Способ получения плазмы металлов с помощью вакуумной дуги

)5 С ГОСУД АРСТВ 1.ННЫЙ НОМПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНПРИ ГКНТ СССР Тиям ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт высоАН СССР(72) Э,И, Асиновск В,П, Полищук, ПЕ.щов и И,М. Ярцев 11" 1,7,их температур кам плазмы для вакуумно-плазменнойтехнологии и может быть использованодля нанесения покрытий и обработкиповерхностей, Целью изобретения является исключение загрязнения плазмытвердыми и жидкими частицами материала катода. Цель достигается тем, чтов способе получения плазмы металловс помощью вакуумной дуги постоянноготока, горящей в парах металлическогокатода, измеряют его температуру,Поджиг вакуумной дуги осуществляютпосле достижения температурой рабОчейповерхности катода тех значений,при которых ток термоэмиссии с этойповерхности не меньше рабочего токадуги, а концентрация насыщенного паракатодного материала над этой поверхГностью не менее 101 см , т.е. обеспечивает, Формирование прикатодногодугового слоя. 3 ил. й, С.Я, Бронин,Сычев, В.И. Паба" 11333 Бо) Патенткл. С 23 САксенов Англии 113/08, 19И. йллическоинФорм,сионные Формированплазмы.84,еобразолазма / токов метЦНИИатоТермозми низкотемп д. Мойжес Обзор.вателиПодЕ И,: атурнаяВ.Г, и Пи кус Н а ЗМЫ МЕ(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИС ПОГ 10 ЩЫ ВАКУУГ 1 НОЙ(57) Изобретение отн ОВ ни тся электродного промпарами катодногогреве .катода изми зажиг вакуумнойпосле достиженияповерхности катод3которых ток. термверхности не менги, а концентрациякатодного материностью не меньшеПри таких тевается горение встационарной дифФвязкой (ЛКП).Искл мпературах обеспечикуумной дуги (ВД) со уэией катодной приючение загрязнения Изобретение относится к источникам плазмы для вакуумно-плазменной .техно" логии и может быть использовано для нанесения покрытий и обработки .поверхностей.Целью изобретения является исключение загрязнения плазмы твердыми и жидкими частицами материала катода.Цель достигается благодаря тому, что в способе получения плазмы метал"; лов с помощью вакуумной дуги постоянного тока, горящей в парах металли-. ческого катода, включающем подогрев катода от внешнего источника и зажиг дуги путем зле обоя" межежутка, заполненного материала, при подоряют его температуру дуги осуществляют температурой рабочей а тех значений, при Эмиссии с этой пое рабочего тока дунасыщенного пара ла над этой поверх" 10 см ф.потока плазмы ВД жидкими и твердыми частицами является результатом отсутствия эрозии катода в виде этих частиц. Последнее является следствием малых плотностей тока (1 =.10-10Л/см ) и теплового потока (д = 1010 Вт/см) у ВЛ с ЛКП, а также ста" ционарности и неподвижности самой ДКП.Выбор температуры подогрева катода Т определяется из условия отсутствйя контрагированной катодной привязки (ККП), Известно, что для существования ВЛ на катоде должны осуществлятьсл процессы,. приводящие к эмиссии электронов с его поверхности в пллаэму. При этом отношение тока эмнттировалных с катода электронов 1 . к току дуги Я = 1 /11. Известно несколько механизмов эмиссии электронов с катода ВЛ: термоэлектронная, анто- электронная и термоавтоэлектронная эмиссия. В случае, когда температура поверхности катода недостаточна для того, чтобы обеспечить ток термоэмиссии с .