СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА САМОНАКАЛИВАЕМОГО ПОЛОГО КАТОДА В СИЛЬНОТОЧНОМ РАЗРЯДЕ В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
METHOD OF INCREASING LIFE OF SELF-GLOWING HOLLOW CATHODE IN HIGH-DENSITY DISCHARGE IN AXIALLY-SYMMETRIC MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к технике генерации плотной плазмы в больших объемах с помощью газоразрядных систем с твердотельным катодом и может быть использовано в устройствах физического и химического нанесения покрытий с ионным сопровождением, в частности в магнетронных распылительных системах.
Известно применение разряда с самонакаливаемым полым катодом (далее по тексту - катод) в источниках заряженных частиц и генераторах плазмы [1]. Катод был изготовлен из ниобиевой или танталовой трубки диаметром 3,2 мм и работал при токах до 8,5 А. Особенностью функционирования такого катода является неравномерное распределение температуры и плотности тока эмиссии по внутренней поверхности катодной полости [2]. Катодные процессы локализуются в области «активной зоны» с размерами, которые обычно составляют несколько диаметров катодной полости. С увеличением тока разряда и потока газа через сужение активная зона смещается в направлении выходной апертуры катода. Интенсивная ионная бомбардировка катода приводит к преимущественной эрозии катода в области активной зоны, поэтому ресурс катода определяется временем распыления катода на всю толщину стенки.
Поскольку рост тока разряда и, соответственно, плотности тока на катоде увеличивает скорость распыления катода, для увеличения его ресурса используют катоды большого диаметра с увеличенной толщиной стенки [3]. Катод из гексаборида лантана с внутренним диаметром 15 мм и толщиной стенки 2 мм работал при токах разряда до 30 А. Ресурс такого катода увеличивается пропорционально толщине стенки и диаметру катода.
Одним из основных требований к генератору плазмы при его использовании в устройствах для нанесения покрытий наряду с высокой плотностью генерируемой в разряде плазмы является низкое давление рабочего газа, что обеспечивает большую длину пробега распыленных или испаренных частиц, формирующих покрытие. Снижение давления газа в разряде с самонакаливаемым катодом до 0,015 Па достигается применением осесимметричных магнитных полей [4].
-7
Наиболее близкий к заявляемому метод генерации плазмы реализован в устройстве, в котором полый катод помещен в магнитное поле, создаваемое магнитной катушкой или комбинацией магнитной катушки и кольцевых постоянных магнитов [4]. В разряде с полым катодом внутренним диаметром 4 мм и максимальной индукцией магнитного поля на оси до 100 мТл был достигнут ток до 300 А. Поскольку положение активной зоны разряда определяется ионизационными процессами в катодной полости, наложение магнитного поля должно влиять на положение активной зоны, а степень неоднородности магнитного поля - на размер активной зоны. В статье не приводится результатов исследования влияния топографии магнитного поля на размеры активной зоны, однако из проведенных авторами заявки исследований следует, что с ростом неоднородности магнитного поля продольный размер активной зоны сокращается, что уменьшает ресурс катода. Очевидно, по этой причине в способе-прототипе используется комбинация магнитной катушки и постоянного магнита, которая создает поле с меньшей неоднородностью, чем поле постоянного магнита. Поскольку наложение магнитного поля не меняет механизм эрозии катода, его ресурс также будет определяться толщиной стенки и диаметром катода и будет сокращаться примерно обратно пропорционально току разряда. Если исходить из сделанной в [5] оценки ресурса трубчатого ниобиевого катода диаметром 8 мм с толщиной стенки 1 мм при токе разряда 10 А и скорости эрозии катода 1⋅10 г/Кл, который составил 360 ч, то ресурс катода в устройстве-прототипе с внутренним диаметром 4 мм и толщиной стенки 4 мм при токе разряда 300 А с учетом сокращения ширины активной зоны с ростом тока разряда в магнитном поле составит менее 20 ч.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле.
Сущность изобретения заключается в том, что при использовании неоднородного осесимметричного магнитного поля активная зона разряда локализуется в области максимума магнитного поля, в которой обеспечивается максимальная частота ионизации газа быстрыми электронами, эмитированными катодом и ускоренными в катодном слое пространственного заряда. Увеличение степени неоднородности магнитного поля, которое достигается использованием постоянных магнитов с осевой намагниченностью, создающих магнитное поле с инверсией направления поля вдоль оси, приводит к сокращению продольного размера активной зоны. При произвольном расположении активной зоны внутри катода это ускоряет эрозию катода на всю толщину стенки и резко сокращает ресурс катода. Однако при таком взаимном расположении катода и постоянных магнитов, когда кромка катода находится в области максимума магнитного поля, активная зона локализуется на кромке катода. Если по мере износа кромки катода перемещать магниты и катод относительно друг друга, то эрозия катода будет происходить не только в радиальном направлении и ограничиваться толщиной стенки, а будет определяться допустимым перемещением катода и магнитов в осевом направлении, которое может составлять значительную часть полной длины катода. Это обеспечит многократный рост ресурса катода.
На фигуре 1 схематично показан катод (1.1) с установленным с наружной стороны катода за тепловым экраном (1.2) постоянным магнитом (1.3) и распределение продольной составляющей магнитного поля вдоль оси катода, которое характеризуется наличием двух точек инверсии поля и максимумом осевой составляющей индукции поля в точке пересечения оси катода с плоскостью симметрии магнита.
