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 Точицкий Эдуард Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, установленные соосно с ним цилиндрический катод с расходуемым торцом и бесконтактную коаксиальную вакуумно-дуговую систему поджига со схемой ее питания, размещенную между катодом и анодом и содержащую экран в форме кольца, охватывающий боковую поверхность катода около его расходуемого торца, и кольцевые инициирующий электрод, изолятор с тонкопленочным токопроводом на его внутренней поверхности и расходуемый электрод с внутренней усеченной конической поверхностью,которые расположены последовательно в направлении анода, при этом тонкопленочный 10555 1 2008.04.30 токопровод электрически соединен с инициирующим и расходуемым электродами, обращенные друг к другу поверхности изолятора и расходуемого электрода выполнены соприкасающимися, а схема питания выполнена с возможностью возникновения при ее включении двух последовательных вспомогательных разрядов в системе поджига, первый из которых происходит между инициирующим и расходуемым электродами, отличающийся тем, что инициирующий электрод выполнен со множеством выступов, каждый из которых прижат к тонкопленочному токопроводу, а соприкасающиеся поверхности изолятора и расходуемого электрода конусно сопряжены, причем каждая прямая, являющаяся продолжением любой образующей конусно-сопряженных поверхностей, пересекает расходуемый торец катода, внутренняя поверхность расходуемого электрода выполнена с условием пересечения любой нормалью к ней расходуемого торца катода, при этом схема питания выполнена с возможностью обеспечения второго вспомогательного разряда между расходуемым электродом и экраном, совмещающим функции электрода, а также дальнейшего возникновения в системе поджига третьего вспомогательного разряда между катодом и расходуемым электродом. 2. Источник плазмы по п. 1, отличающийся тем, что величина угла сопряжения соприкасающихся конусных поверхностей изолятора и расходуемого электрода выбрана из интервала 120-170. 3. Источник плазмы по п. 1, отличающийся тем, что бесконтактная коаксиальная вакуумно-дуговая система поджига оснащена защитным элементом, выполненным в виде втулки, трубчатая часть которой находится в отверстии инициирующего электрода. 4. Источник плазмы по п. 3, отличающийся тем, что защитный элемент бесконтактной коаксиальной вакуумно-дуговой системы поджига изготовлен из того же материала,что и катод. Предлагаемое изобретение относится к области импульсной вакуумно-дуговой плазменной техники и технологии и может быть использовано для получения высококачественных, в частности алмазоподобных, тонких пленок и покрытий различного функционального назначения. Широко известны 1, 2 импульсные вакуумно-дуговые источники плазмы, в которых инициирующую плазму, необходимую для возбуждения (поджига) очередного (многократно повторяемого) основного импульсного вакуумно-дугового разряда в промежутке катод-анод источника, получают с помощью лазерного излучения 1 или за счет осуществления вспомогательных вакуумно-дуговых разрядов небольшой энергоемкости по сравнению с энергоемкостью основного разряда 2. Недостатками первых являются сложность, высокая стоимость и низкая эффективность поджига. В свою очередь, известные импульсные вакуумно-дуговые источники плазмы с вакуумно-дуговым поджигом характеризуются низким ресурсом их безотказной работы с высокой эффективностью поджига и требуют частого профилактического обслуживания. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы 3, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним цилиндрический катод с расходуемым торцом и бесконтактную коаксиальную вакуумно-дуговую систему поджига со схемой ее питания, размещенную между катодом и анодом и содержащую кольцевой экран, охватывающий боковую поверхность катода около его расходуемого торца, и кольцевые инициирующий электрод, изолятор с тонкопленочным токопроводом на его внутренней поверхности и расходуемый электрод с внутренней усеченной конической поверхностью, обращенной большим основанием к расходуемому торцу катода, которые расположены последовательно в направлении анода, при этом тонкопленочный токопровод электрически соединен с инициирующим и расходуемым электродами, обращенные 2 10555 1 2008.04.30 друг к другу поверхности изолятора и расходуемого электрода выполнены соприкасающимися с образованием между ними локального контакта, выполненного с возможностью его катящегося перемещения, а схема питания выполнена с возможностью возникновения при ее включении двух последовательных вспомогательных разрядов в системе поджига между ее инициирующим и расходуемым электродами, причем первый является инициирующим и сопровождается образованием инициирующей плазмы в результате электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода импульсом тока, вызывающим также возникновение первичных катодных микропятен на расходуемом электроде, а второй представляет собой импульсный вакуумно-дуговой разряд с собственными катодными микропятнами и сопровождается генерированием высокоплотной электроэрозионной плазмы из материала расходуемого электрода. Основным недостатком вышеописанного импульсного вакуумно-дугового источника плазмы является малый ресурс его высокоэффективной работы, т.е. функционирования с вероятностью поджига не ниже 95 без проведения каких-либо промежуточных профилактических мероприятий. Причина заключается в нарастающем по мере работы данного источника плазмы все большем изменении, по сравнению с первоначальным, направления инжекции высокоплотной электроэрозионной плазмы, генерируемой из материала кольцевого расходуемого электрода, когда он является катодом вакуумно-дуговых разрядов,осуществляемых в системе поджига. Вызвано оно имеющей место углубляющейся в радиальном направлении электроэрозионной выработкой его материала под воздействием катодных микропятен этих разрядов. Из-за кратковременности существования самих разрядов и увеличения со временем глубины выработки катодные микропятна, возникающие на поверхности расходуемого электрода внутри выработки, все чаще не успевают переместиться на не подвергшуюся выработке его коническую поверхность, при этом все меньшая часть плазмы, генерируемой в системе поджига, инжектируется в сторону расходуемого торца катода. Это приводит к постепенному снижению эффективности поджига,причем по прошествии 70-90 тысяч импульсов основного вакуумно-дугового разряда вероятность его возбуждения (срабатывания источника плазмы) снижается до 95 , по прошествии 120-140 тысяч импульсов - до 90 , а при дальнейшей работе без профилактического обслуживания резко падает вплоть до значений, неприемлемых для практического использования источника плазмы в тонкопленочной технологии, что обусловлено недостаточной воспроизводимостью структуры и свойств получаемых тонких пленок. К недостаткам прототипа следует также отнести необходимость оснащения источника плазмы достаточно сложным механизмом, обеспечивающим высоконадежное функционирование локального катящегося контакта, а это, в свою очередь, снижает надежность источника плазмы в целом и приводит к существенному увеличению его стоимости. Целью настоящего изобретения является увеличение межпрофилактического ресурса высокоэффективной работы импульсного вакуумно-дугового источника плазмы, т.е. его функционирования с вероятностью поджига не менее 95 . Задача решается следующим образом. В известном импульсном вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним цилиндрический катод с расходуемым торцом и бесконтактную коаксиальную вакуумно-дуговую систему поджига со схемой ее питания, размещенную между катодом и анодом и содержащую экран в форме кольца, охватывающий боковую поверхность катода около его расходуемого торца, и кольцевые инициирующий электрод, изолятор с тонкопленочным токопроводом на его внутренней поверхности и расходуемый электрод с внутренней усеченной конической поверхностью, которые расположены последовательно в направлении анода, при этом тонкопленочный токопровод электрически соединен с инициирующим и расходуемым электродами, обращенные друг к другу поверхности изолятора и расходуемого электрода выполнены соприкасающимися, а схема питания выполнена с возможностью возникновения при ее включении двух последовательных вспомогатель 3 10555 1 2008.04.30 ных разрядов в системе поджига, первый из которых происходит между инициирующим и расходуемым электродами инициирующий электрод выполнен со множеством выступов,каждый из которых прижат к тонкопленочному токопроводу, а соприкасающиеся поверхности изолятора и расходуемого электрода конусно сопряжены, причем каждая прямая,являющаяся продолжением любой образующей конусно-сопряженных поверхностей, пересекает расходуемый торец катода, внутренняяповерхность расходуемого электрода выполнена с условием пересечения любой нормалью к ней расходуемого торца катода, при этом схема питания выполнена с возможностью обеспечения второго вспомогательного разряда между расходуемым электродом и экраном, совмещающим функции электрода, а также дальнейшего возникновения в системе поджига третьего вспомогательного разряда