Технологический импульсный вакуумно-дуговой генератор 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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Технологический импульсный вакуумно-дуговой генератор плазмы, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения цилиндрический катод с расходуемым торцом, кольцевой экран, коаксиально охватывающий катод около его расходуемого торца, и кольцевую вакуумно-дуговую систему поджига, размещенную между катодом и анодом и содержащую последовательно расположенные в направлении анода кольцевые инициирующий электрод, изолятор с инициирующим пленочным токопроводом и расходуемый электрод, причем поверхность изолятора, обращенная к расходуемому электроду,является усеченной конусной поверхностью, меньшее основание которой имеет диаметр,равный диаметру отверстия в изоляторе, внутренняя поверхность расходуемого электрода выполнена в виде усеченной конусной поверхности, большее основание которой обращено к катоду, инициирующий электрод зафиксирован на изоляторе и образует с его токопроводом неподвижный кольцевой электрический контакт, расходуемый электрод расположен соосно, а изолятор - эксцентрично по отношению к аноду, при этом расходуемый электрод 45672008.08.30 локально соприкасается с изолятором и образует с его токопроводом локальный электрический контакт, выполненный с возможностью его перемещения при функционировании генератора, отличающийся тем, что внешняя поверхность расходуемого электрода выполнена в виде усеченной конусной поверхности, меньшее основание которой обращено к катоду и является одновременно большим основанием внутренней усеченной конусной поверхности, угол уклона внешней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода выбран из интервала 65 85 , при этом усеченная конусная поверхность изолятора выполнена с условием охватывания ею внешней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода с образованием их конического сопряжения в месте локального соприкосновения расходуемого электрода и изолятора, локальный электрический контакт расходуемого электрода с токопроводом изолятора находится на кромке расходуемого электрода, образованной его усеченными конусными поверхностями, а расположение системы поджига выбрано с условием, что прямая, являющаяся продолжением образующей упомянутого конусного сопряжения, пересекает расходуемый торец катода. 2 Технологический импульсный вакуумно-дуговой генератор плазмы по п. 1, отличающийся тем, что угол уклона внутренней конусной поверхности расходуемого электрода выбран из интервала 520 . 3. Технологический импульсный вакуумно-дуговой генератор плазмы по п. 1 или 2,отличающийся тем, что экран выполнен с возможностью подвода к нему электрического напряжения.(56) 1.,.,.,.,..//. -193/194. - 1990. - Р. 788-798. 2. Черняев В.Н., Кондрашин А.А. Исследование способов возбуждения импульсного вакуумно-дугового разряда с помощью дуги малой мощности // Электронная техника, серия 7 ТОПО. Вып. 2 (111), 1982. - С. 72-74. 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. Патент 1577675, 1994. Предлагаемая полезная модель относится к области вакуумно-плазменной техники и технологии и может быть использована для получения высококачественных, в частности,алмазоподобных, тонких пленок и покрытий различного функционального назначения из импульсных потоков плазмы. Широко известны импульсные вакуумно-дуговые источники (генераторы) плазмы 1-3, в которых инициирующую плазму, необходимую для возбуждения (поджига) очередного(многократно повторяемого) основного импульсного вакуумно-дугового разряда в межэлектродном промежутке катод-анод, получают с помощью лазерного излучения 1, или за счет осуществления вспомогательных вакуумно-дуговых разрядов небольшой энергоемкости по сравнению с энергоемкостью основного разряда 2, 3. Недостатком первых являются сложность, высокая стоимость и низкая эффективность поджига. В свою очередь,известные импульсные вакуумно-дуговые генераторы 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 (прототипом предлагаемой полезной модели) является импульсный вакуумно-дуговой генератор плазмы технологического назначения 4. Он содержит кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и 2 45672008.08.30 выполненный с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения, цилиндрический катод с расходуемым торцом, кольцевой экран, коаксиально охватывающий катод около его расходуемого торца, и кольцевую вакуумно-дуговую систему поджига,размещенную между катодом и анодом и содержащую последовательно расположенные в направлении анода кольцевые инициирующий электрод, изолятор с инициирующим пленочным токопроводом и расходуемый электрод. Поверхность изолятора, обращенная к расходуемому электроду, является усеченной конусной поверхностью, меньшее основание которой обращено к аноду и имеет диаметр, равный диаметру отверстия в изоляторе. Внутренняя поверхность расходуемого электрода охватывает усеченную конусную поверхность изолятора и выполнена в виде усеченной конусной поверхности, большее