, позволяющего создавать на поверхности металлического катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами направленную тепловую кумулятивную струю, плавящую металл, и образованный ей канал заданной геометрией.
Технический результат изобретения заключается в возможности формирования движения тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, по заданной траектории с образованием соответствующего канала заданной формы. Технический результат достигается посредством размещения на поверхности катода диэлектрического шаблона с прорезью требуемой траектории, ограничивающего поверхность катода, и размещения проволочки в прорези шаблона с обеспечением заполнения всего объема прорези шаблона. Заявляемая технология обеспечивает создание на поверхности катода каналов с формой и размерами, точно соответствующими форме и размерам канала исходного шаблона, которые, в частности, могут быть использованы в микросхемах в качестве каналов проводимости, формируемых на поверхности металлических пластин. Кроме того, получаемые каналы характеризуются увеличением электропроводности по сравнению с электропроводностью материала катода и большей плотностью энергии, выделяемой на единицу длины.
Поставленная задача формирования направленной тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ей канала на металлической поверхности катода в дуговом импульсном разряде при взрыве размещенной между электродами проволочки включает подачу на электроды напряжения, обеспечивающего лавинный пробой разрядного промежутка, возникающий при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки с формированием тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ей канала на катоде, при этом на поверхности катода размещают диэлектрический шаблон с прорезью требуемой конфигурацией траектории, ограничивающей поверхность катода в области формирования и движения кумулятивной струи, причем электроды размещают на расстоянии друг от друга, исключающем самопроизвольное зажигание разряда без проволочки.
Контур прорези диэлектрического шаблона, заряжающийся отрицательно электронами из струи расплавленного металла, препятствует перемещению самой струи за его пределы, концентрируя энергию внутри контура, где происходит локальный разогрев металла, усиливающийся приходящими сюда же положительными ионами из плазмы, а геометрия шаблона задает геометрию канала на поверхности металлического катода. При этом полное заполнение канала расплавленным металлом происходит в том случае, если конец взрывающейся проволочки касается поверхности катода внутри контура прорези шаблона в точке с наиболее низким электрическим потенциалом. Диэлектрические шаблоны могут быть изготовлены из электроизоляционных лент, полимерных пленок, полимеров высокой плотности HDPE, а также из текстолита и других диэлектрических материалов, при этом шаблон выполнен с возможностью плотного прилегания к поверхности катода.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Между катодом с диэлектрическим шаблоном с прорезью требуемой траектории на его поверхности и анодом с тонкой проволочкой на конце при касании проволочки поверхности катода внутри шаблона при поданном напряжении на электроды возникает ток, который плавит и испаряет тонкую проволочку. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. В результате происходит пробой разрядного промежутка в парах металла, а из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде внутри прорези шаблона из области отрицательного объемного заряда электронов вытекает тепловая кумулятивная струя, плавящая металл и образующая канал. Контур прорези шаблона заряжается отрицательными электронами, внутри контура струя «запирается» электрическим полем зарядов и там концентрируется энергия. Внутрь контура попадают и ионы из плазмы. При изменении формы прорези шаблона изменяется и форма канала расплавленного металла. Таким образом, форма прорези шаблона позволяет задавать траекторию перемещения, возникающего при взрыве размещенной между электродами проволочки потока тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и траекторию образованного ей канала, а размещение конца проволочки в прорези шаблона в точке с наиболее низким электрическим потенциалом обеспечивает направление перемещения расплавленного металла. В этом случае расположенная на поверхности катода прорезь диэлектрического шаблона полностью заполняется расплавленным металлом.
Физические процессы, лежащие в основе заявляемого способа, заключаются в следующем. При взрыве проволочки в малой области вокруг точки касания катода и проволочки происходит локальный нагрев металла и выход горячих электронов из нагретой области. Поскольку на анод уходят не все электроны, у поверхности катода возникает отрицательный объемный заряд и электрическое поле пространственного заряда с минимумом потенциала около точки касания проволочки и катода. В результате над поверхностью металла образуется направленный поток электронов, движущийся в электрическом поле пространственного заряда. Электропроводность вдоль канала больше, чем средняя электропроводность металла катода. Движение заряженных частиц по каналу происходит из-за возникновения объемного пространственного заряда электронов и действующей при этом электрической силы. При помещении на поверхности катода диэлектрического шаблона с прорезью, ограничивающего поверхность катода, при импульсном пробое контур прорези шаблона заряжается отрицательно электронами из струи, внутри прорези контура накапливается энергия и образуется канал расплавленного металла. Изменение формы канала расплавленного металла достигается изменением формы прорези шаблона. Полное заполнение канала расплавленным металлом достигается в том случае, если конец проволочки касается поверхности катода внутри контура прорези шаблона в точке с наиболее низким электрическим потенциалом (в точке, наиболее приближенной к отрицательному полюсу источника напряжения). Тем самым становится возможным формирование направленной кумулятивной струи (по заданной траектории), плавящей металл, и образованного ей канала на металлической поверхности катода при помещении на ней диэлектрического шаблона с прорезью заданной конфигурации. Минимальный размер ширины канала шаблона определяется возможным минимальным диаметром проволочки, максимальный - параметрами разряда и давления воздуха.
