УДК 533.9.07.14, 533.9 (075.8)

ВАКУУМНО-ДУГОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Сенин Максим Александрович
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
студент

Аннотация
В настоящее время для решения сложных технологических задач по нанесению покрытий в вакууме широко применяются вакуумно-дуговые источники плазмы. Их использование позволяет получать защитные, упрочняющие, жаростойкие и ряд других функциональных покрытий. Особенность их эксплуатации заключается в генерации плазменного потока и управление его движением. В работе представлены вопросы генерации и управления движением заряженной компоненты во внешнем магнитном поле.

Ключевые слова: вакуумно-дуговой разряд, источник плазмы, нанесение покрытий, плазменный поток


VACUUM-ARC PLASMA SOURCES IN THE PRODUCTION OF ELECTROVACUUM DEVICES

Senin Maxim Alexandrovich
Saint Petersburg state electrotechnical University "LETI"
student

Abstract
Currently to solve complex technological problems in the application of coatings in vacuum vacuum-arc plasma sources are widely used. Their application allows obtaining a protective, strengthening, heat-resistant and a number of other functional coatings. The feature of their operation is to generate the plasma stream and control its movement. The paper presents the issues of generation and control of the motion of charged component in an external magnetic field.

Keywords: coating, plasma flux, plasma source, vacuum-arc discharge


Библиографическая ссылка на статью:
Сенин М.А. Вакуумно-дуговые источники плазмы в производстве электровакуумных приборов // Современная техника и технологии. 2015. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/07/7568 (дата обращения: 27.05.2017).

Вакуумно-дуговой разряд, при напряжении горения всего несколько десятков вольт, независящем от величины тока, характеризуется широким диапазоном разрядных токов. Для реализации разряда с интегрально холодным катодом используется принудительная система водяного охлаждения электродов, обеспечивающая такой режим работы катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для протекания тока за счет термоэлектронной эмиссии [1, 2]. Эмиссионным центром разряда, в этом случае, на поверхности катода, является катодное пятно, представляющее из себя небольшую, ярко светящуюся область, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги [3].

Катодное пятно включает в себя эмитирующий участок катода, с плотностью тока в пятне до 1014 А/м2, и прилегающий к нему бесстолкновительный слой пространственного заряда, в котором локализуется все катодное падение напряжения и обеспечивается передача энергии ионам. Величина этой энергии должна быть достаточна для воспроизводства необходимого количества пара, требуемого для процессов ионизации в прикатодной области, и для разогрева катода до температуры, обеспечивающей необходимое распределение по энергиям свободных электронов в теле катода. Электроны способны эмиттироваться катодом с любого энергетического уровня в зоне проводимости, причем их распределение по энергиям определяется статистикой Ферми-Дирака, а вероятность выхода туннелирующих электронов из металла – величиной коэффициента прозрачности потенциального барьера на границе металл-вакуум [4].

Для разработки математической модели адекватно описывающей протекание реального физического процесса необходимо учитывать взаимосвязь процессов протекающих в плазме разряда с процессами, определяющими температуру в катодном пятне и среднюю температуру катода. При этом плотность эмиссионного тока и тип существующей эмиссии из катодного пятна зависит от температуры в пятне (Tкп), а также напряженности электрического поля (Е), создаваемой у поверхности катода: je= f(Tкп, Е).

В свою очередь напряженность электрического поля: Е = f(Uк, rкп, je, ji), где Uк – падение напряжения в катодной области; rкп – радиус катодного пятна; ji и je – плотности ионного и электронного токов соответственно.

Напряженность поля у поверхности эмитирующей области катодного пятна, в любой момент времени, устанавливается такой, чтобы обеспечить за счет существующей эмиссии, ток необходимый для поддержания разряда. В свою очередь, размеры катодного пятна и плотности электронного и ионного токов, определяют величину поля. При этом следует учитывать, что при малых размерах катодного пятна, плотность тока велика, в том числе и ионного, что в свою очередь влечет за собой увеличение электрического поля. Таким образом, поле поддерживается таким, чтобы обеспечить эмиссию тока, пропускаемого разрядом.

На практике применяются испарители плазмы, работающие в стационарном или импульсном режимах.

Процессы эмиссии в первоначальный момент времени носят преимущественно автоэлектронный характер, перерастающий, по мере увеличения катодного пятна в термоавтоэлектронную. При этом протекающие процессы, находятся в прямой зависимости от температуры и катода, и температуры в катодном пятне и напряженности электрического поля.

Плазменный поток, формирующийся в прикатодной области, включает в свой состав компоненту, из которой формируется покрытие: нейтральные атомарные частицы и капельные образования, движущиеся прямолинейно и обладающие температурой катодного пятна, и положительно заряженные частицы с разной зарядностью [5].

Формируемый плазменный поток движется в рабочем объеме во внешнем магнитном поле. В этом случае магнитная система дугового источника плазмы является сложным комплексным узлом, который формирует необходимое пространственное распределение магнитного поля для обеспечения максимально возможной эффективности управления движением плазменного потока.