основание которой обращено к катоду. Инициирующий электрод зафиксирован на изоляторе и образует с его токопроводом неподвижный кольцевой электрический контакт. Расходуемый электрод расположен соосно, а изолятор - эксцентрично по отношению к аноду, и соответственно - к расходуемому электроду, при этом усеченная конусная поверхность последнего соприкасается с обращенной к нему поверхностью изолятора и образует с его токопроводом локальный электрический контакт, выполненный с возможностью его перемещения при функционировании генератора. Основным недостатком вышеописанного импульсного вакуумно-дугового генератора плазмы является малый ресурс его высокоэффективной работы, главным образом, функционирования с вероятностью поджига не ниже 95 без проведения каких-либо промежуточных профилактических мероприятий. Причина заключается в нарастающем по мере работы данного генератора плазмы все большем изменении по сравнению с первоначальным направления инжекции высокоплотной плазмы из материала расходуемого электрода при поджиге. Вызвано оно имеющей место электроэрозионной выработкой этого электрода, постепенно углубляющейся вдоль усеченной конусной поверхности изолятора. В результате со временем все меньшая часть плазмы, генерируемой в системе поджига,попадает на расходуемый торец катода, а это приводит к снижению эффективности поджига. Уже по прошествии 70-90 тысяч импульсов основного вакуумно-дугового разряда вероятность его возбуждения (срабатывания генератора 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 генератора в тонкопленочной технологии, что обусловлено недостаточной воспроизводимостью структуры и свойств получаемых тонких пленок. Срок службы изолятора системы поджига, как правило, не превышает 0,51,0 млн. импульсов из-за частичного разрушения его тонкой острой конической кромки в результате выкрашивания материала при длительном функционировании генератора. В итоге снижается его надежность в целом. Задачей создания предлагаемой полезной модели является увеличение межпрофилактического ресурса высокоэффективной работы технологического импульсного вакуумнодугового генератора плазмы, т.е. его функционирования с вероятностью поджига не менее 95 , при одновременном увеличении его надежности. Поставленная задача достигается тем, что в известном технологическом импульсном вакуумно-дуговом генераторе плазмы, содержащем кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения, цилиндрический катод с расходуемым торцом, кольцевой экран коаксиально охватывающий катод около его расходуемого торца, и кольцевую вакуумнодуговую систему поджига, размещенную между катодом и анодом и содержащую последовательно расположенные в направлении анода кольцевые инициирующий электрод,изолятор с инициирующим пленочным токопроводом и расходуемый электрод, причем поверхность изолятора, обращенная к расходуемому электроду, является усеченной конусной поверхностью, меньшее основание которой имеет диаметр, равный диаметру от 3 45672008.08.30 верстия в изоляторе, внутренняя поверхность расходуемого электрода выполнена в виде усеченной конусной поверхности, большее основание которой обращено к катоду, инициирующий электрод зафиксирован на изоляторе и образует с его токопроводом неподвижный кольцевой электрический контакт, расходуемый электрод расположен соосно, а изолятор - эксцентрично по отношению к аноду, при этом расходуемый электрод локально соприкасается с изолятором и образует с его токопроводом локальный электрический контакт, выполненный с возможностью его перемещения при функционировании генератора внешняя поверхность расходуемого электрода выполнена в виде усеченной конусной поверхности, меньшее основание которой обращено к катоду и является одновременно большим основанием внутренней усеченной конусной поверхности, угол уклона внешней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода выбран из интервала 6585 ,при этом усеченная конусная поверхность изолятора выполнена с условием схватывания ею внешней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода с образованием их конического сопряжения в месте локального соприкосновения расходуемого электрода и изолятора, локальный электрический контакт расходуемого электрода с токопроводом изолятора находится на кромке расходуемого электрода, образованной его усеченными конусными поверхностями, а расположение системы поджига выбрано с условием, что прямая, являющаяся продолжением образующей упомянутого конусного сопряжения, пересекает расходуемый торец катода. Другое отличие предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового генератора плазмы заключается в том, что угол уклона внутренней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода выбран из интервала 520 . Отличием предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового генератора плазмы является и то, что экран выполнен с возможностью подвода к нему электрического напряжения. Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных отличительных признаков технологического импульсного вакуумно-дугового генератора плазмы,подтверждает новизну полезной модели. Вышеописанное техническое решение в совокупности его отличительных признаков позволяет обеспечить оптимальные условия инжекции высокоплотной плазмы из материала расходуемого электрода в направлении расходуемого торца катода и стабилизировать во времени диаграмму такой его направленности. Отсутствие экранирования траектории перемещения локального электрического контакта (кромки расходуемого электрода) от потока плазмы основного разряда обеспечивает высокую эффективность ее осаждения в образующейся в нем при поджиге электроэрозионной выработке, и соответственно к залечиванию последней. Вышеуказанные интервалы углов уклона усеченных конусных поверхностей расходуемого электрода позволяют расположить систему поджига и анод достаточно близко к расходуемому торцу катода, существенно сократив объем как поджигающего, так и основного межэлектродного промежутка и увеличив при этом апертуру генератора плазмы. Отсутствие на изоляторе острой тонкой кромки исключает выкрашивание его материала при перемещении локального электрического контакта в процессе работы генератора, повышает его надежность и продлевает не менее чем в 5-10 раз срок службы изолятора. В результате достигается высокая эффективность возбуждения основного импульсного вакуумно-дугового разряда (срабатывание генератора) при длительном его функционировании. Выбор же вышеуказанных интервалов значений углов уклона усеченных конусных поверхностей расходуемого электрода обусловлен следующим. При величине угла уклона внешней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода больше 65 становится малоэффективным его залечивание, а при величине этого угла более 85 ухудшается равномерность перемещения локального электрического контакта. При величине угла уклона внутренней усеченной конусной поверхности расходуемого электрода менее 5 увеличивается неравномерность выработки расходуемого торца катода. 4 45672008.08.30 Если же величина данного угла больше 20 заметно ухудшается апертура генератора плазмы. Выполнение экрана с возможностью подвода к нему электрического напряжения позволяет осуществить автономный импульсный вакуумно-дуговой разряд между расходуемым электродом, служащим катодом поджига, и экраном, служащим анодом поджига,инжектировать в направлении расходуемого торца катода сгусток плазмы из материала расходуемого электрода, снизить тепловую нагрузку на инициирующий электрод и изолятор, увеличить частоту следования импульсов поджига и соответственно основного разряда и тем самым - производительность технологического процесса. В связи с изложенным следует признать, что вышеперечисленные отличительные признаки являются существенными. На чертеже схематично изображен предлагаемый в качестве полезной модели технологический импульсный вакуумно-дуговой генератор плазмы. Генератор имеет два основных электрода - кольцевой анод 1 и цилиндрический катод 2. Катод 2 установлен соосно с анодом 1 и выполнен с возможностью управляемого возвратно-поступательного осевого перемещения (показано стрелками). Торец 3 катода 2,обращенный к 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. Генератор оснащен кольцевым экраном 5, коаксиально охватывающим катод 2 около его расходуемого торца 3, и кольцевой вакуумно-дуговой системой поджига 6. Она размещена между его основными электродами 1 и 2 и содержит кольцевые инициирующий электрод 7, изолятор 8 и расходуемый электрод 9, которые расположены последовательно в направлении анода 1. На внутренней поверхности изолятора 8 имеется инициирующий пленочный токопровод 10. Поверхность изолятора, обращенная к расходуемому электроду 9, является усеченной конусной поверхностью 11, меньшее основание которой имеет диаметр, равный диаметру отверстия 12 в изоляторе 8. Расходуемый электрод 9 имеет две усеченные конусные поверхности - внешнюю 13 и внутреннюю 14. Меньшее основание внешней 13 и большее основание внутренней 14 обращены к катоду 2 и образуют их общее основание, представляющее собой обращенную к изолятору 8 кромку 15 расходуемого электрода 9. Инициирующий электрод 7 зафиксирован на изоляторе 8 и образует с его токопроводом 10 неподвижный кольцевой электрический контакт 16. Усеченная конусная поверхность 11 изолятора 8 охватывает внешнюю 13 усеченную конусную поверхность расходуемого электрода 9. Расходуемый электрод 9 расположен соосно с анодом 1,а изолятор 8 - эксцентрично по отношению к нему и соответственно к расходуемому электроду 9, при этом изолятор 8 и расходуемый электрод 9 локально соприкасаются и образуют в месте соприкосновения коническое сопряжение 17 их обращенных друг к другу усеченных конусных поверхностей 11 и 13, а также локальный электрический контакт 18 между кромкой 15 расходуемого электрода 9 и токопроводом 10 изолятора 8. Локальный электрический контакт 18 выполнен с возможностью его перемещения по кромке 15 расходуемого электрода 9 при функционировании генератора. Механизм перемещения может быть идентичным механизму генератора-прототипа и, чтобы излишне не загромождать чертеж, не показан. Система поджига 6 расположена таким образом, что прямая 19, являющаяся продолжением образующей конического сопряжения 17, пересекает расходуемый торец 3 катода 2. Предпочтительные значения угла уклонавнешней 13 усеченной конусной поверхности расходуемого электрода 9 находятся в интервале 6585 , а значение угла уклонавнутренней 14 - в интервале 5 20 . Целесообразно выполнять экран 5 с возможностью подвода к нему электрического напряжения. Работа предлагаемого генератора плазмы аналогична работе генератора-прототипа и осуществляется следующим образом. 