этой поверхности, равный или больший рабочему току дуги, для под" держания дугового разряда необходимо наличие значительных электрических полей Ес(10 -10 ) В/см у поверхности катода, В результате необходимый уровень эмиссии электронов обеспечивается эа счет термоавтоэлектронной или автоэлектронной эмиссии. Однако большие значения Ес приводят к значительным величинам плотности тока на катоде (1 - 1 Е ), а следовательно к реализации на катоде ККП, Если же температура катода ВЛ достигаеттех значений, при которыхток термоэмиссии с катода 1, равенили больше тока дуги 1, то необходимый уровень электронного тока скатода обеспечивается термоэлектронной эмиссией, При указанном условиинет необходимости в. дополнительнойавтоэлектронной и термоавтоэлектронной эмиссии электронов с катода,а следовательно, в больших значени-,ях Ес и с. В результате вместо конт"рагированной катодной привязки реализуется ВД с ЛКП, Тяким образом, вкачестве первого условия для выборатемпературы рабочей поверхности катода можно записать Т тпричем1(Т 1 - 1,Ллл протекания тока в прикатоднойобласти дугового разряда, работающего в выбранном режиме при 1,- 1необходима концентрация эаряженных5частиц в этой области по =. 10 см-зИзвестно, что для дугового разрядаприкатодное падение потенциала приблизительно равно потенциалу иониэации10 атомов плазмообразующей среды, Дуговой разряд реализуется, если эмиттирован с катода, и ускоренные в прикатодном слое электроны производятадостаточно эффективную ионизацию ато 15 мов в прикатодной области, Эффективность ионизации. Б" пц ь,Где Во - коил,центрация атомов у катода; ; - сече, л,ние иониэации атомов электронами. Поскольку величина Б уменьшается с20 уменьшением п,1, существует минимальная концентрация атомов плазмообразувюцей среды (в данном случае паровкатодного материала), при которойеще может быть реализован дуговойразряд. Лля минимальной концентратции получена величина 10 см , Применьших концентрацияя характерный длядуги прикатодный слой не образуетсяи реализуется высоковольтная (недуго 30 вая) Форма разряда, которая при дальнейшем уменьшении концентрации переходит в вакуумную форму, как в вакуумном диоде,%Зная минимальное значение пЯ и за"висимость пб от Тс можно найти минимальное значение температуры катода Тсиз условия обеспечения протекания тока дуги в прикатодной облас-ти, В случае, если пар является иде 40 альным газом, то с большой точностьювыполняется для рассматриваемых знагчении Т . и п, температуру Т можно% Рв(Тс)определить из условия Тсй Епз45 где 1 с - постоянная Больцмана; Р(Тс) "зависимость давления насыщенного нара,.катодного материала от температуры.В качестве второго условия для реализации ВД с ЛКП можно записать ТТс,50 причем и (Т ) = 10 см ,% с - сТаким образом,для осуществленияВД с ДКП необходимо, чтобы рабочая поверхность катода была нагрета до температур Тс (Т Т, ,.что позволит не только обеспечить плотность плазмообраэующей среды достаточную для протекания разрядного тока, нои исключить жидкие и твердые частицы5 1730864 6материала катода из плазменного пото- да путем электрического пробоя межка.На 4 нг 1 иэлектродного промежутка заполненногоа 4 нг, 1 представлено устройство парами материала катода, При этомпозволяющее реализовать предложенный . ток во время пробоя не превышает ра"5способ; на фиг, 2 показаны рассчцган- бочего тока дуги, После зажига ВДные зависимости температуры 1 от включается регулятор 17 температурытока дуги для катодов из разных мате" катода, например, типа ВРТ, которыйРиалов, а также опытные обеспечивает, автоматическое поддер"этой температуре на фиг.Р УР , ф г. 3 нанесены 10 жанне температуры катода на эаданно 9типичные распределения интенсивностиуровне (ТТ )необходимом для ре"й поверхности ка- алиэации ВДС Д 1 П, .Это достигаетсяизлучения по рабочей пове хнотода, полученные для В и за счет изменения мощности электронноУстройство, позволяющее осущестосущест лучевого подогревателя 6. Сигнал,вить заявленный способ состоит из 15 функционально связанный с температувакуумной камеры 1, откачиваемой Рой катода, посгупает в регулятор 17чеРез вакуумпровод 2, катода, выпол" от регистратора .11,.ненного в виде тигля 3 со ед я 3 содержащего экран 8 служит для уменьшения посрабочий материал 4, анода 5 элект"да 5 элект- тупления паров катодного материала 4ронно-лучевого подогревателя 6 ка-. 2 Ол" 620 в дбласть электронно-лучевого подо"тода оптических окон 7, охранногоРанного . гревателя 6, а также для исключенияэкрана 8, оптического затвора 9 ге -о ора 9, гервозникновения электрического разрядаметичных изоляционных втулок 10 фоулок 10 фо между электронно-лучевым подогреватоэлектрических регистраторов 11 исР Р .Ров 11 ис телем 6 и электродами дуги. Сопротивисточника 12 электропитания дуги 25ЬР Я ДУГИ 25 ление 16 предназначено для.исключе"блока 13 поджига дуги реостата 4ду , р остата 14, ; ния зарядки вакуумной камеры 1 до высокого потенциала рассеянным потоком,, вого подогревателя разрядного соп о"температУчи УПРавляющих сигналов в блоки 13ры катода. 30 и 17 вместо регистратора 11 можетУстройство, работает следующим об- дующим об использоваться аналогичный регистраразом, Рабочий плазмообразующиймате- . тор, измеряющий температуру катодаРУ" тигель 3. на боковой поверхности, В этом слувыполненный .из электропроводяшего,Ро одншего: чае должна быть установлена:функциотугоплавкого материала, напримеРимер 35 нальная связь между температурамивольфрама, тантала или молибденаУс- рабочей и боковой поверхностей катотанавливается величина сопротивленияда.реостата 14, необходимая для реализа-ции рабочего тока ги Р 2 1 ф Поток .плазмы металлов создаваемьй140 ВД, может быть использован для нанегде Б, н 1 напряжение источника 12сения покрытнй йа нзделия, помещенэлектропитанияи напряжение горЕНИя .Ные в вакууМНУю камеру. Для нанесе"дуги соответственно Откачивают ва- ния покрытий сложного состава 1 ниткуумную камеру 1 через вакууипровод ридов, оксидов, карбидов и др.) в ва 2 до появления с 10Торр, лосле . 4 куумную камеру могут подаваться реакчего исключают источник 15 и с помо- ционные газы азот воздух углекисщью электронно-лучевого подогревате-лый газ и др.)ля б осуществляют нагрев рабочего . Ток Хс с рабочей поверхности катоесматериала 4 катода в тигле 3. С по- . да площадью Рс можно выразить черезмощью фотоэлектрического регистратора 50 плотность тока.термоэмиссии Тес11 через открытый затвор 9 изМеряют3. 4 Р. Последнюю .же величину можтемпературу рабочей поверхности катоода. Сигнал с регистратора 11, завися-г но определить по уравнению Ричардсощий от этой температуры, поступает на на-Дэшмана 3 щ АТ ехр( ( /КТс ),блок 13 поджига дуги. После дости где А " эмиссионная йостояйная; (жения требуемой температуры катода работа выхода каФодного материала.Тсъ Т блок 13 поджига нуги обесечи" Значение п можно найтй из давления+ Увает зажиг вакуумной дуги с ДКП междунасыщенныхпаров в йф ЫЬ 2,В своюанодом 5 и рабочим материалом 4 като- .с, 1 сТс17308 б 4 очередь, давление Г . ехр(-(РуЛсТс), где Ц - теплота испарения атомон, Таким образомзначение Тс определя"Фется, в первую очередь, такими харак- теристиками катодйого материала какМ1 С и (Ц . Значение Тс зависит, кроме того, ат Рабочего тока дуги 1 и площади Гс.На фиг, 2 представлены данные офтемпературе Тс для ряда катодйых мате риалов в зависимости от плотности рабочего тока дУгй 1 с, Из данныхФ на фиг, 2 следует, что величина Т в существенной степени зависит от типа катодного материала. Для пред".ставленных металлов величина Т+Ъ ь 1700 К, При этом при низким зиаче-М.ниЯх Зе темпеРатУРа Тс опРеДелЯетсЯ необходимостью создания требуемой .20 для протекания тока концентрации паров катодного материала, а при высоких значениях - условием обеспечения требуемого тока термозмиссии с ка" тода, 25На фиг,. 