УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ УГЛЕРОДНОЙ ПЛАЗМЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области приборов, используемых для создания плазмы в технологических циклах промышленного производства (тонкопленочные электронные технологии), научных исследованиях.
Известен импульсный источник углеродной плазмы (Д.Ф.Алферов, Н.И.Коробова, И.О.Сибиряк. Развитие импульсного сильноточного разряда в вакууме // Физика плазмы. - 1993. Т.19, №3. С.399-410). Источник состоит из поджигающего электрода и вакуумной диодной системы, состоящей из катода и анода, на которую подается рабочее напряжение от источника напряжения. При подаче импульса высоковольтного напряжения между поджигающим электродом и катодом, за счет возникновения разряда в промежутке поджигающий электрод-катод, в диодной системе катод-анод происходит инициирование основного разряда, в процессе которого у рабочей поверхности углеродного катода формируется углеродная плазма.
В данном устройстве для инициирования дугового разряда использован поджигающий электрод, действие которого основано на формировании искрового разряда вблизи рабочей поверхности катода. Ресурс такого поджигающего узла крайне ограничен. Это связано с интенсивной эрозией электродов и быстрым запылением поджигающего электрода материалом эродирующего катода. Кроме того, устройство не обладает достаточной степенью воспроизводимости параметров плазмы и точностью управления генерацией плазмы.
Известен импульсный генератор плазмы (см. патент на изобретение РФ, №2153782, М.кл. H05H 1/24, опубл. 27.07.2000 г.). Источник содержит расположенные в корпусе вакуумной камеры расходуемый графитовый катод и анод, имеющие общую геометрическую ось, электрически связанные с источником напряжения с емкостным накопителем. Расходуемый графитовый катод в плоскости, обращенной к обрабатываемому изделию, имеет наибольший размер, приблизительно равный наибольшему размеру обрабатываемой поверхности изделия, на которую наносится покрытие. При этом средство поджига дуги содержит размещенные по периметру расходуемого графитового катода и в непосредственной близости от него по меньшей мере два узла поджига, продольная ось каждого из которых направлена на соответствующую область рабочей поверхности расходуемого графитового катода для инициирования дугового разряда. Импульсный источник углеродной плазмы содержит дополнительный электрод, первый конденсатор, второй конденсатор, регулируемую катушку индуктивности для обеспечения электрической связи расходуемого графитового катода с емкостным накопителем.
Данное устройство выбрано за прототип.
Существенное ограничение в использовании данного устройства связано с тем, что оно не обладает достаточной степенью воспроизводимости параметров плазмы и точностью управления генерацией плазмы, в первую очередь, управлением ее объемными параметрами. Кроме того, в процессе эксплуатации режим генерации и чистоты плазмы в существенной степени зависит от узла поджига, в состав которого входит поджигающий металлический электрод. Интенсивная эрозия поджигающего электрода в процессе разряда приводит к нестабильности генерации плазмы.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение импульсной генерации чистой углеродной плазмы с линейным размером единичного плазменного сгустка 1-7 мм, с возможностью прецизионного регулирования и повышения воспроизводимости параметров плазмы.
-3
-2
-5
-3
-3
-2
Достижение технического результата обеспечивается устройством для генерации углеродной плазмы, содержащим вакуумную камеру, в корпусе которой размещена диодная система в виде катода и анода, имеющих общую геометрическую ось, электрически связанные с источником напряжения с накопительной электрической емкостью, отличающееся тем, что катод и анод изготовлены в виде стержней из наноструктурного углеродного волокна длиной 10-10 м и диаметром 10-10 м, с расстоянием между обращенными друг к другу рабочими торцевыми поверхностями 10-10 м, а источником напряжения является генератор импульсов высокого напряжения, в котором помимо накопительной емкости имеется формирователь высоковольтных импульсов, выполненный в виде высоковольтного газоразрядного коммутатора с регулируемым межэлектродным зазором.
Рассмотрим, каким образом указанные отличия обеспечивают достижение технического результата.
3
4
-7
-6
3
-3
-2
-5
-3
-3
-2
Использование в диодной системе катода и анода в виде стержней из наноструктурного углеродного волокна с указанными выше размерами обеспечивает, при подаче на диодную систему катод-анод высоковольтного импульса напряжения амплитудой 10-10 В и длительностью 10-10 инициирование искрового, либо дугового вакуумного разряда, приводящего к образованию прикатодной углеродной плазмы с указанными выше параметрами и протеканием электронного тока на анод и ионного тока на катод. Амплитуда тока электронного пучка составляет 1-10 А. При этом анод находится под потенциалом земли, на катод подается отрицательный потенциал. Режим генерации плазмы задается, прежде всего, амплитудой и длительностью приложенного импульса напряжения, а так же величиной электронного тока в случае искрового разряда и совместного протекания ионного и электронного токов в режиме дугового разряда. Чистота состава углеродной плазмы обеспечивается тем, что оба рабочих электрода устройства - катод и анод изготовлены из углеродного волокна. Режим формирования углеродной плазмы с указанными выше параметрами обеспечивается в случае, когда катод и анод имеют длину 10-10 м, диаметр 10-10 м и расстояние между рабочими торцевыми поверхностями 10-10 м.
-4
-8
На чертеже представлена рабочая схема устройства, состоящего из вакуумной камеры 1, имеющей два электроизолированных от камеры проводящих ввода 2, 3 и систему 4 вакуумной откачки до давления 10-10 Торр. В вакуумной камере 1 размещена вакуумная диодная система, состоящая из соосных катода 5 и анода 6, созданных из наноструктурных углеродных волокон и подключенных к проводящим вводам 2 и 3.
-3
-4
-7
-6
На диодную систему катод 5 - анод 6 подается высоковольтный импульс напряжения амплитудой 10-10 В и длительностью 10-10 c от генератора 7.
Анод 6 заземлен, на катоде 5 отрицательный по отношению к земле потенциал. В результате приложения импульса напряжения с указанными выше параметрам в диоде происходит импульсный вакуумный разряд с образованием у поверхности катода 5 плотной плазмы 8.
Прецизионное регулирование амплитуды и длительности импульса напряжения, совместно с выбранными геометрическими параметрами катода, анода и величины зазора катод-анод, позволяет с высокой точностью управлять процессом генерации углеродной плазмы.
По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Основные рабочие элементы устройства - катод и анод изготавливались из полиакрилонитрильного углеродного волокна различной длины и диаметра в указных выше пределах. В импульсном генераторе напряжения с накопительной электрической емкостью использовался газоразрядный коммутатор (Шустов М.А, Протасевич Е.Т. Теория и практика газоразрядной фотографии. Томск. Изд. ТПУ. 2001. 252 с.) Испытания макета показали работоспособность предлагаемой полезной модели в пределах рабочих параметров, указанных в описании, с возможностью прецизионного регулирования интенсивности генерации и чистоты формирования углеродной плазмы, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".