УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для создания потока металлической плазмы. Такие устройства широко применяются в технологических задачах: для нанесения покрытий различных типов, в задачах сепарации по массам ионов многокомпонентных плазменных потоков, в качестве реактивных плазменных микродвигателей, предназначенных для коррекции орбиты космических аппаратов и др. Для этих применений существенную роль играет вид энергетического спектра ионов плазменного потока, создаваемого устройством. В частности, (а) структурные и эксплуатационные характеристики покрытий, создаваемых с помощью плазменных источников, существенно зависят от вида энергетического спектра ионов плазменного потока; (б) метод плазменной масс-сепарации эффективен лишь при условии достаточно большой направленной энергии сепарируемого плазменного потока и малой ширине энергетического спектра ионов; (в) аналогичные требования предъявляются к источнику металлической плазмы, используемому в качестве плазменного микродвигателя.
Известны различные типы плазменных устройств, генерирующих потоки металлической плазмы, наиболее широко используемыми являются лазерные распылительные системы, магнетронные разряды, а также вакуумно-дуговые разряды различных типов. Лазерные системы генерируют интенсивные потоки металлической плазмы для широкого диапазона материалов распыляемой мишени, однако они сложны в эксплуатации, весьма дороги и имеют невысокую производительность. Недостатком магнетронных распылительных систем является небольшая направленная энергия генерируемых ионов, для основной части ионов не превышающая 10 эВ. Этого недостатка лишены вакуумно-дуговые источники с контрагированными катодными пятнами, которые в стационарном режиме работы генерируют плазменные потоки с энергией ионов в диапазоне нескольких десятков электрон-вольт. В импульсном режиме работы такого источника генерируемых энергия ионного потока превышает 100 эВ. Однако в источнике этого типа до 80% материала катода переносится в виде микрокапель, что существенно ухудшает параметры получаемых покрытий, а также характеристики плазменного микродвигателя и метода масс-сепарации плазменного потока на основе этого источника. Кроме того, во всех рассмотренных типах источников велика ширина энергетического спектра ионов, превышающая 30% значения средней энергии, причем в спектре присутствуют значительные (десятки процентов) «хвосты» частиц с энергией, в несколько раз большей средней энергии. Существенным недостатком является также невозможность варьирования этих параметров спектров, которые зависят лишь от материала катода и практически не зависят от регулируемых характеристик разряда (тока и напряжения).
a
Известен вакуумно-дуговой источник потока металлической плазмы с катодным пятном диффузионного типа [Паранин С.Н. и др. Теплофизика высоких температур (1986) Т. 24. №3. С. 482.], который выберем в качестве аналога. Источник состоит из накаливаемой спирали, питание которой обеспечивается накальным блоком; катода-тигля с рабочим материалом (металлом); между спиралью и катодом приложено напряжение от высоковольтного блока. Катод присоединен к отрицательному выходу блока питания разряда, положительный выход источника присоединен к кольцевому аноду. Источник работает следующим образом. Спираль нагревается до температуры электронной эмиссии, приложенное между спиралью и катодом-тиглем высокое напряжение U обеспечивает протекание между ними тока, нагревающего катод до температуры, при которой возникают процессы электронной эмиссии и испарения атомов с поверхности рабочего материала. Эмитированные электроны ионизуют атомы, так что в вблизи катода образуется плазма, и в цепи катод-анод начинает протекать разрядный ток, поддерживаемый блоком. Разряд имеет диффузный вид и горит на всей поверхности катода. Поток металлической плазмы проходит через отверстие в аноде, расширяется в рабочий объем, и может быть использован для различных приложений. Источник обеспечивает высокую степень ионизации плазмы и отсутствие микрокапель материала катода в плазменном потоке, однако недостатком источника является низкая энергия ионов материала катода, не превышающая 10 эВ. Кроме того, отсутствует возможность варьирования параметров энергетического спектра ионов плазменного потока.
Известен ионный источник с холодным катодом [Патент РФ №2299489 H01J 27/04 2007 г.], содержащий плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного полого анода, на поверхности которого установлена система постоянных магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля. Анодная сетка установлена на обращенном к основному аноду торце полого анода тлеющего разряда.
