АНОДНЫЙ УЗЕЛ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ИСТОЧНИКА КАТОДНОЙ ПЛАЗМЫ
ANODE PACK OF VACUUM ARC SOURCE OF CATHODE PLASMA

Изобретение относится к технике получения плазменных потоков в источниках электродуговой плазмы. Предложенный анодный узел может быть использован преимущественно в прямолинейных источниках вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрацией от макрочастиц в комплекте с различными вакуумно-дуговыми испарителями и с плазмоводами для транспортировки плазмы.
Известен анодный узел [1] прямолинейного источника вакуумно-дуговой катодной плазмы, который содержит анод в виде отрезка трубы, охваченного электромагнитными катушками, образующими секционированный соленоид, состоящий как минимум из трех отдельных секций, каждая из которых подсоединена к отдельному источнику электропитания. Этот узел включает отражатель макрочастиц, выполненный в виде диска, закрепленного внутри отрезка трубы на его оси с помощью токопроводящих стержней, прикрепленных к внутренней его стенки с обеспечением электрического и теплового контакта. Этот отражатель в этом анодном узле будем называть заслонкой.
С помощью секционированного соленоида внутри анода создают необходимую конфигурацию магнитного поля, обеспечивающую максимальный обход заслонки силовыми линиями магнитного поля, пересекающими значительную часть торцевой испаряемой поверхности катода без пересечения ими анода. Однако при этом часть силовых линий магнитного поля в области катода около оси попадает на заслонку. Это приводит к существенным потерям плазмы, распространяющейся вдоль магнитного поля. Значительный ток дуги идет прямо на заслонку. Происходит ее перегрев, особенно при токах дуги более 70 А. Это может приводить к привязке дуги к перегретой части заслонки и ее оплавлению или разрушению. Кроме того, происходят значительные потери плазмы из-за ослабленного магнитного поля в области расположения заслонки, что вызывает дрейф плазмы в сторону анода и осаждение ее на анод.
В качестве прототипа рассмотрим анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы [2]. Он содержит анод в виде отрезка трубы, охваченный фокусирующей электромагнитной катушкой. Внутри анода коаксиально ему размещена в электропроводящем кожухе электромагнитная отклоняющая катушка, внутри которой на ее оси вблизи ее торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен цилиндрический отклоняющий постоянный магнит. Отклоняющая электромагнитная катушка генерирует магнитное поле, направленное встречно магнитному полю, генерируемому фокусирующей электромагнитной катушкой. Магнитное поле постоянного магнита сонаправлено с магнитным полем, генерируемым отклоняющей электромагнитной катушкой на ее оси. Отклоняющая электромагнитная катушка с постоянным магнитом образуют так называемый «магнитный остров». Использование постоянного магнита позволяет уменьшить габариты «магнитного острова» без уменьшения напряженности отклоняющего магнитного поля и тем самым уменьшить габариты самого источника вакуумно-дуговой катодной плазмы. «Магнитный остров» уменьшает потери плазмы, движущейся в приосевой области вдоль оси на заслонку, которой в этом анодном узле является торцевая стенка вышеупомянутого кожуха.
Однако, несмотря на наличие такого «магнитного острова», потери плазмы все еще остаются значительными. Значительная часть плазменных потоков, выходящих из катодных пятен дуги, перемещающихся в центральной (приосевой) области катода, попадая в достаточно сильное магнитное поле, создаваемое отклоняющей электромагнитной катушкой совместно с постоянным магнитом, обходит «магнитный остров» и попадает на его тыльную сторону. Это приводит к потерям плазменных потоков на тыльной стороне «магнитного острова». Плазменные потоки, которые выходят из катодных пятен дуги в периферийной области рабочего торца катода, перемещаясь в магнитном поле, созданном, преимущественно, фокусирующей электромагнитной катушкой, огибают отклоняющую магнитную катушку и, практически, не попадают на ее тыльную сторону. Однако при этом увеличиваются потери плазмы поперек магнитного поля на стенки анода, как за счет градиента магнитного поля, направленного в сторону боковой поверхности отклоняющей электромагнитной катушки, так и за счет образования вокруг этой катушки магнитного зеркала для электронов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является усовершенствование анодного узла вакуумно-дугового источника катодной плазмы для уменьшения потерь плазмы при ее транспортировке внутри этого узла. Усовершенствование должно осуществляться путем изменения конфигурации магнитного поля внутри анода и путем регулировки напряженностей магнитных полей, создаваемых электромагнитными катушками в зависимости от тока дуги, текущего через электропроводящие элементы анодного узла.