Проектирование магнитных систем в первую очередь ставит задачу определения и получения необходимой картины распределения магнитного поля как в области рабочей поверхности катода, так и у обрабатываемого изделия [6]. При решении этой задачи используются сложные аналитические соотношения или применяются численные методы расчета. Точность расчета составляющих индукции магнитного поля определяет точность производимого расчета траекторий движения заряженной компоненты плазменного потока.

В вакуумно-дуговых источниках плазмы коаксиальной конструкции для формирования, транспортировки и управления движением заряженной компоненты плазмы в рабочем объеме используются магнитные системы, имеющие форму соленоидов.

Для расчета индукции магнитного поля используются следующие расчетные выражения: для радиальной составляющей соленоида:

,

где

и

– полные эллиптические интегралы, соответственно, первого и второго рода, являющиеся функциями параметра kv; для осевой составляющей индукции магнитного поля соленоида:

,

где

– полный эллиптический интеграл третьего рода.

Таким образом, расчет составляющих индукции магнитного поля соленоида сводится к задаче численного интегрирования лишь по одной переменной z´.

Входная информация для расчета, содержит описание геометрии соленоидов: длина В, внутренний радиус R, толщина намотки H, расстояние до начала координат L; и их электрических параметров: плотность тока в соленоидах, выбираемая с учетом степени заполнения обмотки медью. В программе предусмотрена возможность разбиения всей области расчета на подобласти, в каждой из которых расчет может производиться с различным шагом как по оси z, так и по оси r.

Вакуумно-дуговые источники плазмы широко применяются для нанесения защитных покрытий [7, 8] и в частности на электроды генераторных ламп.

Из электродов выделяют сетки и аноды. Если на сеточные электроды наносят антиэмиссионные покрытия [9], то на внутреннюю поверхность медных анодов наносят тугоплавкое покрытие, предотвращающее распыление рабочей поверхности.

Для модифицирования фазового состава обрабатываемой поверхности и формирования покрытия карбида циркония (ZrC) использовались вакуумно-дуговые источники плазмы коаксиальной и протяженной конструкций [10]. Покрытие карбида циркония (толщиной 5–8 μm) синтезировалось в потоке металлической плазмы в среде углеродосодержащего газа (С6Н6) на предварительно сформированном подслое карбида материала подложки (MoC, WC) и переходном слое циркония (Zr) [11, 12].

Наличие в продуктах эрозии капельных образований приводит к получению шероховатого покрытия с развитой поверхностью. Данное условие оказывает благоприятное влияние на газопоглотительные свойства титанового покрытия, наиболее эффективно поглощающего преобладающие в вакуумных системах остаточные газы активной группы.

Возможность формирования в вакуумно-дуговом устройстве плазменного потока со скоростью порядка 104 м/с и выше обусловливает особенность его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью сложной геометрической формы, в том числе и с деталями, где необходимо нанесение покрытия на внутренние поверхности [13].

Использование плазменной технологии позволяет разработать специализированное оборудование 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, и повысить работоспособность и увеличить срок службы приборов.


Библиографический список
  1. Барченко В. Т., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Технологические вакуумно-дуговые источники плазмы. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 243 с.
  2. Lisenkov A. A., Valuev V. P. Vacuum Arc Discharge on Integrally Cold Cathode // Vakuum in Forschung und Praxis. 2011. V. 23. Iss. 6. Р. 32–36.
  3. Lisenkov A. A., Burov I. V., Pavlova V. A. Adjustment of the plasma density in the process of coating formation // Plasma Devices and operations. 2002. V. 10. № 1. P. 9–15.
  4. Лисенков А. А. Катодные пятна вакуумно-дугового разряда и динамика их развития // Вакуумная техника и технология, 2004. Т. 14. № 4. С. 221–226
  5. Гончаров В. Д., Лисенков А. А. Создание электрофизического оборудования на основе вакуумно-дугового разряда // Вакуумная техника и технология, 2008. Т. 18. № 2. С. 67–74.
  6. Лисенков А. А., Ветров Н. З. Вакуумные дуговые источники плазмы // под редакцией д.т.н. проф. Клубникина В.С. Энергоатомиздат, СПб, 2000. – 208 с.
  7. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Плазмохимический синтез нитридных соединений на основе алюминия в плазме вакуумно-дугового разряда // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. Вып. 20. С. 50–56.
  8. Lisenkov A. A., Vetrov N. Z., Radzig N. M. Vacuum – arc radiant of plasma an extended construction for synthesis zirconium carbide on grids of power transmitting valves // Plasma Devices and Оperations. 2000. V. 8. № 3. Р. 179–185.
  9. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Антиэмиссионное интерметалличекое покрытие на основе платины и циркония // Письма в ЖТФ, 2009. Т. 35. Вып.13. С. 66–73.
  10. Патент № 2449513. РФ. Вакуумно-дуговое устройство. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. и др. Опубл. 27.04.2012, бюл. № 12.
  11. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Особенности структурообразования многокомпонентного слоя из плазмы вакуумно-дугового разряда // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып. 20. С. 57–62.
  12. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Особенности образования интерметаллических покрытий на основе платины и циркония // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 24. С. 78–85.
  13. Лисенков А. А. Нанесение покрытий на внутреннюю поверхность анодов генераторных ламп // Вакуумная техника и технология, 2007. Т. 17. № 3. С.203–209.


Все статьи автора «Сенин Максим Александрович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: