Технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Селифанов Сергей Олегович Селифанов Олег Владимирович Чекан Николай Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый катод с расходуемым торцом и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом,соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к расходуемому торцу катода, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором катод около его расходуемого торца, отличающийся тем, что катод выполнен сужающимся в направлении от расходуемого торца. 2. Технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы по п. 1, отличающийся тем, что катод имеет форму усеченного конуса, причем большее его основание представляет собой расходуемый торец катода. 3. Технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы по п. 2, отличающийся тем, что величина угла уклона усеченного конуса выбрана из интервала 5 30.(56) 1. А.с. СССР 1374819 А, 1992. 2. Аксенов Д.С., Аксенов И.И., Стрельницкий В.Е. Источники чистой эрозионной плазмы в технике вакуумно-дугового осаждения покрытий обзор Сб. тр. Межд. Харьковской нанотехнологической Ассамблеи, Ассамблея-2006. - Харьков Украина. - С. 106-113. 3. Маслов А.И., Дмитриев Г.К., Чистяков Ю.Д. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимента. - 1985. -3. С. 146-149. 4.10555 С, 2008. Предлагаемая полезная модель относится к области вакуумно-дуговой плазменной техники и технологии и может быть использована для получения высококачественных,в частности, алмазоподобных тонких пленок и покрытий из импульсных потоков плазмы. Хорошо известен технологический вакуумно-дуговой источник плазмы 1, содержащий охлаждаемый полый цилиндрический нерасходуемый анод, установленный соосно с ним охлаждаемый катод с расходуемым торцом, причем катод выполнен в виде усеченного конуса, меньшее основание которого представляет собой расходуемый торец катода,расположенную у большего основания систему поджига для возбуждения вакуумнодуговых разрядов с катодными микропятнами на боковой поверхности катода и электромагнитные средства для перемещения катодных микропятен на расходуемый торец катода и последующее удержание их на расходуемом торце. Такой источник плазмы требует применения достаточно мощных электромагнитных средств, оснащенных соответствующими блоками питания и управления, и предназначен для работы в режимах вакуумных дуг постоянного тока. К сожалению, процесс генерирования плазмы с помощью вакуумно-дуговых разрядов постоянного тока сопровождается эмиссией большого количества микрочастиц 2, наличие которых обычно крайне нежелательно, особенно при использовании генерируемой плазмы для получения тонких пленок и покрытий. Стремление подавить эмиссию микрочастиц или снизить ее до приемлемого уровня привело к необходимости реализации в технологических источниках плазмы импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен, что имеет место при протекании через катод источника импульсов тока, амплитуда которых составляет не менее 0,51,0 кА. Предпочтительным является применение кратковременных (не более 0,55,0 м/с) сильноточных вакуумно-дуговых разрядов, возбуждаемых бесконтактным способом. В практике промышленного производства нашел применение импульсный вакуумнодуговой источник углеродной плазмы Маслова 2, 3. Он содержит два соосных основных электрода, одним из которых является кольцевой нерасходуемый графитовый анод, а другим - охлаждаемый цилиндрический графитовый катод с расходуемым торцом, фокусирующий соленоид и расположенный между основными электродами соосно с ними кольцевой узел бесконтактного поджига, представляющий собой обращенный к катоду импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы. Такой источник плазмы может эксплуатироваться в вышеуказанных режимах кратковременных сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов, обеспечивая получение алмазоподобных тонкопленочных покрытий достаточно высокого качества. Основным недостатком источника является отсутствие каких-либо специальных средств для стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода. Уход же их на боковую поверхность катода приводит к довольно быстрому изменению геометрических размеров и формы его расходуемого торца. В результате после 100 тысяч актов поджига(срабатывания) источника плазмы надежность поджига падает, а диаграмма направленно 2 48872008.12.30 сти потоков плазмы, генерируемой из материала катода, существенно изменяется. В итоге становится