Создание научных основ, разработка и внедрение специального электрофизического оборудования, технологий и материалов в производство мощных генераторных ламп

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 напряженийот 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 могут 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 MTJI 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 целью 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, Al, Ti, С, W, Mo, Zr), осуществления плазмохимического синтеза простых (TiN, ZrN, CrN, ZrC, TiC, MoC, AIN) и сложных (TiCN, ZrCN) соединений, воспроизведения сплавов (CoCrAlY) и получения сложных комбинированных покрытий СПАИЧ), 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 ваку-умно-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 специализированного 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:

1. Физические процессы генерации потоков металлической плазмы и их воздействие на поверхность твердого тела.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Специальное электрофизическое оборудование на основе вакуумно-дуговых генераторов металлической плазмы протяженной конструкции для формирования равномерных покрытий на крупногабаритных изделиях и изделиях сложной геометрической формы.

6. Результаты исследования эксплуатационных свойств антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электродах мощных генераторных ламп.

Научная новизна. В диссертационной работе решены следующие научные проблемы:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Впервые на основе выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований технологией вакуумно-дугового нанесения покрытий получен один из наиболее эффективных и современных на сегодняшний день антиэмиссионных материалов Р^т, синтезируемый через карбид циркония.

7. Впервые применительно к антиэмиссионным покрытиям на сетках мощных генераторных ламп показана возможность повышения их срока службы за счет применения антидиффузионных барьерных слоев.

8. 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:

1. Разработаны и внедрены в производство принципиально новые конструкции источников плазмы, реализующие новые ресурсосберегающие экологически чистые вакуумные технологии нанесения функциональных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами.

2. Предложены новые конструкции вакуумно-дуговых источников плазмы с интегрально-холодным катодом протяженной конструкции, позволяющие наносить покрытия на крупногабаритные изделия сложной геометрической формы.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Результаты разработок внедрены в серийное производство мощных генераторных ламп.

7. 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.

8. 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.

2.4. ВЫВОДЫ.

Представленная динамика развития катодных пятен на рабочей поверхности катода от его температуры позволяет высказать ряд предположений. Катодные пятна, возникающие в первоначальный момент времени на неочищенной поверхности, следует рассматривать как самостоятельный дуговой разряд, существующий исключительно на загрязненных участках рабочей поверхности катода, чем и объясняется высокая скорость их перемещения. Появление на рабочей поверхности катода высокоскоростных и неуправляемых светящихся образований связано с частичным осаждением положительно заряженных частиц на поверхности загрязнений, являющихся в большинстве случаев диэлектриками. В этом случае образуются двойные электрические слои. Пробой подобного слоя хотя бы в одной точке инициирует лавину подобных пробоев. В результате на рабочей поверхности катода, в зонах загрязнений, появляются неуправляемые высокоскоростные поверхностные разряды.

Развитие дугового разряда с материала катода проходит следующие стадии: после возбуждения разряда возникают катодные пятна малых размеров, трансформирующиеся в пятна более крупных размеров и с более высокой скоростью прохождения рабочего участка катода. Увеличение температуры катода в процессе работы приводит к сокращению времени развития дугового разряда с материала катода, в последующих импульсах.

Неравномерная эрозия с поверхности катода, увеличивающаяся в сторону дугогасящего экрана, говорит об увеличении размеров катодного пятна. Из-за увеличения размеров возрастает площадь пятна, способствующая увеличению количества испаряемых нейтральных частиц и частиц, испаряющихся в виде капельной фракции. Благодаря постоянному притоку тепла из уже нагретых областей, при условии перемещения катодного пятна, требуется меньше времени для разогрева предполагаемого нового места его существования до уровня поддержания разряда, поэтому скорость его возрастает. Все это происходит при неизменной подводимой к катоду мощности.

Температура и размеры катодного пятна являются регулятором, управляющим испарением атомов, и отвечающих за условия поддержания разряда. В этом случае напряженность электрического поля, поддерживается такой, чтобы обеспечить необходимый тип эмиссии тока, пропускаемого разрядом. Уровень отбора электронов зависит не только от прозрачности барьера, но и от скорости притока электронов из глубины материала.

