Содержание к диссертации
Введение
1. Физические особенности вакуумно-дугового разряда и принципов генерации потоков металлической плазмы 18
1.1. Ионно-плазменные технологические устройства для модифицирования поверхности и нанесения покрытий 20
1.2. Вакуумно-дуговой источник плазмы с интегрально-холодным катодом 26
1.2.1. Физические особенности вакуумно-дуговых источников плазмы с интегрально-холодным катодом 28
1.2.2. Катодное пятно вакуумно-дугового разряда 31
1.3. Фазовый состав генерируемого плазменного потока 34
1.4. Особенности формирования покрытий из потоков металлической плазмы 43
1.5. Анализ современного электрофизического оборудования на основе вакуумно-дугового разряда 47
1.6. Выводы 50
2. Физические процессы генерации и транспортировки потока металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым разрядом .. 52
2.1. Исследование динамики развития катодных пятен 55
2.1.1. Разряд на неочищенной поверхности катода 59
2.1.2. Вакуумно-дуговой разряд с материала катода 62
2.1.3. Эмиссия из катодных пятен 68
2.2. Влияние теплового режима работы катода на скорость перемеще ния катодных пятен 76
2.2.1. Математическое моделирование катодного пятна 77
2.2.2. Расчет теплового режима протяженного катода 85
2.3. Математическая модель транспортировки заряженных частиц в плазменном потоке 91
2.3.1. Уравнения магнитной гидродинамики для решения задачи движения осесимметричного плазменного потока 93
Расчет распределения заряженных частиц в рабочем объеме вакуумно-дугового источника плазмы 104
Выводы 111
Особенности создания электрофизического оборудования с вакуумно-дуговыми источниками плазмы 114
Особенности управления движением катодных пятен 116
Физические процессы и расчет геометрии электродов 123
Инициирование катодных пятен 133
Диагностика движущегося плазменного потока 140
Электрофизическое оборудование с источниками плазмы коаксиальной конструкции 147
Электрофизическое оборудование с источниками плазмы протяженной конструкции 148
Вакуумно-дуговой источник, формирующий направленный ленточный поток плазмы 149
Вакуумно-дуговые источники, формирующие радиально-расходящийся поток плазмы 153
Выводы 157
Физико-технологические особенности формирования покрытий из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда 159
Особенности взаимодействия заряженных частиц с поверхностью твердого тела 159
Оптимальные режимы процесса формирования покрытий много функционального назначения 171
Системы параметрического управления технологическим процес сом формирования покрытий 174
Сепарация плазменного потока от капельных образований 178
Управление заряженными частицами в рабочем объеме с целью повышения скорости роста и равномерности наносимого покры-
тия 187
4.6. Диагностика и определение свойств наносимых покрытий 191
4.6.1. Методика определения толщины и шероховатости наносимого покрытия 191
4.6.2. Методика исследования структуры, фазового и химического состава покрытий 196
4.7. Выводы 198
5. Формирование покрытий из потока металлической плазмы чистых металлов
5.1. Формирование защитного покрытия на анодах мощных генераторных ламп 201
5.1.1. Разработка покрытий наоснове титана 204
5.1.2. Нанесение покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрической полости с учетом перепыляемого материала 212
5.1.3. Управление плотностью заряженных частиц в объеме цилиндрической полости 222
5.2. Нанесение покрытий на диэлектрические поверхности 228
5.2.1. Металлизация кварцевых подложек ультразвуковых линий задержки 230
5.2.2. Металлизация стеклянных матриц для вакуумных люминесцентных индикаторов 237
5.3. Выводы 243
6. Плазмохимический синтез соединений в потоке металлической плазмы 246
6.1. Синтез карбидных соединений 248
6.1.1. Плазмохимический синтез и исследование свойств покрытий карбидов титана и циркония 254
6.1.2. Плазмохимический синтез и исследование свойств покрытий карбидов молибдена и вольфрама 259
6.2. Плазмохимический синтез нитридных соединений 264
Плазмохимический синтез и исследование свойств пленок нитри да алюминия 265
Плазмохимический синтез и исследование свойств покрытий нитридов титана, циркония и молибдена 272
Получение сложных композиционных покрытий 276
Выводы 278
Создание антиэмиссионных покрытий на сеточных электродах мощных генераторных ламп 280
Тепловой режим работы сеточных электродов 283
Тепловой расчет сеточного узла с учетом излучения и теплопроводности 286
Антиэмиссионное интерметаллическое покрытие PtsZr 288
Антиэмиссионное интерметаллическое покрытие Pt3Zr с диффу зионным барьерным слоем 295
Разработка перспективных материалов для производства мощных генераторных ламп 312
Выводы 318
Заключение 319
Список литературы
- Вакуумно-дуговой источник плазмы с интегрально-холодным катодом
- Вакуумно-дуговой разряд с материала катода
- Диагностика движущегося плазменного потока
- Управление плотностью заряженных частиц в объеме цилиндрической полости
Введение к работе
Функционирование промышленно-развитого государства невозможно без систем радиосвязи, радиовещания и телевидения. Элементами, определяющими тактико-технические характеристики таких систем, являются генераторные лампы.
Мощные генераторные лампы также используются в радиолокационных системах как гражданского, так и военного применения (системы ПВО, заго-ризонтной радиолокации раннего оповещения, ряд систем наведения и управления стрельбой), в современном технологическом оборудовании и специальных электрофизических установках, предназначенных для ускорения заряженных частиц и исследований в областях ядерной физики и термоядерного синтеза.