Поставленная задача реализуется в предложенном анодном узле вакуумно-дугового источника катодной плазмы, который также как и анодный узел, принятый за прототип, содержит анод, выполненный в виде отрезка трубы, охваченного фокусирующей электромагнитной катушкой. Внутри анода коаксиально ему размещена в электропроводящем кожухе отклоняющая электромагнитная катушка. Внутри этой катушки на ее оси вблизи ее торца, обращенного к входному отверстию анода, расположен отклоняющий постоянный магнит. Отклоняющая электромагнитная катушка предназначена для создания магнитного поля, направленного встречно магнитному полю фокусирующей электромагнитной катушки. Магнитное поле постоянного магнита сонаправлено магнитному полю, которое генерируется отклоняющей электромагнитной катушкой на ее оси.
В отличие от прототипа предлагаемый анодный узел включает расположенный внутри отклоняющей электромагнитной катушки, на ее оси вблизи ее торца, обращенного в сторону, противоположную входному отверстию анода, дополнительный постоянный магнит. Магнитное поле этого магнита направлено встречно магнитному полю отклоняющего постоянного магнита. При этом положительный полюс источника питания дуги электрически соединен как с анодом через обмотку фокусирующей электромагнитной катушки, так и с кожухом отклоняющей катушки через ее обмотку.
Обмотка отклоняющей электромагнитной катушки может быть выполнена из трубки, которая охлаждается водой, при этом виток этой обмотки вблизи ее торца, обращенного к входному отверстию анода, должен иметь тепловой контакт с ее кожухом.
Рассмотрим, каким образом в предлагаемом анодной узле уменьшаются потери плазмы при ее транспортировке внутри анода.
Дополнительный постоянный магнит в совокупности с магнитным полем фокусирующей электромагнитной катушки обеспечивает отклонение значительной части силовых линий магнитного поля отклоняющей электромагнитной катушки и отклоняющего постоянного магнита в сторону выходного отверстия анода. Это предотвращает пересечение вышеупомянутыми силовыми линиями магнитного поля торцевой поверхности кожуха этой катушки, обращенного в сторону выходного отверстия анода. В результате плазменные струи, эмитируемые катодными пятнами дуги, перемещающимися в центральной (приосевой) области катода, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля, огибающих отклоняющую электромагнитную катушку вместе с кожухом, выходят через выходное отверстие анода, не попадая на торец кожуха, обращенного в сторону этого отверстия. Как показывают проведенные эксперименты, это на одну треть увеличивает выходной ионный ток.
Указанное выше электрическое соединение витков фокусирующей и отклоняющей электромагнитных катушек обеспечивает регулировку направлений силовых линий магнитных полей катушек, в зависимости от токов дуги, которые текут через анод или через вышеупомянутый кожух. Такая регулировка обеспечивает изменение суммарного магнитного поля таким образом, что оно отклоняет плазменные потоки от внутренней поверхности анода, если ток дуги идет через него, или от наружной поверхности кожуха, если ток дуги идет через этот кожух. Благодаря этому в предложенном анодном узле обеспечивается динамическое равновесие плазменных потоков, движущихся в промежутке между внутренней поверхностью анода и наружной поверхностью кожуха отклоняющей электромагнитной катушки, что существенно уменьшает потери плазмы в анодном узле.
Выполнение витков обмотки отклоняющей электромагнитной катушки из трубки, охлаждаемой водой, с подключением к кожуху, как указано выше, позволят без помех использовать кожух отклоняющей электромагнитной катушки как часть анода.
Суть предлагаемого изобретения поясняется схемой анодного узла, который изображен на чертеже.
Рассмотрим пример выполнения анодного узла для прямолинейного источника фильтрованной вакуумно-дуговой катодной плазмы.
Предложенный анодный узел содержит водоохлаждаемый анод 1 (см. схему), выполненный в виде отрезка трубы из немагнитной нержавеющей стали с фланцами. Фокусирующая электромагнитная катушка 2 охватывает анод. Отклоняющая электромагнитная катушка 3 в электропроводящем кожухе 4 коаксиально расположена внутри анода на его оси. Она выполнена из медной трубки, охлаждаемой водой. Кожух 4 прикреплен к начальному витку 5 катушки 3 с обеспечением электрического и теплового контакта. Отклоняющий постоянный магнит 6 установлен внутри отклоняющей электромагнитной катушки 3 на ее оси вблизи ее торца, обращенного к входному отверстию 7 анода. Дополнительный постоянный магнит 8 установлен внутри отклоняющей электромагнитной катушки 3 на той же оси, что и магнит 6, но вблизи торца катушки 3, обращенного в сторону, противоположную входному отверстию 7. При этом дополнительный постоянный магнит 8 ориентирован своим магнитным полем навстречу магнитному полю отклоняющего постоянного магнита 6. Крепление отклоняющей электромагнитной катушки 3 внутри анода осуществлено с помощью ее выводов 9 и 10, расположенных вдоль диаметра изоляционного кольца 11 и закрепленных вакуумно плотно на его внешней поверхности. Анод электрически соединен с выводом конечного витка 12 обмотки фокусирующей электромагнитной катушки. Вывод ее начального витка 13 соединен с положительным полюсом источника питания дуги 14 и с выводом 10 конечного витка обмотки отклоняющей электромагнитной катушки 3, начальный виток 5 которой соединен с ее кожухом 4.