Строгое описание поведения плазмы может быть проведено с помощью Кинетических уравнений Больцмана, однако во многих случаях целесообразно применять упрощенные физические модели потоков, допускающих более простое математическое описание. Использование квазигидродинамической модели для получения приближенных результатов расчета представляется достаточно обоснованным при решении задачи движения потока металлической плазмы в заданном внешнем поле. В этом случае поток частиц разбивается на конечное число трубок тока. Предполагается, что скорость частиц, принадлежащих данной трубке тока, является однозначной функцией точки. В связи с чем описание движения каждой трубки в отдельности может быть проведено в рамках гидродинамического приближения.

На основе дифференциальных уравнений движения, полученных из уравнений магнитной гидродинамики, в рамках указанных допущений, рассмотрена математическая модель транспортировки заряженной компоненты плазменного потока в заданном внешнем неоднородном магнитном поле, формируемом магнитной системой источника плазмы, и учитывающая начальные скорости ионов и задаваемой функцией распределения плотности ионного тока на рабочей поверхности катода. Данная математическая модель для моноскоростного плазменного потока реализована в виде пакета прикладных программ, позволяющая производить расчет составляющих индукции магнитного поля, траекторий движения заряженных частиц и распределения плотности ионного тока в рабочем объеме. Решение поставленной задачи позволяет выяснить характер распределения заряженных частиц и смоделировать процесс формирования покрытия из потока металлической плазмы. Показано, что за счет изменения конфигурации сопровождающего магнитного поля удается достичь перераспределения заряженных частиц и обеспечить создание областей с повышенной их концентрацией.

3. ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ВАКУУМНО-ДУГОВЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПЛАЗМЫ.

Использование вакуумно-дуговых источников плазмы требует создания специального электрофизического оборудования с необходимым комплексом основных и вспомогательных узлов, удовлетворяющих требованиям их эксплуатации в условиях массового производства. При разработке оборудования решались следующие технические задачи:

1. Обеспечение чистоты получаемых покрытий предъявляет строгие требования к предельному вакууму и составу остаточной газовой среды в рабочем объеме. Поэтому технологическая установка должна обладать современным оборудованием для получения вакуума, обеспечивающего высокую скорость откачки и необходимую степень разрежения: 5−1 (Г3 Па и ниже.

2. Конструкция источника плазмы должна обеспечивать равномерное нанесение покрытия на обрабатываемое изделие.

3. Электрофизическая установка должна быть обеспечена необходимыми стабилизированными и управляемыми источниками питания:

— дугового разряда с падающей вольт-амперной характеристикой, причем чем выше ее крутизна, тем меньше критический ток, стабильнее дуговой разряд и выше вероятность его зажигания при однократном инициированииосновные требования: ток разряда до 500 А, напряжение холостого хода до 80 В;

— схемы инициирования вакуумно-дугового разряда;

— цепи смещения, основные требования: напряжение до 1000 В, ток до 10 Аисточник должен быть снабжен устройством, предотвращающим возникновение катодных пятен на обрабатываемой поверхности;

— магнитной системы источника плазмы, включающей фокусирующий и стабилизирующий соленоиды.

4. Рабочий объем установки должен быть снабжен планетарным механизмом перемещения обрабатываемых деталей относительно источника плазмы и загружаться максимально возможным числом обрабатываемых изделий для.

Рис. 3.1. Основные разрабатываемые узлы электрофизической установки ионно-плазменного нанесения покрытий обеспечения максимальной производительности оборудования.

5. Технологический режим работы испарителя должен обеспечивать заданные параметры генерируемого плазменного потока, контролируемые диагностической схемой измерения.

На рис. 3.1 приведены основные технологические узлы, учитываемые при конструировании и создании электрофизического оборудования.

Вакуумно-дуговые источники плазмы относительно просты в своем конструктивном исполнении, однако следует отметить, что данный тип устройств далеко не доведен до необходимой степени совершенства и основным конструкционным его элементом все же является испаритель.