3 нанесены реализованные при Тс Т н представленном на фиг,1 устройстве типичные распределения . интенсивности излучения У по рабочей поверхности катода площадью Рс = .30 = 5 см для 1 = 40 А, Эти распределения измерялись с помощьо сканирующего регистратора спектра МРСчерез окно 7 при открытом затворе 9, причем выбиралась такая область спектра, в которой вклад излучения плазмы в изме- ряемое излучение не превышал 103. Вре" менный сдвиг между кривыми на фиг. 3 составлял 1 мс, Этот сдвиг мог изменяться от 0,1 мс до нескольких секунд. В последнем случае вместо. прибора ИРСиспользовался фотоаппарат"Зенит .ЕТ", В качестве матерйала 4катода использовался редкоземельныйметалл - гадолиний марки ГДИ"1, кото.рый помещался в тигель 3 из молибдена марки И 4 ВП. Нагрев катода осуще"стнлллся с помощью подогревателя. бмощностью до 1,2 кВт с прямоканальнымкатодом. Обработка распределений интенсивности Ч(г), подобным тем, чтопредставлены на фиг, 3, показывает,что во всех случаях при Т ) Т реалис сзуется достаточное однородное распре"деление температур по катоду с макси"мальным перепадом температур менее43. То есть в укаэанных случаях отсутствуют характерные для ВЛ с ККПлокальные перегревы поверхности като" 8да и реализуется ИЛ с ДКП. При ТсТ отсутствуют временные изменения излучения рабочей поверхности катода и пульсации излучения прнкатодной плазмы. В дуге с ЛКП отсутствуют также характерные для луг с ККП колебания напряжения горения. Все это свидетельствует о стационарности и неподвиж" ности ЛКП, которая занимала практически всю рабочую поверхность катода,В дуге с ЛКП эрозия катода осущестлялась только за счет термического 1испарения, загрязнения плазмы твердыми и жидкйми частицами рабочего материала катода не происходилр, 06 этом свидетельствовала структура конденсата на специальных подложках, помещаемых в вакуумную камеру вместо затвора 9. 06 этом же свидетельствует и тот факт, что измеренная ско" рость эрозии катода в ВД не превышала скорость термического испарения катодного материала.На фиг. 2 нанесены измеренные для катода из гадолиния представленные в виде крестиков значения Тс в эави% симости от плотности тока дУги 1 есПри ТсТ в представленном на фиг.1 устройстве реализуется ВЛ с ДКП. Иэ фиг. 2 видно, что измеренная зависи" мость Т = Б Ц с) согласуется с зави%с есимостью, определенной по предложенному методу. Это подтверждает справедливость предложенного метода определения ТСТаким образом, заявленный способ позволяет за счет внешнего подогрева катода до температуры Тсь Тс обеспе" чить протекание разрядного тока в вакууме и одновременно исключить загрязнение плазменного потока, генерируемого ВД твердыми и жидкими частицами материала катодаФормула изобретения Способ получения плазмы металлов спомощью вакуумной дуги постоянного тока, горящей в парах металлического катода, включающий подогрев катода от внешнего источника и поджиг дуги путем электрического пробоя межэлект" родного промежутка, заполненного парами катодного материала, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью. исключения загрязнения плазмы жидкими и твердыми частицами катода, при подогреве катода измеряют его темпе" ратуру и поджиг вакуумной дуги осу91730 ВЬ 4 10ществляют после достижения тем ерату-, дуги, а концентрация насыщенногоары рабочей поверхности катоде, прн рв катодного материала иад этой по- которой ток термоэмиссии с этой по- , веркностъю обеспечивает юормированне верхностй не мевьше рабочего тока лрикатодного дугового слоя,3Редактор Т. Лошкарева еще вщщщщщющввювщвеювюаюВЕТиражениого комитета по кзот13035, Иосквар Ж 35, Ра ГЕНУ СССР ателвский комбинат "йатвЮрр, г. Ужг Производственно 0 аказ1974НИИПИ Госудйрс оставитель В. Милославскаяехред И,ИоргеиталЕорректорИ, Самборс юеааеавюввююююююеенеюенвщнввевеПодписноетеави в открмйиаа прущакав наба, д. 4/3