3
Предложенный способ был реализован в электродной системе (фигура 2) с катодом из нитрида титана в форме трубки длиной 50 мм с внутренним диаметром 12 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Катод (2.1) был установлен внутри водоохлаждаемого корпуса (2.2). На внешней поверхности корпуса располагались два постоянных магнита (2.3) из самарий-кобальтового сплава с размерами 50×36×8 мм. Напротив одного торца катода установлена система поджига разряда и подачи газа, с противоположной стороны катода, напротив его выходной апертуры, устанавливали экранный электрод (2.4) под плавающим потенциалом и цилиндрический анод (2.5). Через катодную полость прокачивали поток газа 40-100 см/мин (азот, аргон или их смесь). После подачи импульса поджига (5 кВ, 50 мкс) зажигается слаботочный высоковольтный тлеющий разряд с полым катодом, который по мере разогрева термоизолированного катода переходит в сильноточный (до 80 А) низковольтный (30-40 В) режим горения, обеспечиваемый термоэлектронной эмиссией катода. Испытания подтвердили, что активная зона располагается в области максимума поля и может быть перемещена на расстояния порядка 20 мм при изменении положения магнитов. При размещении центра магнитной системы в плоскости кромки катода разряд на катоде локализуется в кольцевой области шириной 5 мм вблизи кромки катода. Испытания показали, что вывод активной зоны из катодной полости на кромку катода не нарушает стабильного устойчивого горения разряда. Укорочение катода на 50 мм не повлияло на стабильность горения разряда. Прямоугольная форма кромки катода после длительных испытаний катода трансформируется в остроугольную, что показано на фиг. 3, и такая форма рабочей кромки сохраняется при длительной работе катода, обеспечиваемой перемещением постоянных магнитов.
-7
-6
Гравиметрические испытания показали, что магнитное поле практически не влияет на скорость уноса массы катода из нитрида титана, которая составляла 2,3⋅10 г/Кл при расположении активной зоны внутри катодной полости, однако ресурс катода в магнитном поле (20 ч) был на порядок ниже, чем в разряде без магнитного поля из-за уменьшения ширины активной зоны и роста скорости распыления в максимуме плотности тока. Измеренная скорость уноса массы для катода из нитрида титана с локализованной на кромке катода активной зоной составила 1,6⋅10 г/Кл, что может быть обусловлено выносом материала катода с торцевой поверхности в разрядный промежуток, в отличие от обычного разряда, в котором распыленные атомы преимущественно осаждаются на противоположной стенке катодной полости. Измеренная линейная скорость эрозии катода в экспериментах с размещением активной зоны на торце катода составила 0,5 мм/ч при токе разряда 50 А. При рабочей длине катода, в пределах которой было возможно относительное перемещение катода и магнитов, равной 50 мм, соответствующий расчетный ресурс катода составил 100 ч.
В результате, несмотря на повышение скорости эрозии торцевого катода в неоднородном магнитном поле, за счет большой длины относительного перемещения катода и магнитов и реализации условий износа катода не только в радиальном, но и в продольном направлении ресурс самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле может быть повышен в несколько раз.
Таким образом, изобретение существенно расширяет возможности способа генерации плазмы в разряде с полым самонакаливаемым катодом, позволяя многократно увеличить время работы генератора плазмы без замены дорогостояшего катода или повысить ток разряда и плотность плазмы без существенного сокращения ресурса катода. Это позволит повысить производительность устройств нанесения покрытий с ионным сопровождением и улучшить качество покрытий.
Сущность изобретения демонстрируется фигурами.
Фигура 1. Распределение продольной составляющей магнитного поля вдоль оси разрядной системы, где 1.1 - катод, 1.2 - тепловой экран, 1.3 - магниты, 1.4 - цилиндрический анод.
Фигура 2. Электродная схема разрядной системы, где 2.1 - катод, 2.2 - водоохлаждаемый корпус, 2.3 - кольцевые магниты, 2.4 - экранный электрод, 2.5 - цилиндрический анод, 2.6 - поджигающий электрод, 2.7 - тепловой экран.
Фигура 3. Профиль кромки катода: а) до испытаний, б) после испытаний.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение:
1. Gushenets V.I., Bugaev A.S., Oks Е.М., Schanin Р.М, and Goncharov A.A. Self-heated hollow cathode discharge system for charged particle sources and plasma generators. Review of Scientific Instruments. - 2010. - V. 81, 02B305.
2. Delcroix J.L., Trindade A.R. Hollow cathode arc. Advances in Electronics and Electron Physics. - V. 37. - 1974. - p. 87-190.
3. Child D., Gibson D., Placido F., Waddell E. Enhanced hollow cathode plasma source for assisted low pressure electron beam deposition processes. Surface & Coatings Technology. - 2015. - V. 267. - P. 105-110.
4. Fietzke F., Morgner H., Gunther S. Magnetically enhanced hollow cathode - a new plasma source for high-rate deposition processes. Plasma Process. Polym. 2009, 6, S242-S246.
5. Гаврилов H.В., Меньшаков А.И. Источник широких электронных пучков с самонакаливаемым полым катодом для плазменного азотирования нержавеющей стали. Приборы и техника эксперимента. - 2011. - №5. - С. 140-148.