Автореферат (1025197), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При этом размер собирающей сферы di может бытьполучен из совместного решения уравнения Ленгмюра-Блоджета длясферического конденсатора и уравнения Бома для определения плотностиионного тока на границе собирающей поверхности:13/2 16π 2e 2 UIi = ε0 ; 9 M i α L2I iT = 0, 4ne 02kTe 2π di .MiОткуда1/2 16 e 3/2 U 3/2 di = 2 9 kTe α L RD ,где αL – табулированная функция Ленгмюра; U – разность потенциаловмежду плазмой и зондом (соответствует потенциалу капли φ).Концентрации тепловых ионов и ионов пучка из катодного пятна вплазме вакуумно-дугового разряда были определены экспериментально спомощью системы двух плоских зондов, один из которых расположенперпендикулярно потоку (параллельно поверхности катода), второйрасположен параллельно потоку (перпендикулярно поверхности катода).Показано, что в плазме вакуумно-дугового разряда присутствуютодновременно хаотически движущиеся ионы и высокоэнергетичный ионныйпучок, но преобладают хаотически движущиеся ионы с тепловой энергией(0,1-0,2 эВ).
Концентрации тепловых ионов и ионов в пучке составляют120,85ne ; n=0,15ne . Потенциал капли φк был найден изсоответственно: n=iTibусловия равенства ионного и электронного тока на каплю.Решение системы дифференциальных уравнений проводилось методомРунге-Кутты четвёртого порядка точности. В качестве начальных условийбыло принято, что температура капли соответствует температуре плавленияматериала катода, начальный диаметр капли от 0,4 до 1 мкм. Пролётноерасстояние было принято 250 мм.
В качестве материалов капель былирассмотрены: медь, титан, алюминий, кремний. Установлено, чтотемпература крупных капель в процессе движения ниже температурыкипения, но превышает температуру плавления материала катода для всехисследованным материалов (Рисунок 10). Получено, что магнитное полесущественно влияет на динамику испарения капель. Так, в присутствииарочного магнитного поля происходит полное испарение капель размером0,4-0,5 мкм (для различных материалов катода), в то время как при егоотсутствии размер полностью испарённых капель не превышает 0,2 мкм(Рисунок 11). Размер крупных капель с начальным диаметром более0,5 мкм при движении в плазме уменьшается незначительно – в 1,2-2,5 раза вприсутствии арочного магнитного поля и в 1,04-1,06 раза при его отсутствии(дляразличныхматериаловкатода).Теоретическиерасчётыудовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (см.главу 3).Рисунок 10.Динамика изменения температурыкапли при её движении в плазмевакуумно-дугового разряда от катода(медь)Рисунок 11.Динамика изменения диаметровдвижущихся в плазме капельразличного начального размера(медь)Расчёты показали, что увеличение концентрации плазмы до значений6∙10 м-3 приводит к полному испарению капель меди размером до 1 мкм напролётном расстоянии 250 мм (Рисунок 12).
При этом увеличениетемпературы электронов оказывает меньшее влияние на скорость испарениякапли, чем увеличение концентрации плазмы.Даны технические предложения по разработке систем вакуумнодугового испарения, позволяющие обеспечить существенное снижениемассовой доли капельной фазы вплоть до её полного устранения, такие как1913ввод дополнительной мощности в плазму и создание эффективныхэлектронных ловушек. В качестве системы дополнительного ввода мощностипредлагается использовать геликоновый разряд (индуктивный разряд впродольном магнитном поле), который позволяет увеличить концентрациюплазмы и температуру электронов во всём объёме индуктора.В заключении даны выводы по результатам проведённыхисследований, а также сделаны выводы по наиболее эффективному путиснижения капельной фазы вплоть до её полного устранения.абРисунок 12.Динамика испарения капли меди размером 1 мкм при увеличенииконцентрации плазмы (а) и температуры электронов (б)ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.
Исследованы интегральные характеристики процесса эрозии катодавакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем. Показанасущественная зависимость напряжения разряда от индукции арочногомагнитного поля для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний). Получены новые количественные данные, свидетельствующиео том, что при увеличении индукции арочного магнитного поля скоростьэрозии катода снижается в 1,5-3,9 раза для всех исследованныхматериалов. На основе разработанной методики ускоренного определенияпрофиля эрозии катодапроведена корректировка режима работыпромышленного вакуумно-дугового испарителя и достигнуто увеличениекоэффициента использования материала катода с 37 до 80 %.2.
Показано, что в дуговом испарителе с арочным магнитным полем каплиприходят на подложку в жидком виде для всех исследованныхматериалов. Получены дисперсные характеристики капельной фазы впродуктах эрозии катода и показано, что диаметры капель в плазме,переносящих 80 % массы капельной фазы, составляют от 0,15 до0,91 мкм. Показано, что при использовании арочного магнитного поля,массовая доля капельной фазы в продуктах эрозии катода снижается в1,5-2,5 раза в зависимости от материала катода.143. Разработана математическая модель тепломассообмена между каплей иплазмой вакуумно-дугового разряда с учётом процессов излучениясубмикронных капель, прихода на каплю одновременно тепловых ионови ионного пучка со стороны катода, испарения материала капли,термоэмиссии электронов с поверхности капли и других.
Показано, чтоарочное магнитное поле существенно влияет на динамику испарениякапель в плазме вакуумно-дугового разряда: при отсутствии магнитногополя размер крупных капель (диаметром более 1 мкм) почти неуменьшается, полное испарение капель происходит при их диаметре неболее 0,2 мкм; при наличии арочного магнитного поля происходитполное испарение капель размером до 0,5 мкм, в то время как диаметркрупных капель уменьшается в 1,2-2,5 раза в зависимости от материалакатода. Проведена экспериментальная проверка, подтверждающаявыполненные расчёты.4. Экспериментально показано, что при наложении внешнего арочногомагнитного поля существует два механизма снижения массовой доликапельной фазы в покрытии: подавление образования капель в катодномпятне и испарение капель в плазме вакуумно-дугового разряда.5.
Показано, что интенсивность испарения капель существенным образомзависит от величины концентрации плазмы и в меньшей степени оттемпературы электронов. Полное испарение капель размером до 1 мкмможет быть осуществлено путём увеличения концентрации до 6·1019 м-3.Даны технические предложения по разработке систем вакуумно-дуговогоиспарения, обеспечивающих снижение массовой доли капельной фазыкак вследствие подавления образования капель в катодном пятне, так и ихиспарения в плазме вакуумно-дугового разряда.6. Впервыебылапоказанавозможностьиспаренияхрупкихполупроводниковых материалов в непрерывном режиме с помощьювакуумно-дугового разряда в арочном магнитном поле при полномотсутствии термодеформационных разрушений катода и определенытехнологические режимы процесса.Основныерезультаты,представленныевдиссертации,опубликованы в 12 научных статьях, в том числе в 11 статьях, включенныхв перечень ведущих рецензируемы научных журналов ВАК РФ:1.
Dukhopelnikov D.V., Kirillov D.V., Bulychev V.S. Characteristics of siliconmicrodroplets in coatings deposited by vacuum arc evaporation // PolymerScience. Series D. 2016. Т. 9. № 2. С. 238-242. DOI:10.1134/S1995421216020040. (0,31 п.л./0,1 п.л.).2. Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Булычёв В.С. Характеристикикремниевых микрокапель в покрытиях, осаждённых методом вакуумногодугового испарения // Все материалы. Энциклопедический справочник.2015. № 12, C. 18-24. (0,44 п.л./0,15 п.л.).3.
Вакуумная дуга на поликристаллическом кремниевом катоде /Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Воробьев Е.В. и др. // Наука и15образование: электронный журнал. 2014. № 11. С. 188-197. Режимдоступа к журналу URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/748209.html (датаобращения: 21.01.2017). (0,63 п.л./0,125 п.л.).4. Влияние выработки катода дугового испарителя на равномерностьтолщины покрытия и угловое распределение продуктов эрозии /Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Воробьев Е.В.
и др. // Наука иобразование:электронныйжурнал.2014.№4.С.1-9.DOI:10.7463/0414.0707391.РежимдоступакжурналуURL:http://technomag.bmstu.ru/doc/707391.html (дата обращения 09.09.2017).(0,56 п.л./0,19 п.л.).5. Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Щуренкова С.А. Динамикадвижения катодных пятен по поверхности катода в поперечноммагнитном поле // Наука и образование: электронный журнал. 2012.
№ 1.С.1-9.РежимдоступакжурналуURL:http://technomag.bmstu.ru/doc/256359.html (дата обращения: 22.01.2017).(0,56 п.л./0,19 п.л.).6. Духопельников Д.В., Кириллов Д.В., Рязанов В.А. Исследование профилявыработки катода дугового испарителя с арочным магнитным полем //Наука и образование: электронный журнал. 2012.
№ 11. С. 21-32. DOI:10.7463/1112.0482485.РежимдоступакжурналуURL:http://technomag.bmstu.ru/doc/482485.html (дата обращения: 21.01.2017).(0,75 п.л./0,25 п.л.).7. Вакуумная дуга с монокристаллическим кремниевым катодом дляполучения наноструктурированных материалов / Марахтанов М.К.,Духопельников Д.В., Кириллов Д.В. и др. // Справочник. Инженерныйжурнал с приложением. 2008. № 9. С. 22-27. (0,38 п.л./0,063 п.л.).8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