Известен источник широкоапертурных ионных пучков [Патент РФ №237084 H01J 27/04, 2008 г.], содержащий плазменный катод на основе тлеющего разряда, электродная система которого включает полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку, установленную напротив выходной апертуры полого катода, и плазменную камеру, в состав которой входят стержневой анод и полый цилиндрический эмиттерный электрод с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, электрически соединенный с анодной сеткой и находящийся под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода. Эффективная ионизация газа и генерация плотной плазмы обеспечиваются при определенном соотношении площадей стержневого анода и полого эмиттерного электрода, величина которого зависит от среднего числа ионизаций, совершаемых инжектированным быстрым электроном.
Ближайшим аналогом, который мы выберем в качестве прототипа, является устройство для создания потока металлической плазмы на основе разряда с горячим анодом [A.G. Borisenko, Yu.S. Podzirei/Problems of atomic science and technology. 2015, №1. Series: Plasma Physics (21), p. 177-180]. Устройство содержит катод, выполненный в виде кольца из тугоплавкого материала; анод, выполненный в виде тигля из тугоплавкого материала, в который помещается рабочее вещество; дополнительный ионизирующий электрод, выполненный в виде кольца; все электроды расположены соосно вертикальной оси при этом катод и ионизирующий электрод расположены над анодом; электроды помещены в магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль оси электродов.
a
a
a
a
a
Устройство работает следующим образом. Катод разогревается от источника накального напряжения до температуры электронной эмиссии. Между катодом и анодом прикладывается разрядное напряжение U от источника, отрицательный выход которого присоединен с заземленному рабочему объему. Источник имеет падающую вольт-амперную характеристику, при этом разряд горит в широком диапазоне напряжений и токов: U = 80-180 В и 35-12 А, соответственно, причем с увеличением тока разряда (уменьшением разрядного напряжения U, соответственно) растет концентрация плазмы. Для увеличения концентрации плазмы прикладывают напряжение к дополнительному ионизирующему электроду. Направленную энергию ионов плазменного потока регулируют путем изменения напряжения U с помощью источника разрядного напряжения, при этом поддерживают постоянным напряжение ионизирующего электрода. При увеличении напряжения U до 180 В и, соответственно, уменьшению разрядного тока до 12 А, энергия ионов возрастает до 100 эВ, при этом ширина на полувысоте ионного энергетического спектра составляет около 50 эВ.
Устройство создает поток металлической плазмы с регулируемой направленной энергией ионов.
Недостатком устройства является то, что увеличение энергии ионов осуществляют путем увеличения разрядного напряжения, т.е. уменьшения тока разряда. Это приводит к соответствующему уменьшению концентрации плазмы, что означает ухудшение характеристик источника. Максимальную энергию ионов получают при максимальном напряжении, т.е. минимальном токе разряда, и дальнейшее увеличение энергии невозможно, т.к. ток разряда уменьшается ниже порогового значения и разряд прекращается. Это ограничивает диапазон регулирования направленной энергии ионов. Вторым недостатком источника является невозможность регулирования ширины энергетического спектра.
Задачей предполагаемого изобретения является создание устройства для создания потока металлической плазмы с улучшенными характеристиками, в котором направленную энергию ионов плазменного потока регулируют путем изменения напряжения, подаваемого на электрод, причем таким способом, что при этом не уменьшается концентрация плазмы, и нет ограничений сверху для диапазона регулирования энергии потока. Устройство также должно обеспечивать регулирование ширины энергетического спектра ионов плазменного потока.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для создания потока металлической плазмы, содержащем катод, находящийся под потенциалом заземленного рабочего объема, выполненный в виде кольца из тугоплавкого материала, разогреваемого от источника накального напряжения до температуры электронной эмиссии; анод, выполненный в виде тигля из тугоплавкого материала, в который помещается рабочее вещество, к аноду прикладывается положительное относительно катода напряжение от источника питания разряда; ионизирующий электрод, выполненный в виде кольца, на который подается положительное относительно катода напряжение от дополнительного источника питания; все электроды расположены соосно вертикальной оси при этом катод и ионизирующий электрод расположены над анодом; электроды помещены в магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль оси электродов, в качестве источника питания разряда используют источник, поддерживающий постоянный ток разряда при изменении анодного напряжения в рабочем диапазоне значений.