между катодом и расходуемым электродом. Другое отличие предлагаемого импульсного вакуумно-дугового источника плазмы заключается в том, что величина угла сопряжения соприкасающихся конусных поверхностей изолятора и расходуемого электрода выбрана из интервала 120-170. Отличием предлагаемого импульсного вакуумно-дугового источника плазмы является и то, что бесконтактная коаксиальная вакуумно-дуговая система поджига оснащена защитным элементом, выполненным в виде втулки, трубчатая часть которой находится в отверстии инициирующего электрода. Еще одно отличие предлагаемого импульсного вакуумно-дугового источника плазмы заключается в том, что защитный элемент бесконтактной коаксиальной вакуумно-дуговой системы поджига изготовлен из того же материала, что и катод. Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных отличительных признаков импульсного вакуумно-дугового источника плазмы, подтверждает новизну предлагаемого изобретения. Наличие на инициирующем электроде множества выступов, каждый из которых прижат к тонкопленочному токопроводу, обеспечивает более высокую надежность их электрического контакта, что способствует увеличению эффективности инициирующего разряда в системе поджига. Выполнение соприкасающихся поверхностей изолятора и расходуемого электрода конусно-сопряженными позволяет увеличить надежность электрического контакта последнего с тонкопленочным токопроводом, которым снабжена внутренняя поверхность изолятора, а это в сочетании с тем фактором, что каждая прямая, являющаяся продолжением любой образующей конусно-сопряженных поверхностей, пересекает расходуемый торец катода, повышает эффективность генерирования в его направлении высокоплотной электроэрозионной плазмы из материала расходуемого электрода даже при наличии значительной его электроэрозионной выработки, поскольку в предложенном источнике плазмы образующаяся выработка ориентирована в направлении какой-нибудь образующей вышеупомянутых конусно-сопряженных поверхностей. Более того, такое техническое решение обеспечивает частичное залечивание электроэрозионной выработки за счет осаждения в ней части плазмы основного импульсного вакуумно-дугового разряда. Выполнение схемы питания с возможностью обеспечения второго вспомогательного разряда между расходуемым электродом и кольцевым экраном, охватывающим боковую поверхность катода и совмещающим функции электрода, способствует увеличению эффективности инжектирования электроэрозионной плазмы из материала расходуемого электрода в направлении расходуемого торца катода, а благодаря дальнейшему возникновению в системе поджига третьего вспомогательного разряда в небольшом объеме, образованном катодом и расходуемым электродом, значительно увеличивается эффективность поджига в целом. Величина угла сопряжения конусных поверхностей изолятора и расходуемого электрода выбрана из интервала 120170, поскольку при величине этого угла менее 120 заметно ухудшается апертура источника плазмы, а при величине более 170 становится 4 10555 1 2008.04.30 малоэффективным залечивание электроэрозионной выработки, образующейся при поджиге в материале расходуемого электрода. Оснащение системы поджига защитным элементом, выполненным в виде втулки,трубчатая часть которой находится в отверстии инициирующего электрода, позволяет исключить воздействие на этот электрод плазмы основного разряда и допускает использование какого-нибудь достаточно упругого материала для его изготовления. В результате стабилизируются условия протекания инициирующего импульса тока через различные участки тонкопленочного токопровода и обеспечивается преимущественно равновероятное возникновение инициирующего разряда на разных участках кольцевого электрического контакта тонкопленочного токопровода с расходуемым электродом. В результате продолжительность существования высокоэффективного поджига повышается. Наконец, если защитный элемент системы поджига изготовлен из того же материала,что и катод источника плазмы, материал, осажденный на нем из плазмы основного разряда, не отслаивается в течение длительного промежутка времени, поскольку имеет чрезвычайно высокую адгезию. Этим исключается возникновение случайных отказов в работе источника плазмы, возникающих при замыкании каких-либо электродов кусочками отслоившегося материала, осажденного ранее. Совокупность вышеизложенных положительных факторов, присущих предложенному вакуумно-дуговому источнику плазмы, способствует достижению цели изобретения. В связи с этим следует признать, что его отличительные признаки являются существенными. На фигуре схематично