Таким образом, направление электроники, связанное с разработкой и производством мощных генераторных ламп (МГЛ), является неотъемлемой частью жизнеобеспечения государства, а сами приборы - одним из видов стратегически важной продукции.
Генераторные лампы представляют собой триоды и тетроды в металло-керамической оболочке, использующие в качестве эмиттера электронов вольфрамовый торированно-карбидированный катод, управляющие электронным потоком сеточные электроды, выполненные из тугоплавких металлов, и медные аноды. Несмотря на различное применение и широкий диапазон параметров, все приборы имеют общее конструктивно-технологическое построение.
В зависимости от типа и характера применения уровень выходной мощности генераторных ламп изменяется от единиц киловатт до 2.5 МВт в непрерывном режиме и до 5 МВт в импульсном, а диапазон анодных напряжений -от единиц до сотен киловольт.
По комплексному сочетанию своих параметров (ток, напряжение, мощность, рабочий частотный диапазон) мощные лампы в настоящее время существенно превосходят твердотельные приборы и в обозримом будущем не МО-
гут быть заменены ими.
Несмотря на высокое качество и надежность электронных приборов, отказы из-за выхода их из строя составляют значительную долю общего числа отказов радиоэлектронной аппаратуры. Увеличение срока службы на 10...20 % при долговечности несколько тысяч часов дает для большинства типов МГЛ значительный экономический эффект.
Основные направления совершенствования генераторных ламп - это увеличение удельной мощности на единицу объема и увеличение долговечности при высоком уровне надежности. Увеличение удельной мощности связано с ростом рабочей температуры сеточных узлов и анодов, что, в свою очередь, ведет к снижению надежности и срока их службы.
Для достижения рабочих параметров указанных электродов, применяются различные защитные покрытия, удовлетворяющие специальным требованиям: повышенное значение коэффициента излучения, высокие геттерные свойства, низкое давление насыщенного пара при рабочей температуре, способность образовывать устойчивые твердые растворы с конденсирующимися продуктами испарения термоэмиссионного катода и при этом, по возможности, более высокая работа выхода - для придания поверхности электродов антиэмиссионных свойств. С целыо получения требуемой долговечности (десятки тысяч часов и более) необходимо наносить специальные покрытия толщиной до 10 мкм (при высоком качестве покрытий и при наличии очень высокой адгезии).
Наиболее прогрессивным методом поверхностной обработки материалов является метод, использующий потоки металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым разрядом с интегрально-холодным катодом. Данный тип технологического оборудования обеспечивает высокую эффективность при получении ионизированных и высокоскоростных потоков вещества, открывает возможности управления технологическим процессом нанесения покрытий из плазмы различных чистых металлов (Си, А1, Ті, С, W, Mo, Zr), осуществления плазмохимического синтеза простых (TiN, ZrN, CrN, ZrC, TiC, MoC, A1N) и сложных (TiCN, ZrCN) соединений, воспроизведения сплавов (CoCrAlY) и по-
лучения сложных комбинированных покрытий (TiAIN), а также осуществления, как ионного распыления обрабатываемой поверхности, так и легирования приповерхностного объема. Протекание технологического процесса в вакууме обеспечивает чистоту получаемых покрытий и высокие адгезионные свойства на материалах с различными физико-химическими свойствами.
Таким образом, прогресс в области разработки мощных ламп, удовлетворяющих высоким современным требованиям, и освоение их производства связаны с решением проблем в области технологий формирования специальных материалов на сетках и анодах, с созданием нового специального электрофизического оборудования.
Создание нового класса электрофизического оборудования, позволяющего расширить области практического применения вакуумно-дуговых источников плазмы и технологических процессов на их основе, связано с теоретическим и экспериментальным изучением физических процессов в плазме вакуумно-дугового разряда.
В настоящее время вопросы генерации потоков металлической плазмы с использованием вакуумно-дуговых источников не имеют своей законченной теории и многие детали физической картины, как в самом катодном пятне, так и в зоне транспортировки плазменного потока остаются неясными, что связано со сложной взаимосвязью между отдельными параметрами и многообразием протекающих явлений.
Таким образом, проблемы повышения надежности и увеличения срока службы деталей и конструкций, повышения их качества и эффективности работы, а также экономии металлов относятся к числу первоочередных задач науки и техники. Решение этих задач все теснее связывают с созданием на основе вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом нового класса электрофизического оборудования, предназначенного для разработки ресурсосберегающих и экологически чистых технологических процессов модифицирования поверхности, формирования из потоков металлической плазмы покрытий из чистых металлов, плазмохимических соединений, и с разработкой новых принципов получения антиэмиссионных покрытий.
Целью работы является создание научных основ и разработка специализированного электрофизического оборудования для экологически чистых и ресурсосберегающих технологий направленного модифицирования поверхности и формирования на электродах мощных генераторных ламп защитных покрытий с заданными эксплуатационными свойствами из ускоренных потоков металлической плазмы, генерируемых вакуумно-дуговым разрядом, для повышения работоспособности и увеличения срока службы МГЛ.
Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач: - дальнейшей разработкой основ использования ускоренных потоков металлической плазмы для формирования покрытий и условий направленного поверхностного модифицирования свойств обрабатываемой поверхности;
разработкой экологически чистых технологических процессов по нанесению антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий применительно к электродам мощных генераторных ламп;
изучением взаимодействия направленного плазменного потока с поверхностью твердого тела и выявлением особенностей формирования покрытий на внутренней поверхности цилиндрической полости;
выявлением общих закономерностей влияния температуры катода на параметры генерируемого потока металлической плазмы, определяющего свойства обрабатываемой поверхности;
изучением движения заряженных частиц плазменного потока в неоднородном магнитном поле;
разработкой методов управления плотностью тока плазменного потока с целью получения заданных тепловых режимов обрабатываемого изделия;
разработкой специализированного технологического оборудования на основе протяженных испарителей;
разработкой принципиально новых композиционных материалов и покрытий и методов их получения;
разработкой антиэмиссионных покрытий с барьерным слоем для предотвращения встречной диффузии платины и молибдена;
внедрением в промышленность разработанных технологий и специали-
зированного электрофизического оборудования.
Методы исследований. Исследования выполнены с применением современных теоретических и экспериментальных методов, использующих математический анализ, численный расчет и математическое моделирование, металлографию, рентгенографический и микроструктурный анализ, электронную микроскопию и микрорентгеноспектральный анализ химического состава покрытий. Полученные результаты исследований, их согласованность и корреляция экспериментальных и расчетных данных подтверждают обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы.
На защиту выносятся:
Физические процессы генерации потоков металлической плазмы и их воздействие на поверхность твердого тела.
Закономерности управления плотностью тока плазменного потока и технологические процессы управления свойствами поверхностных слоев изделий, основанные на нагреве обрабатываемой поверхности, распылении и последующем осаждении напыляемого материала.
Закономерности перераспределения заряженных частиц в рабочем объеме для повышения скорости роста и формирования равномерного по толщине покрытия на внутренней поверхности камерных анодов и крупногабаритных сетках мощных генераторных ламп.
Способ формирования антиэмиссионного интерметаллического покрытия на основе карбида циркония и платины на сетках мощных генераторных ламп с диффузионным барьерным слоем из карбида тугоплавкого металла материала сеточного электрода.
Специальное электрофизическое оборудование на основе вакуумно-дуговых генераторов металлической плазмы протяженной конструкции для формирования равномерных покрытий на крупногабаритных изделиях и изделиях сложной геометрической формы.
Результаты исследования эксплуатационных свойств антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электродах мощных генераторных ламп.
Научная новизна. В диссертационной работе решены следующие научные проблемы:
На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса разогрева катода вакуумно-дугового испарителя протяженной конструкции, формирующего ленточный поток металлической плазмы, выявлены основные закономерности изменения характера движения катодных пятен и их эмиссионных характеристик.
Разработаны теоретическая модель и математическая программа расчета траекторий движения плазменных потоков в осесимметричном магнитном поле катушек испарителя и катушек систем транспортировки плазменных потоков, позволившие создать новые электромагнитные системы для формирования равномерных покрытий на крупногабаритных изделиях и изделиях сложной геометрической формы.
На основе анализа процессов испарения материалов с катодов протяженной конструкции, процессов формирования плазменных потоков их взаимодействия с обрабатываемой поверхностью созданы новые источники плазменных потоков, работающие в импульсном и непрерывном режимах горения вакуумной дуги и формирующие направленные ленточные и радиально расходящиеся потоки металлической плазмы.
Выполнен теоретический анализ токопрохождения ионной составляющей потока металлической плазмы через плазменный аттенюатор, позволяющий управлять потоком мощности на обрабатываем изделии, регулировать скорость нанесения покрытий и одновременно значительно уменьшать содержание дефектов в покрытии в виде микрокапель.
Выполнен теоретический и экспериментальный анализ взаимодействия ускоренных потоков металлической плазмы с внутренней поверхностью цилиндрической формы, в том числе и с поперечными ребрами, результаты которого использованы при обработке камерных анодов мощных генераторных ламп.
Впервые на основе выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований технологией вакуумно-дугового нанесения по-
крытий получен один из наиболее эффективных и современных на сегодняшний день антиэмиссионных материалов Pt3Zr, синтезируемый через карбид циркония.
Впервые применительно к антиэмиссионным покрытиям на сетках мощных генераторных ламп показана возможность повышения их срока службы за счет применения антидиффузионных барьерных слоев.
Разработаны высокоэффективные экологически чистые и ресурсосберегающие технологические процессы очистки поверхности и нанесения антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электроды мощных генераторных ламп, а также электрофизические установки для их реализации, способствующие существенному (в 3 - 5 раз) увеличению срока службы ламп.
Практическая значимость исследований, проведенных автором, заключена в следующем:
Разработаны и внедрены в производство принципиально новые конструкции источников плазмы, реализующие новые ресурсосберегающие экологически чистые вакуумные технологии нанесения функциональных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами.
Предложены новые конструкции вакуумно-дуговых источников плазмы с интегрально-холодным катодом протяженной конструкции, позволяющие наносить покрытия на крупногабаритные изделия сложной геометрической формы.
Разработаны методы магнитного управления движением заряженных частиц плазменного потока, позволяющие достичь их перераспределения в рабочем объеме, создать зоны с повышенной их концентрацией, повысить коэффициент использования плазмообразующего материала, увеличить скорость роста и равномерность толщины наносимого покрытия на обрабатываемых изделиях.
Разработаны и реализованы в программном комплексе алгоритмы расчета транспортировки заряженных частиц плазменного потока и распределения плотности ионного тока в рабочем объеме вакуумно-дугового источника плазмы.