3.1. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КАТОДНЫХ ПЯТЕН.

Вакуумно-дуговой разряд является устойчивым, если на рабочей поверхности катода поддерживается динамическое равновесие между процессами распада и последующим возникновением новых эмиссионных центров. Время жизни отдельной ячейки катодного пятна является величиной случайной, поэтому и продолжительность горения дуги также оказывается случайной величиной. О стационарном горении дуги можно говорить лишь в том случае, если общее количество элементарных ячеек достаточно для поддержания минимального разрядного тока для данного материала.

Разряд поддерживается напряжением, превышающим потенциал ионизации материала катода (1.1) [114]. Основную часть этого напряжения составляет его катодное падение. Наблюдаемые осциллограммы напряжения показывают наличие постоянной составляющей и большого числа флуктуаций, связанных с колебаниями разрядного тока. Уменьшение тока дуги ведет к уменьшению постоянной составляющей с сопутствующим ростом амплитуды шумов.

При горении дугового разряда наблюдаемые физические процессы определяются исключительно поведением катодных пятен, которые являются принципиально неустойчивыми плазменными образованиями и характеризуются некоторым среднестатистическим временем жизни. В промежуток времени от образования катодного пятна до его гибели оно постоянно находится в хаотическом перемещении по поверхности катода. Скорость их движения лежит в диапазоне от десятков долей до нескольких десятков метров в секунду [115].

Технологическое вакуумное дуговое устройство выполняет свое функциональное предназначение лишь в том случае, если зоной вероятного существования пятна является исключительно рабочая поверхность катода.

Управление катодными пятнами и повышение надежности их удержания в заданной зоне эрозии, является одной из самых актуальных проблем при разработке вакуумных дуговых генераторов плазмы с интегрально-холодным катодом [116].

Одиночное катодное пятно хаотически перемещается по поверхности катода. Характерное движение катодных пятен во внешнем магнитном поле противоречит правилу Ампера. Как известно, на любой проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, поверхностная плотность которой связана с величиной плотности тока J и магнитной индукции В соотношением ]у-В. Однако катодное пятно вакуумной дуги перемещается в направлении противоположном вектору j х В, где В — индукция внешнего магнитного поля. В этом и проявляется характерный для катодных пятен эффект обратного движения в магнитном поле [117].

Скорость обратного движения катодных пятен нелинейно увеличивается с ростом тока дуги и индукции магнитного поля (рис. 3.2). Наличие магнитного поля не является причиной перемещения катодных пятен, а лишь придает ему направленный характер [118]. В случае если материал катода характеризуется высоким значением давления насыщенного пара, указанный эффект связан с увеличением давления газа или пара. Для тугоплавких металлов это связано преимущественно с увеличением интенсивности термоэлектронной эмиссии и меньшими значениями плотности катодного тока при более высокой температуре электрода. Катодное пятно на катоде из углерода обратного движения не обнаруживает.

— 1р=15А.

•— - 1р=20А — А- - • 1р=30А в— - 1р=53А.

1р=66А.

•— - 1р=90А.

1,1мТл —"-2,2мТл —З.ЗмТл —X—4,4мТл ¦ Ж 5,4мТл —•— 6,5мТл.

V, м/с 15.

2 4 6 8 В, мТл.

21 35 дал/103, А/м.

V, м/c 16 14 12 10 8 6 4 2 0.

50 ЮО’Р.А в.

Рис. 3.2. Влияние магнитного поля на скорость движения катодных пятен от величины внешнего магнитного поля (а) и тока разряда по [69] и экспериментальные данные (в) плоского катода с центральным токовым вводом [119]: 1 — катодное пятно, 2 — катод, 4 — токовый ввод.

С увеличением давления в рабочем объеме наблюдается замедление скорости обратного движения катодного пятна. При некотором давлении оно останавливается, после чего изменяет направление своего движения с обратного — на соответствующее правилу Ампера. Это критическое давление увеличивается с уменьшением тока дуги и ростом индукции тангенциального магнитного поля.

Обратное движение катодного пятна подавляется или прекращается с увеличением температуры катода.

