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
- Барченко В. Т., Ветров Н. З., Лисенков А. А. Технологические вакуумно-дуговые источники плазмы. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 243 с.
- 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.
- 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.
- Лисенков А. А. Катодные пятна вакуумно-дугового разряда и динамика их развития // Вакуумная техника и технология, 2004. Т. 14. № 4. С. 221–226
- 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.
- Лисенков А. А., Ветров Н. З. Вакуумные дуговые источники плазмы // под редакцией д.т.н. проф. Клубникина В.С. Энергоатомиздат, СПб, 2000. – 208 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- Патент № 2449513. РФ. Вакуумно-дуговое устройство. Быстров Ю. А., Ветров Н. З., Лисенков А. А. и др. Опубл. 27.04.2012, бюл. № 12.
- 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.
- 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.
- Лисенков А. А. Нанесение покрытий на внутреннюю поверхность анодов генераторных ламп // Вакуумная техника и технология, 2007. Т. 17. № 3. С.203–209.