Разработаны методы управления плотностью плазменного потока и его очистки от капельных образований, позволяющие за счет согласования теплового режима плазменного потока и обрабатываемого изделия расширить области практического применения источников плазмы.
Результаты разработок внедрены в серийное производство мощных генераторных ламп.
Технологический процесс получения интерметаллического соединения на основе карбида циркония и платины, используемого в качестве антиэмиссионного покрытия на сеточных электродах, внедрен в производство мощных генераторных ламп.
Разработан технологический процесс получения многослоевого покрытия с диффузионным барьерным слоем из карбида тугоплавкого металла, повышающий срок службы мощных генераторных ламп.
Внедрение результатов работы. Значимость выводов и рекомендаций работы, а также высокий уровень технологических разработок подтверждаются положительным опытом эксплуатации в промышленности. Новизна научных результатов, разработанных технологических устройств и процессов подтверждаются 5 авторскими свидетельствами и 7 патентами на изобретения. Образцы выполненных разработок постоянно демонстрируются на Российских выставках. На последней выставке «Российский промышленник-2006» (г. С.Петербург) в инновационных проектах передовых технологий машиностроения разработка ионно-плазменных технологий удостоена диплома 1-й степени с золотой медалью.
Разработанное электрофизическое оборудование и технологии внедрены в серийное производство мощных генераторных ламп на ЗАО «С.Е.Д.-СПб». Годовой экономический эффект от внедрения за 2006 год составил 1 419 740 рублей.
За проведенные научные исследования и выполненные разработки автор удостоен звания «Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники» (указ Президента Российской Федерации от 25.07. 2000 г.).
Апробация работы. Результаты работы регулярно представлялись и обсуждались на Всесоюзных и Международных научно-технических конференциях:
The 7 International conference «High Technologies in Advanced metal science and Engineering», 2006, С.-Петербург;
HTC «Электровакуумная техника и технология», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, Москва;
2 Международная научно-практическая конференция «Высокие технологии и фундаментальные исследования», 2006, С.-Петербург;
Международная конференция «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов», Украина, Харьков. 2003,2004;
International conference «Plasma Physics and Plasma Technology», Belarus, Minsk, 2004,2006;
Международный симпозиум «Вакуумные технологии и оборудование», Украина, Харьков, 2001,2002,2003;
Международная конференция «Алмазные пленки и пленки родственных материалов», Украина, Харьков, 2002;
Международная специализированная выставка-конгресс «Электротехнологии XXI века» (ЭЛТЕХ-2001), С.-Петербург, 2001;
Международная конференция «Пленки и покрытия», С.-Петербург, 1998, 2001,2005;
1-я Международная конференция «Покрытия - Технологии - Оборудование», С.-Петербург, 2000;
IV НТК с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1995,1996;
Международная НТК, «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, 1996; 1998, 2000,2002, 2004;
III Всесоюзная НТК «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц», Томск, 1994;
Всесоюзная НТК «Прогрессивная технология нанесения металлических покрытий на поверхности», Челябинск, 1986.
В ряде перечисленных конференций автор входил в состав оргкомитета, выступал в качестве председателя или ученого секретаря.
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в монографии «Вакуумные дуговые источники плазмы», в 45 публикациях, 6 учебных пособиях, 55 материалах докладов и 12 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка используемых литературных источников из 230 наименований. Работа содержит 340 страниц машинописного текста, 139 иллюстраций и 27 таблиц. Приложение к диссертации содержит акты внедрения и использования результатов работы в промышленности.
ВО ВВЕДЕНИИ определена актуальность работы, сформулирована цель, кратко изложены основные задачи и полученные результаты, представлена научная и практическая ценность выполненных исследований и разработок, доведенных до практического внедрения в промышленность.
ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит анализ современного состояния исследований вакуумно-дугового разряда, описание принципа действия вакуумно-дугового источника плазмы с интегрально-холодным катодом и параметры генерируемого плазменного потока. Метод вакуумно-дугового нанесения покрытий рассмотрен в сравнении с другими системами ионно-плазменного нанесения покрытий. Приведено современное состояние применяемого электрофизического оборудования. Показано, что существующее оборудование не отвечает требованиям по формированию равномерных покрытий на обрабатываемых изделиях. На основе проведенного анализа состояния проблемы сформулированы основные задачи диссертационной работы.
ВТОРАЯ ГЛАВА содержит теоретические и экспериментальные аспекты генерации и транспортировки генерируемого потока металлической плазмы. Приведены результаты исследований динамики развития катодных пятен. Рассмотрены вопросы существования катодных пятен на неочищенной поверхности катода и на материале катода. Произведен расчет теплового режима работы протяженного катода. Рассмотрено влияние размеров катодного пятна
на тип существующей эмиссии. Представлена математическая модель транспортировки заряженных частиц в плазменном потоке. Обоснован выбор уравнений магнитной гидродинамики для осуществления анализа движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле. Произведен расчет пространственного распределения индукции магнитного поля в рабочем объеме вакуумно-дугового источника плазмы. На основе уравнений магнитной гидродинамики получены дифференциальные уравнения движения, приведены результаты расчета распределения заряженных частиц в рабочем объеме.