Объяснению обратного движения катодных пятен посвящено большое количество работ, при этом было высказано множество различных предположений. Единым для всех этих гипотез является то, что поведение пятен в магнитном поле объясняется избирательностью возникновения новых эмиссионных центров при гибели прежних.

В [119] показано, что катодное пятно вакуумной дуги имеет тенденцию двигаться в направлении максимального значения тангенциальной составляющей индукции магнитного поля, складывающегося из внешнего магнитного поля и собственного магнитного поля токового канала. При произвольно ориентированном векторе индукции магнитного поля катодное пятно смещается в сторону, определяемую минимальным углом вектора индукции к поверхности катода (правило острого угла).

По способу решения процесса стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода дуговые источники плазмы можно разделить на источники без применения специальных мер по удержанию катодного пятна [120] и источники с магнитной стабилизацией катодного пятна.

При условии, если катод имеет форму диска с центральным токовым вводом (рис. 3.3), то, на основе анализа ориентации показанных векторов, можно убедиться, что противоамперово направление, в случае вакуумной дуги, будет удерживать пятна в окрестности точки токового ввода [119]. Наличие преимущественной области локализации катодных пятен объясняется распределением токов и соответствующих им магнитных полей в зоне пятна.

Электрический ток в зоне пятна состоит из двух составляющих: тока в.

Рис. 3.4. Схема стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности торцевого катода: 1 — рабочая поверхность, 2 — катод, 3 -магнитная система стабилизации.

Рис. 3.5. Схема стабилизации катодных пятен арочным магнитным полем на рабочей поверхности катода: 1 — рабочая поверхность, 2 — катод, 3 — магнитная система стабилизации- 4 — токовый ввод.

Рис. 3.6. Вакуумно-дуговые устройства с арочной системой стабилизации катодных пятен в плазме и тока, протекающего по катоду. Магнитные поля, создаваемые этими токами, считают приближенно полями, образованными линейными токами. Оба поля направлены тангенциально катоду. При их сложении слева и справа от пятна возникает асимметрия в распределении суммарного поля. В соответствии с принципом максимума предпочтительным будет центростремительное движение катодного пятна, причем оно тем более ярко выражено, чем тоньше катод и чем больше его диаметр. В данном случае неуправляемый дуговой разряд имеет невысокую стабильность, которая несколько возрастает с увеличением радиальных размеров катода.

Однако во всех случаях, при использовании подобных конструкций, место расположения токового ввода является местом наиболее вероятного нахождения катодных пятен, что приводит к неравномерной эрозии поверхности катода.

Магнитная стабилизация вакуумной дуги включает в себя локализацию катодных пятен на рабочей поверхности катода при помощи магнитного поля, за счет чего достигается повышение устойчивости всего разряда в целом [121]. В этом случае стационарное поддержание разряда возможно при токах вдвое меньших, чем в автостабилизированных источниках. При наложении внешнего магнитного поля Вв нешн движение катодных пятен, в соответствии с принципом максимума, приобретает направленный характер. Согласно этому принципу они смещаются в направлении максимума тангенциальной к катоду составляющей индукции суммарного магнитного поля на границе пятна: В: собст + Вг внеш> где Вг собст и В: внеш — тангенциальные составляющие индукции собственного поля катодного пятна и внешнего поля соответственно. Это происходит в результате поляризации объемного заряда прикатодной плазмы в магнитном поле. Объемный отрицательный заряд формируется на границе катодного пятна в области минимума магнитного поля, а положительный — в области его максимума. Отрицательный заряд подавляет эмиссию электронов с поверхности катодного пятна, тогда как положительный, напротив, ее усиливает. В результате происходит перемещение эмиссионных центров и, следовательно, всего катодного пятна в направлении максимума тангенциального магнитного поля.

Данные закономерности лежат в основе работы плазменных источников с аксиально-симметричными управляющими магнитными полями.

Используемые магнитные системы представляют собой сложные комплексные узлы. В каждом конкретном случае выбор конфигурации и величины индукции магнитного поля обуславливается конструкцией используемого ва-куумно-дугового источника плазмы и требованиями, предъявляемыми к наносимому покрытию и типу обрабатываемого изделия.