невозможным обеспечение стабильности скорости осаждения материала и надлежащей воспроизводимости структуры и свойств получаемых тонкопленочных покрытий. Наиболее близким по технической сущности (прототипом предлагаемой полезной модели) является технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы 4, содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый цилиндрический катод с расходуемым торцом и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к расходуемому торцу катода, и кольцевой электрод, охватывающий с зазором катод около его расходуемого торца и совмещающий функции экрана как средства для стабилизации катодных микропятен на упомянутом расходуемом торце. При предпочтительной величине зазора, равной 1,01,5 мм, обеспечивается высокая стабильность существования катодных микропятен на расходуемом торце катода. Основным недостатком такого источника плазмы является постепенное уменьшение величины упомянутого зазора за счет имеющего место осаждения на электроде-экране части материала из потоков плазмы, генерируемых источником. Закорачивание зазора, возникающее при длительном функционировании источника плазмы, приводит к нарушению ритмичности генерации плазмы, появлению участков с асимметричной выработкой расходуемого торца катода, а при дальнейшей эксплуатации в таких условиях - к отказам в работе, часто сопровождаемым значительными повреждениями в системе питания и управления. Чтобы не возникало таких серьезных последствий, как правило, после 189200 тысяч актов срабатывания источника требуется проводить его профилактическое обслуживание, включающее, по крайней мере, торцевание катода и очистку электрода-экрана или их замену. Задачей создания предлагаемой полезной модели является увеличение межпрофилактического ресурса высоконадежного функционирования технологического импульсного вакуумно-дугового источника плазмы с высокой равномерностью выработки расходуемого торца катода. Поставленная задача достигается тем, что в известном технологическом импульсном вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый катод с расходуемым торцом и систему бесконтактного поджига,включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к расходуемому торцу катода, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором катод около расходуемого торца, катод выполнен сужающимся в направлении от его расходуемого торца. Другое отличие предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового источника плазмы заключается в том, что катод имеет форму усеченного конуса, причем большее его основание представляет собой расходуемый торец катода. Отличием предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового источника плазмы является и то, что величина угла уклона усеченного конуса выбрана из интервала 530. Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных отличительных признаков технологического импульсного вакуумно-дугового источника плазмы,подтверждает новизну предлагаемой полезной модели. Признать же отличительные признаки существенными позволяет наличие ряда нижеприведенных положительных факторов, способствующих достижению цели ее создания. 3 48872008.12.30 Так, например, благодаря тому что катод выполнен сужающимся в направлении от его расходуемого торца, по мере выработки последнего диаметр катода уменьшается, при этом закорачивания зазора между катодом и электродом-экраном по осажденному на электроде-экране материалу практически не наблюдается при достаточно продолжительной работе источника плазмы, особенно при обеспечении подачи катода. Если катод имеет форму усеченного конуса, большее основание которого представляет собой расходуемый торец катода, подача катода может осуществляться с постоянным шагом или скоростью его осевого перемещения. Величина угла уклона усеченного конуса выбрана из интервала 530. Это обусловлено следующим. При величине угла уклона менее 5 довольно быстро происходит закорачивание зазора между катодом и материалом, осажденным на электроде-экране. Величина же угла уклона более 30 неприемлема для катодов с размерами, обычно используемыми в импульсных вакуумно-дуговых источниках плазмы,поскольку в таком случае значительно ухудшаются условия охлаждения катода, которое производится со стороны его меньшего основания. На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый в качестве полезной модели технологический импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, на фиг. 2 - катод