ТРЕТЬЯ ГЛАВА отражает вопросы создания электрофизического оборудования на основе вакуумно-дугового разряда. Рассмотрены особенности стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода. Рассмотрены физические процессы, протекающие на электродах и произведена оценка баланса мощности, выделяющейся на катоде и аноде. Представлены разработанные катодные и анодные узлы коаксиальной конструкции. Показано, что тепловые режимы катода определяют как производительность протекающего технологического процесса, так и свойства и структуру формируемого покрытия. Представлены электрические системы инициирования вакуумного дугового разряда, работающие в импульсном режиме. Представлен, реализованный метод диагностики плазменного потока с помощью электрических зондов. Рассмотрены разработанные генераторы металлической плазмы протяженной и коаксиальной конструкции.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА целиком отражает особенности формирования покрытия из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда. Определены факторы, определяющие качество формируемого покрытия, учитывающиеся при разработке технологических процессов. Поставлена и решена задача управления плотностью плазменного потока и его очистки от капельных образований. Представлены вопросы диагностики и определения свойств наносимых покрытий. Рассмотрены методы определения толщины, структуры и фазового состава.
ПЯТАЯ ГЛАВА отражает вопросы формирования покрытий. Рассматриваются вопросы проникновения плазменного потока в объем цилиндрической
полости. Решена задача повышения скорости и равномерности наносимого покрытия. Рассмотрены вопросы нанесения покрытия на внутреннюю поверхность камерных анодов МГЛ с учетом перепыляемого материала. Представлены результаты исследований по нанесению и использованию титановых покрытий. Рассмотрено влияние капельной фракции на характеристики газопо-глощающих покрытий. Представлены особенности нанесения покрытий на диэлектрические поверхности. Приведены типы разработанных покрытий.
ШЕСТАЯ ГЛАВА содержит результаты по осуществлению плазмохи-мического синтеза карбидных, нитридных и карбонитридных соединений в рабочем объеме вакуумно-дугового источника плазмы. Представлены результаты и особенности получения карбидных и нитридных соединений переходных металлов.
СЕДЬМАЯ ГЛАВА отражает вопросы получения антиэмиссионных интерметаллических покрытий на сеточных электродах мощных генераторных ламп на основе карбида циркония и платины. Для предотвращения встречной диффузии материалов предложено использовать в составе антиэмиссионного покрытия диффузионный барьерный слой карбида тугоплавкого металла. Рассмотрена возможность использования в качестве материала для сеточных электродов углеграфитового материала, образующегося при термической диссоциации низкомолекулярных углеводородов типа метан, этан или ацетилен на предварительно нагретой поверхности. Представлены результаты производственных испытаний материалов применительно к производству мощных генераторных ламп.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ отражает все основные научные и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы для повышения работоспособности и увеличения срока службы мощных генераторных ламп. Разработанное электрофизическое оборудование и технологии внедрены в серийное производство мощных генераторных ламп на ЗАО «С.Е.Д.-СПб», что позволило повысить срок службы мощных генераторных ламп с 3000....5000 до 12000...15000 часов и по техническим характеристикам достичь уровня лучших мировых аналогов.
Вакуумно-дуговой источник плазмы с интегрально-холодным катодом
К дуговым разрядам относятся самоподдерживающиеся разряды, у которых катодное падение напряжения имеет относительно низкую величину, сравнимую по значению с порядком потенциалов ионизации или возбуждения атомов [11].
Освобождение электронов на катоде дугового разряда происходит под влиянием либо объемного заряда, локально создаваемого ионами, находящимися в области катодного падения, либо вследствие разогрева локальной области катода, за счет его бомбардировки ионами, ускоренными в области катодного падения [12]. Благодаря воздействию положительного объемного заряда потенциальный барьер на границе металл - вакуум сужается, вследствие чего делается возможным протекание автоэлектронной эмиссии. Разогрев локального участка поверхности катода приводит к увеличению кинетической энергии свободных электронов в металле и создает условия для эмиссии той части электронов, которая обладает энергией, превышающей величину потенциального барьера на границе металл - вакуум, т. е. приводит к термоэлектронной эмиссии. В случае когда существует катодное пятно, основное значение приобретает термоавтоэлектронная эмиссия. При этом возможно существование других, более сложных, комбинированных процессов обеспечивающих возникновение электронов у катода [13].
Дуговой разряд характеризуется большой величиной протекающего то ка, достигающего 105 А [14]. Напряжение горения дуги невелико: так для коротких дуг оно не превышает 20...30 В, а для некоторых форм вообще составляет всего лишь несколько вольт. Вольт-амперные характеристики дуговых разрядов чаще падающие. Катоды дуг либо целиком, либо местами и кратковременно получают из разряда большое количество энергии, за счет чего они обладают достаточно высокой температурой. Разрушение материала катода осуществляется за счет эрозии и испарения. Вакуумные дуги существуют в парах испаряемого материала [15]. Что касается состояния плазмы положительного столба, области между приэлектродными слоями, то наряду с равновесными дугами существуют неравновесные, что зависит от давления газа. Следует отметить, что равновесность плазмы в разряде постоянного тока характерна только для дуги, а неравновесность свойственна как тлеющему разряду, так и дуговому, когда последний существует при низком давлении [16].
Под определение дуги, как разряда с низким катодным падением, подпадают, чуть ли не все разряды постоянного тока, кроме тлеющего. Вследствие чего разновидностей разрядов, причисляемых к дуговым, довольно много. Они классифицируются по характеру процессов на катоде, состоянию плазмы положительного столба и по роду рабочей среды: газ или пары материала катода, в которой протекает ток.
