Устройство для возбуждения разряда в импульсном генераторе электроэрозионной плазмы

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАЗРЯДА В ИМПУЛЬСНОМ ГЕНЕРАТОРЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ по авт. св. N N 1168070, отличающееся тем, что, с целью увеличения ресурса путем увеличения срока службы тонкопленочного токопровода, оно содержит дополнительно защитный экран, размещенный на торце цилиндрической втулки с зазором относительно катода, выполненный в виде плоского кольца с каналом для выхода инициирующей плазмы, при этом канал расположен против зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом, а ось катода совпадает с осью экрана.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний диаметр экрана превышает диаметр катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что экран имеет выступ, входящий в зазор между изолятором и катодом.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вакуумных сильноточных электроразрядных устройствах технологического назначения, например для нанесения покрытий.
Целью изобретения является увеличение ресурса путем увеличения срока службы тонкопленочного токопровода.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Предлагаемое устройство содержит охватывающий цилиндрический катод 1 генератора, кольцевой изолятор 2 и кольцевой поджигающий электрод 3. Диаметр отверстия в изоляторе 2 превышает диаметр катода 1. Поверхность изолятора 2, обращенная в одну сторону с рабочим торцом катода 1, снабжена тонкопленочным токопроводом 4. Вторым разрядным электродом генератора является его анод 5. Устройство содержит также механизм изолятора 2, который включает кольцевой держатель 6 изолятора 2 и установленную коаксиально катоду 1 цилиндрическую втулку 7, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси и снабженную роликами 8, взаимодействующими с держателем 6 изолятора 2. Один из роликов 8 связан с цилиндрической втулкой 7 пружинящим элементом 9, обеспечивающим прижим изолятора 2 к боковой поверхности катода 1 и образование зоны контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1. Изолятор 2 расположен эксцентрично по отношению к катоду 1, а контакт тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 является локальным. Тонкопленочный токопровод 4 контактирует также с поджигающим электродом 3.
Устройство также содержит экран 11, защищающий тонкопленочный токопровод 4 от избыточного осаждения электроэрозионной плазмы, смонтированный на цилиндрической втулке 7 и имеющий канал 12 для выхода инициирующей плазмы и отверстие 13 для выхода электроэрозионной плазмы. Канал 12 экрана 11 расположен напротив зоны контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1, а отверстие 13 экрана 11 - напротив катода 1. Ось катода проходит через центр отверстия экрана. Диаметр отверстия экрана превышает диаметр катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода. Экран 11 имеет также выступ 14, входящий в зазор между изолятором 2 и катодом 1. Экран 11 предпочтительно выполнять из изоляционного материала, лучше всего дугостойкой керамики. Для передачи вращательного движения цилиндрической втулке 7 служит привод вращения. Питание устройства и генератора осуществляется от управляемого импульсного источника, выводы которого электрически связаны с катодом 1, поджигающим электродом 3 и анодом 5.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Приводят во вращение цилиндрическую втулку 7, кинематически связанную с держателем 6 изолятора 2 при помощи роликов 8 и пружинящего элемента 9. Поскольку изолятор 2 расположен эксцентрично относительно катода 1, ролики 8, катясь по держателю 6 изолятора 2, обеспечивают изолятору 2 перемещение, при котором он обкатывает катод 1 по его боковой поверхности. При этом зона контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 перемещается одновременно по тонкопленочному токопроводу 4 и катоду 1, а так как экран 11 смонтирован на цилиндрической втулке 7, канал 12 экрана 11 для выхода инициирующей плазмы перемещается синхронно с зоной контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1, находясь все время напротив нее. При помощи управляемого импульсного источника питания периодически подают импульсы напряжения на межэлектродный промежуток "катод 1 - анод 5" генератора и пропускают импульс тока через промежуток "поджигающий электрод 3 - тонкопленочный токопровод 4 - зона контакта 10 тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1 - катод 1". Протекание каждого импульса тока через этот промежуток вызывает электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 4 с катодом 1. Образующаяся при электровзрывном испарении инициирующая плазма через канал 12 экрана 11 инжектируется в объем генератора, заполняя его межэлектродный промежуток "катод 1 - анод 5", а поскольку к нему приложено импульсное напряжение, в генераторе возбуждается импульсный вакуумный сильноточный электрический разряд, горение которого сопровождается генерированием электроэрозионной плазмы в возникающих на рабочем торце катода 1 так называемых катодных микропятнах. Основная часть электроэрозионной плазмы, генерируемой при каждом импульсе, проходит через отверстие 13 экрана 11 и далее через кольцевой анод 5 генератора и затем используется в технологических целях, например для нанесения покрытий. Некоторая доля остальной части генерируемой электроэрозионной плазмы осаждаетсяна поверхности тонкопленочного токопровода 4, подготавливая устройство к осуществлению очередного возбуждения разряда в генераторе. Экран 11 защищает тонкопленочный токопровод 4 от избыточного осаждения электроэрозионной плазмы, обеспечивая баланс между количеством испаренного материала тонкопленочного токопровода 4 и количеством электроэрозионной плазмы, сконденсировавшейся на нем. Катод 1 подают по мере его выработки при помощи системы подачи, предусмотренной в генераторе, благодаря чему сохраняется постоянство расстояния от рабочего торца катода 1 до поверхности тонкопленочного токопровода 4.
Предлагаемое устройство размещается в вакуумной камере с расположенным в ней импульсным генератором электроэрозионной плазмы, имеющим цилиндрический катод диаметром 39 мм и кольцевой анод диаметром 90 мм с отверстием диаметром 70 мм. Межэлектродный промежуток "катод-анод" генератора 10 мм. Катод генератора выполнен с возможностью подачи по мере выработки. Материал анода - нержавеющая сталь марки Х18Н10Т, катода - титан марки ВТ1-0. Оба электрода генератора охлаждаются проточной водой.
