Диссертация (1025198), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В этомслучае, концентрация электронов в прикатодной области ne зависит отразрядного тока:mIL=KIne = ⋅M SDa,(3.9)где K – постоянная величина.С учётом (3.5) из выражения (3.9) можно получить зависимостьнапряжения от тока разряда (Рисунок 3.5): LL LU = к + а I + кσ 0 Sк σ 0 Sк σ 0 Sа Функция(3.10)имеет2 eB 11 me К σ eiυe I .экстремум,который(3.10)получаетсяиздифференцирования (3.10) по I:LdU Lк=+ аdI σ 0 S к σ 0 S аLа− σ 0 Sа eB1 σ eiυe me m2 1 2 I(3.11).Значение тока разряда, при котором происходит смена угла наклонавольт-амперной характеристики, может быть найдено, если выражение (3.11)приравнять нулю:I=1eBme m σ eiυeLа S аLк S к + Lа S а(3.12).Таким образом, вольт-амперная характеристика (3.10) при индукциимагнитного поля B, равной нулю представляет собой прямую линию.Увеличение индукции магнитного поля приводит к формированию кривой сминимумом, определяемом зависимостью (3.12).Вид полученного выражения для вольт-амперных характеристик приразличных индукциях поперечного магнитного поля хорошо согласуется скривыми характеристик, полученных при умеренных значениях тока разряда74(левая часть кривых).
В диапазоне токов от десятков до тысяч ампер формакривых аналогична кривым, приведённым в работе [130], где описан дуговойразряд между двумя торцевыми электродами без магнитного поля.Похожим образом можно получить вольт-амперные характеристикиразряда в расходящемся магнитном поле.
В этом случае зоны плазмы вмагнитном поле и при его отсутствии параллельны друг другу, общеесопротивление уменьшится, и напряжение разряда снизится.Рисунок 3.5.Общий вид вольт-амперной харатеристики вакуумно-дугового разряда приразличных значениях индукции магнитного поля, полученный позависимости (3.10)Таким образом, без магнитного поля и при малых величинах тока разряда(наиболее распространённый диапазон работы дуговых испарителей) вольтамперная характеристика является возрастающей. При росте индукциимагнитного поля вольт-амперная характеристика вакуумно-дугового разрядапереходит в падающую. При фиксированном токе вакуумно-дугового разряданапряжение существенно увеличивается при увеличении индукции арочногомагнитного поля.
Изменение угла наклона вольт-амперной характеристикиразряда при наличии поперечного магнитного поля можно объяснить обратнойзависимостьюпараметраконцентрации электронов.Холлавсильноионизованнойплазмеот753.2. Измерение скорости движения катодных пятенИзмерение скорости движения катодных пятен в арочном магнитномполе проводилось с помощью регистрации движения катодных пятенскоростной видеосъёмки. Времена экспозиции составляли от 12 до 100 мс,диапазон индукций арочного магнитного поля на поверхности катодавакуумно-дугового испарителя в центре арки магнитных силовых линиймагнитного поля от 0 до 12 мТл (нормальная составляющая поля равна нулю),ток разряда от 80 до 160 А. На Рисунке 3.6 приведены траектории движениякатодных пятен на катоде из алюминия при различных токах разряда ииндукции арочного магнитного поля. Аналогичные картины наблюдаются длявсех других рассмотренных материалов (титан, медь, кремний).абРисунок 3.6Траектории движения катодной привязки при различных параметрах работыдугового испарителяа – при изменении индукции арочного магнитного поля; б – при изменениитока разрядаЗависимости средней скорости движения от индукции арочногомагнитного поля и тока разряда для различных материалов представлены наРисунке 3.7 и Рисунке 3.8 соответственно.Увеличение скорости движения катодных пятен в зависимости отвеличины магнитного поля можно описать степенным законом (3.1) со средней76достоверностью аппроксимации R2= 0,97.
Коэффициенты aV(I) и bV(I),входящие в уравнение (3.1) зависят от тока разряда практически линейно сосредней достоверностью аппроксимации R2 = 0,97:V ( B=, I ) aV ( I ) ⋅ B bV ( I ),aV ( I ) = αV + βV ⋅ Ib ( I ) =γ + ζ B ⋅ IVVV(3.1)где aV(I), bV(I) – коэффициенты, зависящие от тока разряда I; αV, βV, γV, ζV –эмпирические коэффициенты, характерные для данного материала.абвгРисунок 3.7.Влияние индукции арочного магнитного поля на среднюю скорость движениякатодных пятен для различных материалова – титан; б – алюминий; в – медь; г – кремний77абвгРисунок 3.8.Влияние тока разряда на среднюю скорость движения катодных пятен дляразличных материалова – титан; б – алюминий; в – медь; г – кремнийЗначения коэффициентов αV, βV, γV, ζV уравнения (3.1) для различныхматериалов приведены в Таблице 3.1.Приведённое эмпирическое выражение даёт отличие скорости движенияпятен от экспериментально полученных данных в пределах от 2 до 8 %.Причём, максимальная погрешность наблюдается на минимальных токахразряда, где высока погрешность измерения скорости движения катодныхпятен.Таблица 3.1.78Значения эмпирических коэффициентов для оценки скорости движениякатодных пятен V(I,B)αV2,71,30,70-0,27TiAlCuSi3.3.βV1,735·10-21,121·10-21,751·10-31,057·10-2γV0,5300,8340,08331,11ζV1,1·10-42,3·10-41,5·10-4-3,4·10-4Измерение скорости эрозии катода дугового испарителяПолученные данные скорости эрозии различных материалов катода(титан, алюминий, медь, кремний) приведены в Таблице 3.2 и на Рисунке 3.9.Таблица 3.2.Значения скорости эрозии материала катода m (кг/Кл) при различныхиндукциях арочного магнитного поляB, мТл0,252,55,07,510,012,5Ti3,91·10-83,22·10-82,55·10-82,16·10-81,29·10-80,990·10-8Al6,25·10-85,45·10-84,67·10-84,07·10-83,31·10-83,02·10-8Cu8,76·10-87,64·10-86,83·10-86,50·10-86,17·10-85,74·10-8Si4,72·10-84,26·10-83,92·10-83,60·10-83,22·10-8Скорость эрозии для кремниевого катода при нулевых значенияхиндукции магнитного не были получены в связи с тем, что была высокаявероятность разрушения катода под действием больших локальных тепловыхнагрузок [90, 102, 131-133].Для сравнения измерялись скорости эрозии на дуговом испарителе срасходящимсяосесимметричныммагнитнымполем.Измерениябылипроведены для титана, циркония и хрома.