Вакуумная дуга является частным случаем дуги низкого давления с холодным катодом, представляющая сильноточный низковольтный разряд, реализуемый в глубоком вакууме и развивающийся в парах материала одного из электродов. По способу генерации рабочей среды дуговые разряды различают на анодную и катодную дугу, а в зависимости от плотности разрядного тока и температуры электродов разряд может существовать в качественно различных формах: - разряд с расходуемым анодом и горячим полым катодом; - разряд с горячим расходуемым катодом; - разряд с интегрально-холодным катодом. Наиболее ярким представителем этого типа дуг является дуга с испа ряющимся интегрально-холодным катодом.
При давлении ниже 1(Г3 Па на охлаждаемом катоде и аноде с развитой поверхностью имеет место катодная форма дугового разряда, развивающаяся в парах материала катода [16], [17]. Рассматриваемый тип разряда устойчив в широком диапазоне токов: от десятков до тысячи ампер и более при напряжении горения всего несколько десятков вольт, которое при этом практически не зависит от значения разрядного тока [18]. Основную часть разрядного напряжения составляет катодное падение потенциала, определяемое в основном свойствами материала катода [19]. На аноде разряд диффузно распределен, вследствие чего данный электрод не эродирует, а играет роль пассивного коллектора электронов и продуктов эрозии материала катода.
Типичная схема вакуумно-дугового источника плазмы с коаксиальной системой электродов и внешней магнитной системой стабилизации катодных пятен представлена на рис. 1.3.
Конструкция источника плазмы включает в себя цилиндрический анод / с развитой поверхностью. Центральный торцевой катод 2 выполнен из материала, образующего металлическую плазму. В боковую поверхность катода упирается поджигающий электрод 3. Экран 4 служит для предотвращения ухода катодных пятен на не рабочую поверхность катода. Магнитная система расположена с внешней стороны анода и состоит из стабилизирующего соленоида 5 и фокусирующего соленоида 6. Анод плотно соединен с рабочим объемом 7, в котором на оси системы располагаются обрабатываемые изделия 8. Для групповой обработки деталей обычно используется планетарный механизм 9, обеспечивающий перемещение деталей в потоке плазмы. Все элементы конструкции источника плазмы выполнены из немагнитного материала [20].
Для реализации выбранного типа вакуумно-дугового разряда с интегрально холодным катодом используется принудительная система водяного охлаждения электродов, обеспечивающая такой режим катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для поддержания между электродами тока за счет термоэлектронной эмиссии [21]. В этом случае эмиссионным центром разряда, на поверхности отрицательного катода, является катодное пятно, представляющее собой небольшую, ярко светящуюся область, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги [22].
Вакуумно-дуговой разряд с материала катода
Изменение характера перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода, связанное с изменением его температуры: а - наблюдаемое перемещение катодных пятен по рабочей поверхности в первоначальный момент времени на холодном катоде, полученное из 3 кадров видеоряда; б, в - переходной этап разогрева катода, сложен из 2 кадров видеоряда; г - установившейся тепловой режим на катоде, один кадр 100 мс. При этом наблюдаемое сокращение длительности токовых импульсов было связано с увеличением температуры катода (рис. 2.8). Учитывая, что первые токовые импульсы имеют большую длительность, для регистрации перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода использовалась видеокамера формата VHS.
Стандарты телевидения имеют чересстрочную развертку: в одной секунде 25 кадров и 50 полей (полукадров) с четными и нечетными строками. В компьютерном мониторе развертка построчная и в одну секунду отображается 25 полных кадров. При обработке видеоряда с аналоговой видеокамеры компьютер преобразует каждые два поля в один кадр. Поэтому на компьютерном мониторе отображается кадр с двумя зафиксированными моментами наблюдаемого движения: первый момент соответствует нечетному полю, а второй -четному.
Если при по кадровом рассмотрении учитывать только те кадры, на которых начало совпадает с возникающим токовым импульсом, то последовательно следующие друг за другом кадры видеоряда дают представление о характере перемещения катодных пятен по рабочей поверхности.
В результате обработки видеоматериала была получена покадровая развертка изображения, позволяющая наблюдать трансформацию катодных пятен во времени и оценивать скорость их перемещения по рабочей поверхности катода с точностью до 20 мс - времени отображения одного поля.
Съемка осуществлялась при фиксированных величинах тока разряда и внешнего магнитного поля, но с применением различных светофильтров. На рис. 2.9 представлены наблюдаемые зафиксированные кадры: с сильной засветкой (рис. 2.9, Й)ИС классической траекторией перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода (рис. 2.9, б).
На рис. 2.9. в представлен кадр с зафиксированными моментами перемещения выделенных катодных пятен по рабочей поверхности для нечетного (вверху) и четного (внизу) полей. Временной интервал между пятнами равен 20 мс. На рис. 2.10 представлено изменение характера движения катодных пятен по рабочей поверхности с увеличением температуры катода. Первый токо
вый импульс длительностью т = 80 мс, зафиксированный на холодном катоде, соответствует трем кадрам видеоряда (рис. 2.10, а).
Групповое катодное пятно, наблюдаемое внизу кадра, связано с его задержкой у дугогасящего экрана, что при используемой частоте видеосъемки, не позволяет, к сожалению, точно определить момент достижения пятном дугогасящего экрана.
Наблюдаемая задержка катодных пятен в области дугогасящего экрана иногда превышает оптимальное время пробега в 1.5...2 раза. Данные условия приводят к неравномерной эрозии материала катода.
