КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ИМПУЛЬСНОГО ДУГОВОГО ГЕНЕРАТОРА ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к области ионно-лучевого оборудования, а именно, к дуговым генераторам плазмы, используемым для получения покрытий из различных металлов.
Известен, например, катодный узел ионного источника, (патент на полезную модель №29805, оп. 27.05.2003), состоящий из поджигающего электрода, изолятора, составного катода, состоящего из основного и вспомогательного элемента.
Известен также катодный узел импульсного дугового генератора плазмы источника ионов металлов, состоящий из электропроводного цилиндрического плазмообразующего стержня-катода, кольцевого цилиндрического изолятора, одетого на стержень и поджигающего электрода, размещенного снаружи изолятора - прототип. (Ионный источник с вакуумной дугой в парах металла. Я.Браун. Гл.16 в кн. Физика и технология источников ионов под ред. Я.Брауна, Мир, Москва, 358-381 (1998).
При подаче на поджигающий электрод импульса положительной полярности напряжением несколько киловольт по отношению к катоду возникает электрический пробой по поверхности изолятора и образуется первичная электронная лавина электрической дуги. Из катодного пятна дуги генерируется пар испаренного металла, который ионизируется вблизи катода и заполняет область между катодом и анодом, поддерживая протекание тока между электродами. Питание дуги производится от источника с емкостным накопителем энергии, который разряжается на дугу, снижая напряжение питания до параметров дугового погасания. Дуга в описанном импульсно-дуговом генераторе плазмы существует в течение времени приблизительно 100…300 мкс. Далее происходит зарядка емкостного накопителя и процесс по джига дуги повторяется многократно.
Принципиальная схема включения катодного узла в электрическую цепь содержит следующие элементы: катод, анод, поджигающий электрод, источник инициации пробоя (искры), источник питания дуги, генерируемая плазма. Катод размещается таким образом, что генерируемая плазма контактирует с анодом с достаточно большой контактной поверхностью.
Недостатки прототипа:
- быстрое насыщение торцевой поверхности изолятора металлом из пара или расплава, создаваемого дугой. Этот эффект наиболее ярко проявляется на металлах легко и среднеплавких и хорошо диффундирующих в керамику (алюминий, медь, никель и т.п.). При этом высоковольтный пробой по поверхности изолятора прекращается и на катоде не загорается дуга. Для восстановления зажигания дуги необходимо очистить поверхность изолятора от металла, что уменьшает время непрерывной работы катодного узла.
Для тугоплавких металлов этот эффект проявляется не так интенсивно и позволяет возбуждать достаточно стабильно пробой по изолятору в течение 100000 и более импульсов горения дуги;
- неравномерное выгорание катода.
Причиной такого эффекта является то, что катодное пятно движется от точки поджига на поверхности катода случайным образом, но в среднем вектор ее движения направлен от центра катода к внешнему краю.
Начальное катодное пятно возникает на месте искры, инициирующей дугу, которая также возникает у боковой поверхности катода при пробое по наружному трубчатому изолятору. По этой причине, простое увеличение диаметра катода не приводит к повышению продолжительности работы катода и равномерности его износа. Таким образом, для импульсного генератора металлической плазмы для ионного источника, при применении наружного поджига дуги, оптимальным диаметром катода является размер в несколько миллиметров и дальнейшее увеличение размера не эффективно.
Технический результат, на который направлена полезная модель - увеличение ресурса непрерывной работы катодного узла путем уменьшения скорости металлизации изоляторов и увеличения рабочего объема распыляемого плазмообразующего стержня-катода.
Для достижения этого результата предложен катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, содержащий
катод 1, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор 8, поджигающий электрод 3, при этом, катод выполнен в виде съемной кольцевой шайбы с центральным отверстием, в котором установлены поджигающий электрод 3 и охватывающий поджигающий электрод дополнительный кольцевой цилиндрический изолятор 7, при этом катод контактирует с электропроводящим основанием 9.
Кроме того, поджигающий электрод выступает над торцевой поверхностью катода.
Кроме того, на выступающей поверхности поджигающего электрода выполнены равномерно нанесенные по окружности насечки.
Кроме того, на конце поджигающего электрода закреплены не менее трех элементов поджига 11 в виде проволоки, концы которых выгнуты в сторону торцевой поверхности катода.
Кроме того, дополнительный изолятор выполнен из не менее двух коаксиальных трубок 7 и 12, при этом примыкающая к поджигающему электроду трубка 12 установлена с возможностью перемещения вдоль оси.
Кроме того, поджигающий электрод установлен с возможностью перемещения вдоль оси.
Для достижения этого же технического результата предложен катодный узел импульсного дугового генератора плазмы, содержащий катод 1, охватывающий его кольцевой цилиндрический изолятор 8, поджигающий электрод 3, при этом, катодный узел содержит коаксиально расположенный и установленный с зазором к катоду 1 с кольцевым цилиндрическим изолятором 8 дополнительный изолятор 19, в торцевой поверхности которого закреплен поджигающий электрод 3 с центральным отверстием, катод 1 установлен с возможностью перемещения вдоль оси, между катодом 1 и изолятором 8 установлена направляющая керамическая втулка 18, а на выступающем за изолятор 8 конце катода установлен с зазором по отношению к нему дугогаситель 16.