5 45672008.08.30 Управляемый импульсный источник питания с частотой, обеспечивающей достижение необходимой производительности технологического процесса, подает импульсы напряжения на вакуумный разрядный промежуток анод 1-катод 2 генератора плазмы и синхронно импульсы напряжения на его систему поджига 6. Импульс тока, протекающий по цепи инициирующий электрод 7 - неподвижный кольцевой электрический контакт 16 инициирующий пленочный токопровод 10 - подвижный локальный электрический контакт 18 - расходуемый электрод 9 вызывает интенсивное электровзрывное испарение материала токопровода 10 с поверхности изолятора 8. По полученной при этом инициирующей плазме возникает короткий, но достаточно мощный импульсный вакуумнодуговой разряд между расходуемым электродом 9, служащим катодом этого разряда, и инициирующим электродом 7, служащим его анодом. На расходуемом электроде 9 в области локального электрического контакта 18 появляются катодные микропятна. Высокоплотная инициирующая плазма из материала расходуемого электрода 9, генерируемая в них, эффективно инжектируется в сторону катода 2 вдоль направления образующей локального конического сопряжения 17 обращенных друг к другу усеченных конусных поверхностей 13 и 11 расходуемого электрода 9 и изолятора 8 соответственно, а также в направлении нормали к внутренней 14 усеченной конусной поверхности расходуемого электрода 9. Это вызывает пробой основного разрядного промежутка генератора с установлением между его катодом 2 и анодом 1 основного импульсного вакуумно-дугового разряда. Изменение местоположения локального электрического контакта 18 на кромке 15 расходуемого электрода 9 приводит к постоянному перемещению зоны зарождения основного импульсного вакуумно-дугового разряда на расходуемом торце 3 катода 2, обеспечивая тем самым равномерную его выработку. Благодаря выбору значений угла уклонавнешней 13 усеченной конусной поверхности расходуемого электрода 9 в интервале 65 85 , а значений угла уклонаего внутренней 14 усеченной конусной поверхности в интервале 5 20 в сочетании с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения катода 2 удается создать диаграмму направленности высокоплотной инициирующей плазмы из материала расходуемого электрода 9 наиболее благоприятную для поджига основного импульсного вакуумно-дугового разряда в генераторе и обеспечения достаточно равномерной выработки расходуемого торца 3 его катода 2. При наличии подвода к экрану 5 электрического напряжения, он может выполнять функцию дополнительного анода системы поджига 6, при этом между катодом 2 и экраном 5 возбуждается автономный импульсный вакуумно-дуговой разряд, который является дополнительным средством повышения эффективности срабатывания генератора и увеличения частоты следования импульсов основного вакуумно-дугового разряда и соответственно производительности технологического процесса. Материалом катода 2, впрочем как и расходуемого электрода 9, может быть графит, композиционный материал графит-металл, а также алюминий, хром, редкоземельные и другие металлы и их сплавы. В существующих на расходуемом торце 3 катода 2 микропятнах основного импульсного вакуумно-дугового 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 каких-нибудь иных технологических целей. Небольшая доля этой плазмы осаждается на внутренней поверхности изолятора 8, восстанавливая пленочный токопровод 10 и делая возможным осуществление очередного акта поджига. Кроме того, некоторое количество плазмы осаждается и на подверженных эрозии поверхностях расходуемого электрода 9,что приводит к их залечиванию. При одном и том же материале катода 2 межпрофилактический ресурс высокоэффективной работы предлагаемого технологического импульсного вакуумно-дугового генератора плазмы не менее чем в 2-3 раза превосходит таковой для генератора-прототипа. Предлагаемый генератор плазмы предназначен для использования в составе технологической вакуумно-дуговой установки ВДУ-СИ, производства Республиканского унитар 6 45672008.08.30 ного предприятия Сморгонский завод оптического станкостроения. Он также может быть использован в промышленных установках УВНИПА-1-001 и УВНИПА-1-002 для нанесения тонкопленочных износостойких и трибологических покрытий или в других вакуумно-плазменных установках технологического назначения как отечественного производства, так и производства стран СНГ и стран дальнего зарубежья. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7