Катодное пятно, перемещающееся по рабочей поверхности катода в сторону токового ввода, представляет собой точечный источник тепла, нагревающий катод вдоль пути своего перемещения. Тепло распространяется, в основном, в направлении, перпендикулярном оси симметрии катода. Непрерывное перемещение катодных пятен по ограниченной рабочей поверхности катода, независимо от начального распределения температуры, приводит к установлению на ней некоторой средней равновесной температуры, определяемой диаметром и длиной катода, а также условиями его охлаждения.
По мере повышения температуры катода количество фиксируемых моментов движения катодных пятен за один импульс сокращается. Рис. 2.10, б сложен из двух кадров и имеет три момента перемещения (т = 60 мс). При этом четко видно, как в процессе движения изменяются геометрические размеры пятен. Рис. 2.10, в соответствует двум моментам перемещения (т = 40 мс). Рис. 2.10, г соответствует одному кадру и одному моменту перемещения (т = 20 мс), при этом отчетливо виден след оставляемый катодным пятном. Учитывая, что расстояние от поджигающего электрода до дугогасящего экрана равно 0.4 м получаем возрастание скорости прохождения катодными пятнами рабочего участка катода с 5 до 20 м/с, при этом также возрастает скорость прохождения катодными пятнами начального, у поджигающего электрода, менее прогреваемого участка.
Наблюдаемое на всех фотографиях плавное нарастание тока на отрезке от поджигающего электрода до первого зонда характеризуется хаотическим перемещением катодных пятен на начальном участке и связано с прогревом катода. С ростом температуры катода шумовые составляющие сигнала на осциллограммах уменьшаются, а направленная скорость перемещения катодных пятен по рабочей поверхности увеличивается.
При перемещении катодного пятна наблюдается трансформация его размеров. Катод, в области катодных пятен подвержен интенсивному разрушению. Поддержание разряда из катодного пятна невозможно ниже некоторой в нем температуры, определяемой теплофизическими свойствами материала катода. Этим объясняется некоторый порог потока энергии в катодное пятно. В этом случае количество ионов, образующихся в зоне ионизации и являющихся основным источником энергии в пятне, не может быть больше количества испаренных атомов, а изменение размеров катодного пятна приводит к изменению степени ионизации плазменного потока. В свою очередь, при малых размерах катодного пятна, задаваемый уровень температуры достигается за более короткий промежуток времени, чем в пятнах, более крупного размера. Кроме этого, уменьшение размеров катодного пятна и изменение плотности ионного тока оказывает влияние на напряженность электрического поля.
Изменение размеров пятна приводит к изменению напряженности, плотности эмиссионного и ионного токов, баланса энергии в зоне генерации, баланса тепла на поверхности катода и уравнений для определения температуры катода, при этом все выше перечисленное влечет за собой изменение параметров генерируемого плазменного потока [76].
Диагностика движущегося плазменного потока
При расчете длины свободного пробега необходимо учитывать рассеяние электронов ионами с различной степенью зарядности п , которые присутствуют в плазменном потоке. Общее количество заряженных частиц для рассматриваемого случая составляет примерно щ = 1018 м-3. Для каждого типа заряда определяется Xei, после чего определяется общая длина свободного пробега электронов }Се =YXQI
Электроны начинают проскальзывать вдоль анода по направлению дрейфа в скрещенных электрическом и магнитном полях, при этом электронная температура вблизи анода значительно возрастает. Теоретический анализ прианодного скачка потенциала показывает, что в этих условиях значение 17а резко увеличивается.
После изменения анодного падения на вольтамперной характеристике наблюдается насыщение тока, а параметры плазмы перестают зависеть от приложенного напряжения, которое идет в основном на увеличение положительного анодного падения. Положительное анодное падение в отличие от отрицательного является дестабилизирующим фактором в отношении образования анодного пятна.
Если бы полный ток, получающийся интегрированием плотности тока хаотически двигающихся электронов плазмы по всей поверхности анода, равнялся требуемому току, то в этом идеальном случае не было бы анодного падения потенциала.
Таким образом, анодное падение потенциала, его знак и величина являются тем регулятором, который поддерживает концентрацию заряженных частиц перед анодом на уровне, обеспечивающем подведение к нему разрядного тока. При отрицательном анодном падении хаотический электронный ток из плазмы тормозится потенциальным барьером, а ионный ток проходит на анод свободно, понижая перед ним концентрацию заряженных частиц. При положительном - ионы не только не способны продвинуться к аноду, но их концентрация еще и увеличивается.
Для вакуумных дуговых источников плазмы оптимальным является ре 131 жим с отрицательным анодным падением, так как в противном случае возрастает уровень мощности, выделяющейся на аноде. При выборе приемной поверхности анода необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:
В противном случае, с увеличением тока разряда выше некоторого критического значения, напряжение на дуге резко возрастает и становится нестабильным, амплитуда колебаний напряжения достигает нескольких десятков вольт. Разряд, прежде диффузный, сжимается около анода. При таких условиях мощность, подводимая к аноду электронным потоком, достаточна для его испарения. Наблюдается локальное увеличение концентрации заряженных частиц за счет ионизации атомов анодного материала, что обусловливает разогрев распыляемого участка поверхности анода и способствует образованию анодного пятна [130] - ярко светящейся области с плотностью тока 104...105 А/см и большой удельной мощностью 10 ...10 Вт/см [131]. Дальнейшее увеличение тока ведет к увеличению размеров анодного пятна, которое превращается в мощный источник плазменного потока и начинает играть доминирующую роль в разряде [132].