Таким образом, предложенные варианты катодного узла реализуют следующие способы поджига дуги с пробоем:
- по изолятору (использован внутренний поджиг дуги с поджигающим электродом и его изолятором, размещенном во внутреннем отверстии катода);
- по вакууму (использован регулируемый без разборки пробиваемый зазор).
6
При реализации этих способов поджига дуги можно использовать приблизительно в 10 раз большую поверхность распыляемого материала катода, чем у прототипа, уменьшить скорость металлизации изоляторов и увеличить стабильность поджига до приблизительно 10 импульсов и, тем самым, увеличить ресурс катодного узла до замены или ремонта приблизительно в 10 раз по сравнению с прототипом.
На фигуре 1 дана принципиальная схема включения катодного узла в электрическую цепь, которая содержит следующие элементы:
1 - катод,
2 - анод,
3 - поджигающий электрод,
4 - источник инициации пробоя (искры),
5 - источник питания дуги,
6 - генерируемая плазма.
Катод размещается таким образом, что генерируемая плазма контактирует с анодом с достаточно большой контактной поверхностью.
На фигурах 2, 3 и 4 даны различные варианты выполнения катодного узла, где
7 - дополнительный кольцевой цилиндрический изолятор - керамическая трубка,
8 - кольцевой цилиндрический изолятор,
9 - электропроводящее основание,
10-изолятор,
11 - элементы поджига,
12 - дополнительный подвижный изолятор- керамическая трубка,
13 - удлинитель,
14 - вакуумная камера,
15 - вакуумное уплотнение,
16 - дугогаситель,
17 - механизм подачи катода,
18 - направляющая керамическая втулка,
19 - дополнительный изолятор.
На фигуре 2 дана схема конструкции катодного узла с внутренним (осевым) расположением поджигающего электрода с пробоем по керамическому изолятору 7.
Катод 1 выполнен в виде съемной кольцевой шайбы из распыляемого материала с отверстием в центре. В это отверстие установлен поджигающий электрод 3, изолированный от катода 1 при помощи дополнительного изолятора - керамической трубки 7. Поджигающий электрод 3 выступает над шлифованным торцом керамической трубки 7. Выступающая часть - головка поджигающего электрода снабжена насечками, равномерно расположенными по окружности для усиления напряженности электрического поля, что обеспечивает надежный электрический пробой и равномерное выгорание катода.
Катод 1 по внешнему контуру снабжен кольцевым цилиндрическим керамическим изолятором 8 и прикреплен гальванически к электропроводящему основанию 9.
В развитии этой конструкции на выступающем за торец катода 1 конце поджигающего электрода 3 могут быть закреплены не менее трех элементов поджига 11 в виде проволоки, концы которых выгнуты в сторону торцевой поверхности катода 1 (см. фигура 3).
Между поверхностью катода 1 и концами элементов поджига 11 имеется зазор δ, величина которого выбирается из условия электрического пробоя зазора в вакууме.
Для возможности подстройки пробойного зазора δ без снятия катода и разуплотнения вакуумной рабочей камеры 14 предложено дополнительный изолятор выполнить из двух керамических трубок - 7 и 12. Удлинитель 13 позволяет перемещать поджигающий электрод 3 вдоль своей оси без разуплотнения вакуумной камеры 14. Таким образом, здесь реализована конструкция катодного узла с пробоем зазора в вакууме.
Другой вариант выполнения катодного узла представлен на фигуре 4.
На фигуре 4 дана схема конструкции катодного узла с наружным расположением поджигающего электрода с пробоем по вакуумному зазору и подаваемым в зону распыления катодом.
Катодный узел состоит из катода 1, выполненного из распыляемого материала. Катод окружен изоляторами, выполненными из двух керамических трубок 18 и 8. На выступающем за изолятор 8 конце катода установлен с зазором по отношению к нему дугогаситель 16. Катод установлен с возможностью перемещения вдоль оси устройства. Для этого он соединен с механизмом подачи 17 через вакуумное уплотнение 15. Изолятор 18 в этом случае выполняет роль направляющей втулки.
С зазором по отношению к катоду 1 и изоляторам 18 и 8 коаксиально установлен дополнительный изолятор 19, во внешнем торце которого закреплен поджигающий электрод 3 с центральным отверстием.
Поверхности изоляторов 8 и 19 могут иметь развитую поверхность, например, ребристую, для увеличения длины пути поверхности электрического пробоя.
Скорость движения катода 1 подбирается такой, что пробойный зазор δ поджигающего промежутка в вакууме между распыляемым катодом и поджигающим электродом остается неизменным. Это достигается тем,, что производится постоянный контроль среднего тока, проходящего через катод и подстройкой скорости движения катода. Алгоритм движения стержня катода следующий:
- непрерывное движение стержня, при котором скорость перемещения катода прямо пропорциональна величине протекающего тока. Коэффициент пропорциональности определяется при настройках и для каждого материала свой.
При этом необходимо обеспечить перемещение катодного стержня со скоростью порядка несколько микрон в минуту;
- перемещение стержня катода с большей скоростью и на достаточные длины шагами длиной несколько десятков микрон через определенные промежутки времени. При этом величина шага прямо пропорциональна электрическому заряду прошедшему через катод за время между шагами.
Расположение катодного узла в вакуумной камере и крепление отдельных элементов может отличаться от представленных вариантах выполнения на фигурах 2…4.
Таким образом, устройство позволит увеличить время непрерывной работы катода до замены или ремонта приблизительно в 10 раз по сравнению с прототипом путем уменьшения скорости металлизации изоляторов 7 и 8.