Рассмотрим работу анодного узла в составе вакуумно-дугового источника катодной плазмы с испарителем и плазмоводом.
Со стороны входного отверстия анодный узел присоединяется к вакуумно-дуговому испарителю с катодом, охваченным катодной электромагнитной катушкой. Со стороны выходного отверстия он присоединяется к плазмоводу, который охвачен выходной электромагнитной катушкой (не показаны). С помощью этих катушек внутри анодного узла можно создать постоянное, выпуклое в сторону от оси, транспортирующее магнитное поле. После инициирования дугового разряда на торцевой испаряемой поверхности катода (не показан) плазменные струи, выходящие из катодных пятен дуги, которые перемещаются по испаряемой поверхности катода, движутся вдоль силовых линий транспортирующего магнитного поля. При этом в зависимости от положения катодных пятен относительно оси катода ток дуги может идти либо через анод 1, либо через кожух 4 отклоняющей электромагнитной катушки 3, либо одновременно через анод 1 и кожух 4.
В случае перемещения катодных пятен в периферийной области торца катода плазменные струи, выходящие из этих пятен, будут проходить на достаточно близком расстоянии от внутренней стенки анода 1. Благодаря подсоединению анода к положительному полюсу источника питания дуги 14 через выводы 13 и 12 обмотки фокусирующей электромагнитной катушки 2, при прохождении тока дуги через анод усиливается магнитное поле, которое отклоняет плазменные потоки от стенки анода 1. В результате потери плазмы на его стенку резко уменьшаются.
В случае, когда катодные пятна дуги перемещаются в приосевой области торца катода, плазменные струи, выходящие из этих пятен, будут обходить кожух 4 на достаточно близком расстоянии от него. При этом практически весь ток дуги может идти через этот кожух. Но благодаря подсоединению кожуха 4 к положительному полюсу источника питания дуги 14 через обмотку отклоняющей электромагнитной катушки 3 при прохождении тока дуги через этот кожух и, следовательно, через катушку 3 усиливается магнитное поле, обеспечивающее отталкивание плазменных потоков от боковой стенки кожуха. Благодаря дополнительному постоянному магниту 8 обеспечивается отклонение значительной части силовых линий магнитного поля, созданного электромагнитной катушкой 3 и постоянным магнитом 6, в сторону выходного отверстия анодного узла. В результате уменьшаются потери плазмы на тыльную сторону кожуха 4. При работе анодного узла осуществляется охлаждение водой обмотки отклоняющей катушки 4, изготовленной из медной трубки с выводами 9 и 10, расположенными и вакуумноплотно уплотненными в изоляционном кольце 11. Благодаря наличию теплового контакта 5 катушки 3 с кожухом 4 обеспечивается эффективное его охлаждение. Эффективно охлаждается также и анод. Анодный узел может работать в течение длительного времени.
Были проведены испытания анодного узла со следующими основными размерами: внутренний диаметр анода - 226 мм; длина анода - 155 мм; внешний диаметр отклоняющей магнитной катушки - 68 мм; длина отклоняющей электромагнитной катушки - 60 мм; наружный диаметр кожуха отклоняющей электромагнитной катушки - 74 мм; расстояние от входного отверстия анода к торцевой поверхности кожуха отклоняющей электромагнитной катушки - 100 мм. Испытания анодного узла в комплекте с вакуумно-дуговым испарителем с цилиндрическим расходуемым титановым катодом показали, что полный выходной ток ионов при токе дуги 100 А составляет не менее 6 А. Это почти в 1,5 раза выше, чем на выходе из анодного узла, принятого за прототип при том же токе дуги.
Источники информации
th
1. I.I. Aksenov, V.M. Khoroshikh. Filtering shields in vacuum arc plasma sourses // Proc. of the 6 International Simposium on Trends and New Application of Thin Films (TATF '98), Regensburg, Germany, March 1998, p.283-286.
2. A. Kleiman, A. Marques, R.L. Boxman. Performance of a magnetic islend macroparticle filter in a titenium vacuum arc // Plasma Sources Sci. Technol. 17, 2008, p.1-7 (прототип).