Анодное пятно является высокопроизводительным источником пара материала анода, настолько, что способно за короткий промежуток времени привести к полному разрушению электрода [133]. Поэтому режим с образованием установившегося анодного пятна является аварийным.
Анод является коллектором заряженных частиц. Мощность, выделяющаяся на аноде, определяется вкладом электронов с тепловой скоростью 106 м/с, ионов со скоростью 104 м/с, а также за счет энергетического воздействия со стороны плазмы, связанного с ее излучением и с конденсацией нейтральных атомов, хотя коэффициент конденсации при этом не всегда равен единице. Все эти составляющие вносят вклад в энергию, поступающую на поверхность анода, которая должна быть сбалансирована тепловым отводом в глубь анода, обратным излучением в разряд и испарением с поверхности анода. Полный баланс на поверхности анода можно представить в следующей форме [134]: где qa - тепловой поток, снимаемый с анода за счет охлаждения; у - плотность тока электронов эмиссии с анода; /е, j\ - хаотические плотности электронного и ионного тока эмиссии; ДГ;, АТе - разности между температурами ионов и электронов плазмы и температурой анода; q - тепловой поток, поступающий из плазмы на электрод, благодаря излучению и наличию нейтральных атомов.
Управление плотностью заряженных частиц в объеме цилиндрической полости
Расчет распределения витков соленоида позволяет достичь равномерного распределения плотности ионного тока вдоль оси катода, а упорядоченный характер движения катодных пятен обеспечивает получение покрытия, равномерного по высоте обрабатываемых изделий.
Индукция и структура магнитного поля оказывают влияние не только на стабилизацию катодных пятен на рабочей поверхности катода, но и на такие параметры разряда как разрядный ток вакуумной дуги, состав плазменного потока и на пространственное распределение заряженных частиц в рабочем объеме.
В зависимости от направления протекания тока в соленоиде удается управлять движением катодного пятна и формировать плазменные потоки различной геометрии.
Более сложные проблемы управления катодными пятнами возникают при обеспечении равномерной эрозии материала по всей поверхности цилиндрического катода в стационарном режиме горения вакуумно-дугового разряда.
Разработано несколько вариантов испарителей с катодом протяженной конструкции. Наиболее простой является конструкция с симметричной схемой включения, предусматривающей наличие токовых вводов с обоих торцов катода (рис. 3.22). При одинаковых электрических сопротивлениях плеч схема электрически симметрична относительно местоположения катодного пятна
Магнитные поля, образованные токами каждого плеча, взаимно компенсируются в зоне катодного пятна, а магнитное поле токового канала в плазме не создает асимметрии. Катодные пятна не имеют физически предпочтительных областей локализации и хаотически перемещаются по всей боковой поверхности катода. Изменяя сопротивления плеч, можно формировать области локализации катодных пятен на любом расстоянии от торцов. С практической точки зрения важно, как в вакуумной камере осуществляется токоотвод от каждого торца катода и как проложена шина каждого токового канала.
Варианты подключения внешнего источника питания к каждому из торцов катода и расположение токовых вводов от каждого из торцов внутри вакуумной камеры имеют свои особенности и влияют на стабилизацию катодных пятен и на стабильность непрерывной работы катода испарителя. При этом одной из актуальных проблем является проблема предотвращения ухода катодных пятен с поверхности катода при их приближении к каждому из торцов. Было предложено несколько вариантов схем защиты ухода катодных пятен с рабочей поверхности катода, использующих применение электростатических экранов, дополнительных магнитных полей или их комбинации. Применение того или иного способа обусловлено или режимами работы вакуумно-дугового испарителя (в основном тока дугового разряда), или конструктивными особенностями испарителя. Дополнительные магнитные поля создавались как постоянными магнитами, так и соленоидами, через которые протекал ток дугового разряда.
Исследования равномерности нанесения покрытий вдоль длины катода с использованием рассмотренных выше конструкций и схем подключения катодов к источнику питания показали, что скорость нанесения покрытий на уровне середины катода приблизительно в полтора раза выше, чем на уровне торцов катода. Наблюдаемая неравномерность связана с преимущественной концентрацией катодных пятен в центральной зоне катода.
Для устранения данного недостатка предложен, исследован и реализован метод работы испарителя с поочередным подключением источника питания дугового разряда к каждому из торцов катода. При этом катодные пятна всегда перемещаются в сторону к подключенному торцу катода. При чередующемся включении источников питания можно добиться состояния, при котором катодное пятно будет пробегать от одного торца катода до другого, и при определенных условиях должно обеспечить высокую степень равномерности нанесения покрытий. Сложность создания таких испарителей состоит в том, длительность импульсов и частоту коммутации необходимо увязывать с током дугового разряда в связи с тем, что скорость движения катодных пятен связана с током дуги. Разработано несколько схем переключения источников питания с регулируемой частотой. Для катода длиной 0.4 м и диаметром 0.05 м создана схема, позволяющая регулировать частоту включения источников питания в пределах 1...20 Гц. Изменяя длительность импульсов и частоту их
следования можно стабилизировать движение катодных пятен в определенных зонах поверхности катода и фиксировать протяженность зоны испарения. Предложена оригинальная схема питания протяженного испарителя, основанная на разделении тока источника питания между разрядным током и током через балластное сопротивление. При этом неравномерность нанесения покрытий вдоль длины катода не превышала 20 %.