Так в источниках с коаксиальной системой электродов (рис. 1.3) используется внешняя магнитная система, создающая достаточно сильное магнитное поле, силовые линии которого пересекают поверхность под острым углом, а о.

122]. В этом случае при индукции магнитного поля 10 Тл удержание катодных пятен осуществляется на рабочей — торцевой поверхности конического или цилиндрического катода (рис. 3.4).

Простым и надежным способом стабилизации катодных пятен является использование магнитного поля арочной конфигурации (рис. 3.5). Поле такой структуры применяется в магнетронных распылительных системах, но при большей величине индукции магнитного поля и с другими основами взаимодействия разряда с прикатодной плазмой. При арочном поле, в соответствии с правилом острого угла, зона эрозии на рабочей поверхности катода будет сосредоточена под вершиной магнитной арки.

Эффект стабилизации разряда и локализации в этом случае уже наблюдается при индукции магнитного поля порядка 5-Ю" 4 Тл. Начиная с этого значения, на хаотическое перемещение катодных пятен по поверхности катода, накладывается их заметное направленное (азимутальное) движение и по мере увеличения индукции скорость азимутального движения возрастает, а траектории приближаются к форме окружности. Таким образом, стационарная траектория движения пятен повторяет форму магнитной системы и может иметь при этом форму различных замкнутых кривых. Данный метод стабилизации катодных пятен с помощью арочного магнитного поля позволяет создать источники плазмы сложной геометрии.

Однако в мало изменяющихся, неподвижных магнитных полях, использующих одну стабилизирующую систему, область локализации катодных пятен в процессе работы остается неизменной, что является их существенным недостатком. В этом случае наблюдается неравномерное испарение материала с поверхности катода, с максимумом эрозии над магнитной системой.

3.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ ЭЛЕКТРОДОВ.

В вакуумной дуге с холодным катодом среда, необходимая для существования разряда, формируется за счет эрозии материала катода из микропятен. Катод бомбардируется ионами со сравнительно низкой энергией, но, поскольку они попадают в малые области катодных пятен, соответствующая плот.

1П 10 9 ность энергии велика: поэтому при плотности тока 10 .10 А/м тепловой поток имеет значение 10п.1012Вт/м2 [66], [67].

В вакуумно-дуговых источниках плазмы с коаксиальной конструкцией электродов катод выполнен в виде цилиндра или усеченного конуса, рабочей поверхностью в этом случае является сторона с наименьшей площадью (рис. 3.7, а). Часть катода, противоположная ее рабочей поверхности, охлаждается проточной водой. Непрерывное хаотическое перемещение катодных пятен по фиксированной поверхности катода, независимо от начального распределения, приводит к установлению на ней некоторой средней равновесной температуры, определяемой геометрическими размерами катода: диаметром и длиной, а также условиями его охлаждения. Диаметр рабочей поверхности катода может достигать в известных устройствах 0.2 м. Геометрические размеры выбираются из условия обеспечения достаточно низкой средней рабочей температуры катода и определяются с помощью (2.17): к > Лс ~ -^исп ~ Агел ^ 1) к ЭДс-7Ь).

Представленное соотношение позволяет связать геометрию катода для данно.

Рис. 3.8. Катодные узлы вакуумных дуговых источников плазмы коаксиальной конструкции диаметром 60 (а) и 100 (б) ммв, г — изменение скорости роста наносимого покрытия по мере выработки катода го материала с выделяемой на ней мощностью. По мере работы за счет эрозии материала длина катода Ьк уменьшается (рис. 3.7, б), что приводит к снижению температуры катода и, соответственно, к падению мощности, отводимой излучением. В конце ресурса работы электрода практически вся мощность, выделяющаяся на катоде, должна отводиться в систему водяного охлаждения. Для расчета температуры катода используем соотношение [123]:

Т =.

1к.

I ДГ7 И — IV -" разр^^к^к «исп разр

— ^стеА714.

•—— + Тг Г&bdquoX охл •.

3.2).