изображен предлагаемый импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы. Источник плазмы имеет два основных электрода - кольцевой анод 1 и цилиндрический катод 2. Цилиндрический катод 2 установлен соосно с кольцевым анодом 1 и выполнен с возможностью управляемого возвратно-поступательного осевого его перемещения(показано стрелками). Торец 3 катода 2, обращенный к кольцевому аноду 1, является расходуемым 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 1 и 2 выполняются водоохлаждаемыми, по крайней мере, косвенно. Источник плазмы оснащен бесконтактной коаксиальной вакуумно-дуговой системой поджига 5. Она размещена между его основными электродами 1 и 2 соосно с ними и состоит из кольцевого электрода-экрана 6, кольцевого инициирующего электрода 7, кольцевого изолятора 8 и кольцевого расходуемого электрода 9, которые расположены последовательно в направлении анода 1. Кольцевой электрод-экран 6 охватывает боковую поверхность 10 цилиндрического катода 2 около его расходуемого торца 3. Обращенные друг к другу поверхности 11 и 12 соответственно изолятора 8 и расходуемого электрода 9 выполнены соприкасающимися. Внутренняя поверхность 13 изолятора 8 снабжена тонкопленочным токопроводом 14, с которым электрически соединены расходуемый электрод 9 и кольцевой инициирующий электрод 7. Внутренняя поверхность 15 расходуемого электрода 9 представляет собой усеченную коническую поверхность, любая нормаль к которой (например нормаль 16) пересекает расходуемый торец 3 катода 2. Инициирующий электрод 7 имеет множество выступов 17, каждый из которых прижат к тонкопленочному токопроводу 14. Соприкасающиеся поверхности 11 и 12 соответственно изолятора 8 и расходуемого электрода 9 конусно сопряжены, причем каждая прямая (например прямая 18), являющаяся продолжением любой образующей (например образующей 19) конусносопряженных поверхностей 11 и 12, пересекает расходуемый торец 3 катода 2. Величинаугла сопряжения соприкасающихся конусных поверхностей 11 и 12 соответственно изолятора 8 и расходуемого электрода 9 выбрана из интервала 120170. 5 10555 1 2008.04.30 Бесконтактная коаксиальная вакуумно-дуговая система поджига 5 оснащена защитным элементом 20, выполненным в виде втулки, трубчатая часть 21 которой находится в отверстии 22 инициирующего электрода 7. Защитный элемент 20 предпочтительно изготовлен из того же материала, что и катод 2. Электропитание источника плазмы осуществляется от четырех конденсаторных батарей инициирующей 23, вспомогательной 24, дополнительной 25 и основной 26. В цепи разряда инициирующей конденсаторной батареи 23 установлен управляемый ключевой элемент 27. Источник плазмы работает следующим образом. После достижения в вакуумной камере, оснащенной им, давления 10-3 мм рт. ст. и ниже производится зарядка конденсаторных батарей 2326 от управляемых источников электропитания (не показаны). При подаче управляющего сигнала на ключевой элемент 27 в системе поджига возникает первый вспомогательный разряд, при этом инициирующая конденсаторная батарея 23 разряжается по цепи инициирующий электрод 7 - тонкопленочный токопровод 14 - расходуемый электрод 9. Если инициирующая конденсаторная батарея 23 имеет емкость 510 мкФ и предварительно заряжена до напряжения 400800 В, то мощность ее разряда оказывается достаточной для интенсивного электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода 14 на каком-либо участке внутренней поверхности 13 изолятора 8, расположенном между каким-нибудь из выступов 17 инициирующего электрода 7 и расходуемым электродом 9, причем в заключительной стадии этот процесс сопровождается возникновением первичных катодных микропятен на конической поверхности расходуемого электрода, образующаяся при этом инициирующая плазма почти мгновенно закорачивает вакуумный промежуток, образованный электродом-экраном 6 и расходуемым электродом 9,которые присоединены соответственно к положительному и отрицательному полюсам вспомогательной конденсаторной батареи 24. При величине ее емкости 20-50 мкФ и предразрядном напряжении на ней 300600 В в вышеуказанном вакуумном промежутке практически безотказно возникает второй вспомогательный разряд, представляющий собой очень короткий, но довольно мощный вакуумно-дуговой разряд, на время горения которого расходуемый электрод 9 становится катодом системы поджига 5, а электрод-экран 6 служит ее анодом. В возникающих в этом разряде собственных катодных микропятнах генерируется высокоплотная электроэрозионная плазма из материала расходуемого электрода 9. Она инжектируется с чрезвычайно высокой скоростью