Схема устройства приведена на Фиг. 1.
a
z
Устройство включает катод 1, выполненный в виде кольца из тугоплавкого материала; анод 2, выполненный в виде тигля из тугоплавкого материала, в который помещается рабочее вещество 3; дополнительный ионизирующий электрод 4, выполненный в виде кольца; все электроды расположены соосно вертикальной оси при этом катод и ионизирующий электрод расположены над анодом. Катод соединяют с источником накального напряжения 5. Между катодом и анодом прикладывается разрядное напряжение U от источника 6, при этом отрицательный выход источника соединяют с заземленным рабочим объемом. Систему электродов помещают в магнитное поле B, силовые линии которого направлены параллельно оси электродов. К дополнительному ионизирующему электроду прикладывают напряжение от источника 7. Система электродов помещается в магнитное поле, создаваемое соленоидом 8.
Устройство работает следующим образом.
a
a
z
r
z
r
Спираль катода 1 нагревается до температуры электронной эмиссии, приложенное между спиралью и катодом-тиглем напряжение U обеспечивает протекание между ними тока, нагревающего тигель до температуры, при которой давление паров испаряемого рабочего вещества становится достаточно большим для зажигания разряда между катодом и анодом. Эмитированные катодом электроны ионизуют испаренные атомы, так что вблизи анода образуется плазма рабочего вещества. Величину магнитного поля B подбирают таким образом, чтобы электроны плазмы оказались замагниченными, а ионы - незамагниченными. Плазменная струя ускоряется продольным электрическим полем, приложенным между анодом, находящимся под положительным потенциалом U и заземленной стенкой вакуумного объема. Кроме продольного электрического поля, между электродом 4 и катодом 1 возникает радиальное электрическое поле E. В скрещенных магнитном B и электрическом E полях возникает кольцевой дрейфовый электрический ток, который обеспечивает дополнительную ионизацию плазмы.
a
Направленную энергию ионов плазменного потока регулируют путем изменения напряжения Ue с помощью источника напряжения 7, при этом с помощью источника 5 поддерживают постоянным разрядное напряжение U.
Например, с помощью источника 5 поддерживают разрядный ток, равным 3.5 А при изменении разрядного напряжения в диапазоне 50-200 В. С помощью источника (7) изменяют напряжение дополнительного ионизирующего электрода Ue в диапазоне 60-110 В, ограниченном сверху его техническими характеристиками.
a
Энергетические спектры ионов плазменного потока, генерируемого данным устройством при различных значениях напряжения Ue, приведены на Фиг. 2. Напряжение U устанавливают равным 200 В и путем увеличения напряжения Ue с 60 В до 110 В энергию ионов увеличивают с 60 эВ до 110 эВ, при этом ширина на полувысоте ионного энергетического спектра составляет около 30 эВ. Полученные параметры спектра ионов плазменного потока превосходят параметры прототипа, при этом, вследствие того, что напряжение и ток разряда в процессе регулирования направленной энергии ионов поддерживают постоянными, параметры разрядной плазмы при этом также остаются постоянными. Дальнейшее увеличение напряжения Ue и, соответственно, энергии ионов плазменного потока, ограничивается только техническими характеристиками источника питания (6), однако принципиальные ограничения для увеличения энергии ионов отсутствуют.
a
a
a
Ширину энергетического спектра ионов плазменного потока регулируют путем изменения с помощью источника питания 5 напряжения U в диапазоне 50-200 В, ограниченном сверху техническими характеристиками блока, причем напряжение Ue ионизирующего электрода 4 при этом поддерживают постоянным, равным 110 В с помощью источника 7. Энергетические спектры ионов плазменного потока, генерируемого данным устройством, при различных значениях напряжения U приведены на Фиг. 3 Из рисунка следует, что ширина на полувысоте энергетического спектра ионов плазменного потока падает с 70 эВ до минимального значения 30 эВ, когда U увеличивают от 50 до 200 В.
Достигнутый технический эффект: возможность регулирования направленной энергии ионов потока металлической плазмы в более широком диапазоне величин без ухудшения характеристик источника, а также возможность регулирования ширины энергетического спектра ионов.