Данные приведены в Таблице 3.3.Следует отметить, что измеренная скорость эрозии титана в дуговомиспарителе с арочным магнитном полем без магнитного поля близка позначению к скорости эрозии титана в дуговом испарителе с расходящимсямагнитным полем.79Рисунок 3.9.Влияние арочного магнитного поля на скорость эрозии катода дуговогоиспарителяТаблица 3.3.Скорость эрозии катода в расходящемся магнитном полеМатериалTi (ВТ1-0)Zr (99,99 %)Cr (99,99 %)Снижение скорости эрозииСкорость эрозии m , кг/Кл3,98·10-84,65·10-82,35·10-8 m0mв арочном магнитном поле относительноскорости эрозии без магнитного поля показано на Рисунке 3.10.Из приведённых данных следует, что скорость эрозии катода дуговогоиспарителя уменьшается в 1,5-4 раза в зависимости от материала катода приросте индукции арочного магнитного поля от 0 мТл до 12 мТл.
В указанныхинтервалах индукции магнитного поля «насыщения» не наблюдается. Можноговорить, что приемлемой величиной индукции арочного магнитного поляявляется значение 4-10 мТл. При больших значениях индукции скорость эрозиисущественно снижается, особенно для титана. Следует отметить, что скоростьэрозии кремния, стабильный дуговой разряд на котором был получен впервые,примерно соответствует скорости эрозии алюминия.80Рисунок 3.10.Влияние арочного магнитного поля на скорость эрозии катода дуговогоиспарителяСкорость эрозии материала катода m можно представить как суммускорости испарения вещества в ионной фазе m i, скорости испарения вещества ввиде нейтрального пара m n и массового потока капельной фазы m к:m э = m i + m n + m к(3.2)Эмиссией нейтральных частиц m n можно пренебречь, так как долянейтралов в потоке плазмы менее 1 % [77-79].
Следовательно, снижениескорости эрозии катода m происходит вследствие уменьшения эмиссии капельm к и вследствие уменьшения эмиссии ионов m i.3.4. Влияние арочного магнитного поля на траекторию движениякатодных пятен и процессы эрозии катодаКатодные пятна без арочного магнитного поля движутся хаотически порабочей поверхности катода [134-136]. При наложении арочного магнитногополянаприкатоднуюобластькатодныепятнаначинаютдвигатьсяупорядоченно внутри арки магнитного поля со скоростью, зависящей отвеличины индукции магнитного поля на поверхности катода под вершинойарки магнитных силовых линий.
(Рисунок 3.11).81абРисунок 3.11.Движение катодных пятен вакуумно-дугового разряда по поверхности катодаа – без магнитного поля; б – в арочном магнитном полеДвижение катодных пятен представляет собой непрерывный процесс ихобразования и гибели. Новые катодные пятна образуются на холодном местекатода в непосредственной близости от родительского катодного пятна.Движение катодных пятен можно проиллюстрировать на картинеразвития трека катодного пятна при скоростной видеосъёмке при временахэкспозиции от 4 до 1000 мкс (Рисунок 3.12). Как в арочном магнитном поле, таки при его отсутствии при времени экспозиции от 4 до 50 мкс на катоденаблюдаются отдельные катодные пятна.
Среднее количество катодных пятенпри токе разряда 100 А составляет 5,5±1,0. Величина индукции магнитногополя на количество катодных пятен не влияет, в то время, как их число строгопропорционально току разряда. При дальнейшем увеличении времениэкспозициинаблюдаетсяобразованиетрека.Группыкатодныхпятенотталкиваются друг от друга. Это наблюдается, как образование несколькихветвей трека [137].Таким образом, катодные пятна в течение времени жизни tж находятсянеподвижно на локальном участке катода, испаряя на этом участке материал.После этого катодное пятно гаснет, возможно, в результате эффектатермоэлектронноговентиля[52].Инициацияновогокатодногопятнапроисходит на холодном участке катода и процесс повторяется.
На месте82потухшего катодного пятна остаётся кратер, объём которого определяетсявременем tж и составляет величину от 50 до 300 мкм (Таблица 3.4). Весь объёмматериала кратера испаряется или уносится в виде капель. Характерный видэродированной поверхности с кратерами, оставленными катодными пятнами,приведён на Рисунке 3.13. На дне указанных кратеров также видны малыекратеры размером 1-10 мкм, которые сформировались в результате воздействияна катод ячеек катодного пятна (эктонов) [50].Рисунок 3.12.Развитие трека катодного пятна. Материал катода: титан ВТ1-0, ток разряда100 А, индукция арочного магнитного поля 5 мТлТаблица 3.4.Средний размер кратеров на поверхности катодов при различных индукцияхарочного магнитного поляМатериал катодаTiCuДиаметр кратеров, мкм0 мТл7,5 мТл120±2178,1±16263±33203±19Место инициации новых катодных пятен при отсутствии магнитного поляносит случайный характер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