преимущественно в направлении нормали к поверхности 15 расходуемого электрода 9 при отсутствии или незначительности электроэрозионной выработки его материала или в направлении какойлибо образующей конусно-сопряженных поверхностей 11 и 12 соответственно изолятора 8 и расходуемого электрода 9, вдоль которых в процессе работы источника плазмы образуется заметная электроэрозионная выработка. Благодаря фокусирующему воздействию на эту плазму кольцевого электрода-экрана 6, являющегося анодом данного вспомогательного импульсного вакуумно-дугового разряда, в системе поджига 5 формируется весьма плотный плазменный сгусток, направленный на расходуемый торец 3 катода 2 источника плазмы. Этот сгусток перекрывает вакуумный промежуток, образованный цилиндрическим катодом 2 и расходуемым электродом 9, которые присоединены соответственно к отрицательному и положительному полюсам дополнительной конденсаторной батареи 25 емкостью 100300 мкФ, предварительно заряженной до напряжения 250600 В. По плазменной перемычке между катодом 2 и расходуемым электродом 9 загорается дополнительный (третий вспомогательный) импульсный вакуумно-дуговой разряд, в котором расходуемый электрод 9 выполняет роль дополнительного анода источника плазмы. На расходуемом торце 3 катода 2 возникают катодные микропятна. В них генерируется высокоплотная вакуумно-дуговая плазма из материала катода 2, причем количество этой плазмы оказывается достаточным для заполнения ею основного разрядного промежутка 6 10555 1 2008.04.30 анод 1 - катод 2 источника плазмы в такой степени, что в нем обеспечивается высоконадежное возбуждение основного импульсного вакуумно-дугового разряда, поддерживаемого основной конденсаторной батареей 26 емкостью 10005000 мкФ, предварительно заряженной до напряжения 150500 В. Во время горения дополнительного и основного импульсных вакуумно-дуговых разрядов кольцевой электрод-экран 6 выполняет свою вторую роль - роль экрана, препятствующего возникновению и существованию катодных микропятен на боковой поверхности 10 цилиндрического катода 2. Защитный элемент 20, имеющий трубчатую часть 21, находящуюся в отверстии 22 инициирующего электрода, защищает последний от воздействия дополнительного и основного импульсных вакуумно-дуговых разрядов и делает возможным его изготовление из какого-либо достаточно упругого материала (например, нержавеющей стали), что обеспечивает надежность электрического контакта выступов 17 инициирующего электрода 7 с тонкопленочным токопроводом 14. Материалом катода 2, впрочем, как и расходуемого электрода 9 и защитного элемента 20, может быть не только графит, но и композиционный материал графит-металл, в частности графит-медь, а также металл или сплав на основе хрома, титана, молибдена и др. Импульсный поток плазмы из материала катода 2, истекающий в объем вакуумной камеры (не показана) через отверстие 4 анода 1 используется при нанесении тонких пленок и покрытий различного функционального назначения или для каких-нибудь иных технологических целей. Небольшая доля плазмы осаждается на внутренней поверхности 13 изолятора 8, восстанавливая тонкопленочный токопровод 14 и делая возможным осуществление очередного акта поджига (запуска) источника плазмы. Кроме того, некоторое ее количество осаждается и на поверхности электроэрозионной выработки, что приводит к частичному ее залечиванию, а сочетание обоих факторов способствует увеличению срока службы расходуемого электрода 9. В результате при одном и том же материале катода 2 межпрофилактический ресурс высокоэффективной работы предложенного импульсного вакуумно-дугового источника плазмы не менее чем в 24 раза превосходит таковой для источника-прототипа. Предложенный импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы прошел испытания в составе технологической вакуумно-дуговой установки ВДУ-СИ производства Республиканского унитарного предприятия СЗОС (г. Сморгонь, РБ). Он также может быть использован в промышленных установках УВНИПА-1-001 и УВНИПА-1-002 для нанесения тонкопленочных износостойких покрытий или в других вакуумно-плазменных установках технологического назначения как отечественного производства, так и производства стран СНГ и дальнего зарубежья. Источники информации 1./ , . ,. , . , ..//. -193/194. - 1990. Р. 788-798. 2. Исследование способов возбуждения импульсного вакуумно-дугового разряда с помощью дуги малой мощности / В.Н. Черняев, А.А. Кондрашин // Электронная техника. Серия 7 ТОПО. - Вып. 2(111). - 1982. - С. 72-74. 3. Патент 1577675 3, 1994.06.30. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7