источника плазмы, имеющий форму усеченного конуса, большее основание которого представляет собой расходуемый торец катода. Источник плазмы (фиг. 1) имеет два основных электрода - кольцевой анод 1 и катод 2 с расходуемым торцом 3. Катод 2 установлен соосно с анодом 1 и выполнен сужающимся в направлении от его расходуемого торца 3 с возможностью осевого перемещения (показано стрелками). Торец 3 катода 2 обращен к кольцевому аноду 1 и служит для получения плазмы из материала катода 2. Кольцевой анод 1 является нерасходуемым электродом и предназначен для формирования импульсных плазменных потоков, истекающих через его отверстие 4. Оба основных электрода являются охлаждаемыми, по крайней мере, косвенно. Источник плазмы содержит также систему бесконтактного поджига 5 импульсных вакуумно-дуговых разрядов на расходуемом торце 3 катода 2. Она может быть полностью заимствована из патентов РБ 10555 или 9264. Система поджига включает расположенный между анодом 1 и катодом 2 соосный с ними кольцевой импульсный вакуумнодуговой инжектор инициирующей плазмы 6, обращенный к расходуемому торцу 3 катода 2, и кольцевой электрод-экран 7, охватывающий с зазором 8 катод 2 около его расходуемого торца 3. Сужающийся профиль боковой поверхности катода 2 может иметь ступенчатую, зигзагообразную или какую-нибудь иную форму. Предпочтительным является(фиг. 2) достаточно простой катод 2, имеющий форму усеченного конуса, большее основание которого представляет собой его расходуемый торец 3, при этом угол уклонаусеченного конуса выбран из интервала 530. Материалом катода 2 могут быть графит,композиция графит - металл, в частности графит - медь и графит - серебро, а также некоторые металлы и сплавы. Работа предлагаемого источника плазмы аналогична работе источника-прототипа и осуществляется следующим образом. Управляемый импульсный источник питания с частотой, обеспечивающей достижение необходимой производительности технологического процесса, подает импульсы напряжения на основной вакуумный разрядный промежуток анод 1 - катод 2 источника плазмы и синхронно импульсы напряжения на систему бесконтактного поджига 5. Импульсный инжектор инициирующей плазмы 6 срабатывает, инжектируя полученную плазму в сторону расходуемого торца 3 катода 2, причем под воздействием кольцевого электрода-экрана 7 формируется плотный плазменный сгусток, при достижении которым расходуемого торца 3 катода 2 на нем возбуждается вакуумно-дуговой поджигающий разряд, неизбежно приводящий к пробою основного разрядного промежутка катод 2 - анод 1 источника плазмы и установлению в нем основного импульсного вакуумно-дугового разряда со множеством катодных микропятен на расходуемом торце 3 катода 2. Такой про 4 48872008.12.30 цесс многократно повторяется. При этом электрод-экран 7 стабилизирует горение каждого импульсного вакуумно-дугового разряда на расходуемом торце 3 катода 2. В катодных микропятнах разряда генерируется плазма из материала катода 2. Она истекает в объем вакуумной камеры (не показана) через отверстие 4 в аноде 1 и используется для нанесения тонких пленок и покрытий различного функционального назначения или для какихнибудь иных технологических целей. Небольшая доля этой плазмы осаждается на внутренней части электрода-экрана 7. В то же время в результате выработки расходуемого торца 3 катода 2 диаметр последнего уменьшается. Катод 2 подают по мере выработки его расходуемого торца 3. В таких условиях закорачивания зазора между катодом 2 и электродом-экраном 7 (по осажденному на нем материалу) не происходит в течение весьма продолжительного периода эксплуатации источника. Выработка расходуемого торца 3 катода 2 оказывается достаточно равномерной. При одном и том же материале катода межпрофилактический ресурс высоконадежной работы предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового источника плазмы с высокой равномерностью выработки торца 3 катода 2 не менее чем в 3 - 5 раз превосходит таковой для источника-прототипа. Предлагаемый источник плазмы может быть использован для модернизации промышленных установок УВНИПА 1-001 и УВНИПА 1-002 для нанесения износостойких и трибологических покрытий (производитель - г. Калининград, Россия) или в других вакуумноплазменных установках технологического назначения как отечественного производства,например ВДУ-СИ (производитель СЗОС), так и производства других стран СНГ и стран дальнего зарубежья. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5