Устройство для возбуждения разряда в таком генераторе содержит кольцевой поджигающий электрод, кольцевой изолятор, механизм перемещения изолятора и экран. Изолятор охватывает цилиндрический катод генератора вблизи его торца. Материал изолятора - керамика марки 22ХС. Диаметр отверстия изолятора превышает диаметр катода и составляет 40,5 мм. Диаметр поджигающего электрода равен 65 мм, а диаметр его отверстия - 55 мм. Материал поджигающего электрода - нержавеющая сталь марки Х18Н10Т. Поверхность изолятора, обращенная в одну сторону с рабочим торцом катода, снабжена тонкопленочным титановым токопроводом. Механизм перемещения изолятора включает кольцевой держатель изолятора и установленную коаксиально катоду цилиндрическую втулку, выполненную с возможностью вращения относительно своей оси и снабженную роликами, взаимодействующими с держателем изолятора. Один из роликов при помощи рычага шарнирно установлен на кронштейне, который закреплен на цилиндрической втулке, и связан с ней пружинящим элементом в виде винтовой цилиндрической пружины сжатия, что обеспечивает отклонение ролика и прижим изолятора к боковой поверхности катода с образованием локального контакта тонкопленочного токопровода с катодом. Изолятор в устройстве расположен эксцентрично по отношению к катоду генератора. Расстояние от кромки рабочего торца катода до поверхности тонкопленочного токопровода в зоне контакта его с катодом не превышает 1 мм. Экран устройства смонтирован на цилиндрической втулке при помощи закрепления винтами. Он имеет канал для выхода инициирующей плазмы и отверстие для выхода электроэрозионной плазмы. Канал экрана расположен напротив зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом, а отверстие экрана находится напротив катода. Ось катода проходит через центр отверстия экрана. Толщина экрана 1 мм, а диаметр отверстия 40,2 мм, т.е. больше диаметра катода, но меньше диаметра отверстия поджигающего электрода. При этом экран своей торцовой частью шириной 7,4 мм защищает тонкопленочный токопровод от избыточного осаждения генерируемой плазмы. Экран имеет выступ толщиной 0,6 мм, входящий в зазор между кольцевым изолятором и катодом. Экран находится на расстоянии не более 0,3 мм от поверхности тонкопленочного токопровода. Сечение канала экрана представляет собой часть круга радиусом 4 мм, с центром, лежащим на окружности диаметром 39 мм. Экран изготовлен из изоляционного материала - дугостойкой керамики марки 22ХС. Двигатель постоянного тока типа СЛ221 через редуктор и привод вращения, снабженный зубчатой передачей, осуществляет вращение цилиндрической втулки вокруг своей оси, при котором ролики обкатывают держатель изолятора, обеспечивая перемещение изолятора, а значит и зоны контакта тонкопленочного токопровода с катодом одновременно по тонкопленочному токопроводу и катоду, а поскольку экран закреплен на цилиндрической втулке, его канал для выхода инициирующей плазмы перемещается синхронно с зоной контакта тонкопленочного токопровода с катодом, находясь все время напротив нее. При вращении цилиндрической втулки со скоростью 3 об/с канал экрана и зона контакта тонкопленочного токопровода с катодом смещаются приблизительно на 3,4 мм от импульса к импульсу при частоте следования импульсов тока (тока поджига) по цепи поджигающий электрод-тонкопленочный токопровод - локальный контакт тонкопленочного токопровода с катодом-катод, равной 100 Гц. Протекание импульса тока поджига по этой цепи обеспечивается при помощи управляемого импульсного источника питания за счет разряда имеющейся в нем конденсаторной батареи поджига, состоящей из трех конденсаторов марки К 75-25 (1 мкФ, 1000 В). Предразрядное напряжение на ней 500 В. Подача напряжения на межэлектродный промежуток "катод-анод" генератора также осуществляется от управляемого импульсного источника питания, содержащего (помимо конденсаторной батареи поджига) конденсаторную батарею эрозии, состоящую из 48 конденсаторов марки К75-17 (50 мкФ, 1000 В). Напряжение на ней перед каждым импульсом возбуждения 200 В. Под действием импульса тока поджига происходит образование инициирующей плазмы, заполнение которой межэлектродного промежутка "катод-анод" генератора вызывает возникновение в нем импульсного вакуумного сильноточного электрического разряда, горение которого сопровождается генерированием электроэрозионной плазмы, основная часть которой проходит через отверстие экрана и далее через кольцевой анод и затем используется в технологических целях, в частности, для нанесения покрытий. Экран допускает осаждение на поверхности тонкопленочного токопровода лишь небольшой доли остальной части электроэрозионной плазмы, а именно такого ее количества, конденсация которого не вызывает заметного увеличения толщины тонкопленочного токопровода (уменьшения величины его сопротивления). Поскольку перемещение изолятора в устройстве происходит плавно, усилие прижима его к боковой поверхности катода и соответственно переходное сопротивление контакта тонкопленочного токопровода с катодом практически не изменяется в процессе работы. В итоге общее сопротивление цепи "поджигающий электрод - тонкопленочный токопровод - локальный контакт тонкопленочного токопровода с катодом - катод" остается достаточно постоянным, что обеспечивает улучшение ритмичности работы устройства, повышение срока службы тонкопленочного токопровода и увеличение надежности и ресурса устройства.
Так, например, в интенсивном режиме генерации электроэрозионной плазмы (энерговклад 25-50 Дж, частота следования импульсов 100-200 Гц) срок службы тонкопленочного токопровода в предлагаемом устройстве по крайней мере в пять раз превышает срок его службы в устройстве, выполненном по основному изобретению.