Перемещение диэлектрического шаблона по поверхности катода дает возможность управлять траекторией тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и траекторией образованного ей канала на металлической поверхности катода.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема реализации изобретения.
На фиг. 2 представлены фотографии каналов, образованных тепловыми кумулятивными потоками, плавящими металл, на пластинке-катоде и диэлектрические шаблоны с прорезями различной формы.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - катодная пластина, 2 - анодный держатель, 3 - проволочка, 4 - диэлектрический шаблон, 5 - прорезь в шаблоне, 6 - блок подачи напряжения на электроды, 7 - канал на катоде, 8 - шаблоны, 9 - каналы внутри шаблонов.
Осуществление изобретения
Способ осуществляют следующим образом.
Между металлическими электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом межэлектродное расстояние выбирается таким, при котором газовый разряд без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки, крепится к анодному держателю. При подаче напряжения на электроды из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде внутри прорези шаблона возникает тепловая кумулятивная струя, плавящая металл, и образованный ей канал. При этом, если проволочка касается поверхности катода внутри прорези диэлектрического шаблона, там образуется канал расплавленного металла. При изменении формы прорези шаблона меняется форма траектории канала. Полное заполнение канала расплавленным металлом достигается в том случае, если конец проволочки касается поверхности катода внутри прорези шаблона в точке с наиболее низким электрическим потенциалом.
Схема осуществления способа показана на фиг. 1. Между катодной пластиной 1 и анодным держателем 2 возникает импульсный дуговой разряд, когда свободный конец взрывающейся проволочки 3 касается пластины 1. Для подачи напряжения на электроды может быть использован выпрямительный агрегат «Дельфин» 7 с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме меняется в области 20-100 А с помощью переменного сопротивления 6. Длительность разряда составляла около 0,1 секунды. В качестве катода применялись различные металлы (Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие). Брались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe и другие). Диаметр проволочек менялся в интервале 0,02-0,1 мм, их длина варьировалась от 10 до 20 мм.
При подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой, натянутой между электродами, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде под действием избыточных электронов с катода и ионов из плазмы образуется канал 5. Канал 5 исходит из области контакта катода и проволочки - отверстия в катоде 4, и направлен от места контакта (область пониженного потенциала, созданная избыточным объемным пространственным зарядом электронов с катода) в сторону более положительного электрического потенциала. При наличии диэлектрического шаблона с прорезью на поверхности катода канал принимает форму прорези шаблона.
При помещении на поверхности катода на пути тепловой кумулятивной струи диэлектрического шаблона контур его прорези заряжается электронами струи и «запирает» электрическим полем струю внутри прорези шаблона. При этом полное заполнение прорези внутри шаблона расплавленным металлом достигается в том случае, если конец проволочки касается поверхности катода внутри контура шаблона в точке с наиболее низким электрическим потенциалом.
На фиг. 2 представлены фотографии каналов, образованных тепловыми кумулятивными потоками расплавленного металла на пластинках-катодах из трансформаторного железа без диэлектрического шаблона на катоде (позиция 7) и с шаблоном (позиция 9), а также образцы шаблонов (позиция 8) из полимеров высокой плотности HDPE, а также из текстолита. Толщина шаблона менялось от 0,5 мм до 5 мм.
В одном из примеров реализации изобретения при осуществлении импульсного дугового разряда с расстоянием между электродами 15 мм использовалась медная проволочка диаметром 0,05 мм. В качестве катода брались пластины из трансформаторного железа длиной около 50 мм. Максимальный разрядный ток в импульсе составлял 100 А.
Таким образом, в предложенном способе впервые решена проблема управления траекторией тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и траекторией образованного ей канала на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами путем размещения на поверхности металлического катода диэлектрического шаблона.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Его можно применять в технике и в научных исследованиях, например, в новых технологиях микроэлектроники. Возможно использование способа для получения проводящих каналов при создании микросхем, для нанесения надписей и номеров деталей на металле.