Диссертация (1025198), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В частности, нет данных о влиянии величины индукции арочногомагнитного поля на интегральные характеристики процессов эрозии катода,недостаточно изучен вопрос подавления образования капель в катодном пятнеи процессы тепломассообмена между каплями и плазмой дугового разряда.Такимобразом,исследованиеуказанныхпроцессовобеспечитсовершенствование методик разработки вакуумных дуговых испарителей с7пониженной долей капельной фазы, а также выявит возможности полногоиспарения капель в продуктах эрозии.Актуальность работы обусловлена следующими положениями:− необходимость разработки новых методов и систем для снижения доликапельной фазы в продуктах эрозии катода, вплоть до полного подавлениякаплеобразования;− необходимы данные о влиянии арочного магнитного поля на интегральныехарактеристики эрозии катода (скорость эрозии, форму зоны эрозии,массовую долю капельной фазы в продуктах эрозии) и характеристикиразряда для создания новых эффективных систем вакуумно-дуговогоиспарения со сниженной долей капельной фазы.Целью работы является разработка технических путей созданиявысокоэффективных вакуумно-дуговых испарителей с арочным магнитнымполем и минимальной долей капельной фазы.Основными задачами, решаемыми в данной работе являются:− исследование влияния величины индукции арочного магнитного поля наинтегральныехарактеристикивакуумно-дуговогоиспарителя(вольт-амперные характеристики дугового разряда, ширина и форма зоны эрозиикатода, скорость движения катодных пятен по поверхности катода искорость эрозии катода);− исследование формы капель в конденсате на поверхности подложки вдиапазоне диаметров капель от 10 нм до 10 мкм для проведения оценкифазового состояния капель и оценки объёма материала, переносимогокапельной фазой;− определение функции распределения капель по диаметрам и массовой доликапель в продуктах эрозии катода с учётом формы капель дляколичественной оценки эффективности применения арочного магнитногополя;− разработка математической модели процессов тепломассообмена междукаплей и плазмой вакуумного дугового разряда с арочным магнитным8полем и оценка возможности полного испарения капель с учётом излучениякапель субмикронных размеров и одновременным приходом на каплютепловых ионов и ионного пучка со стороны катода;− разработка предложений по созданию систем со сниженной массовой долейкапельной фазы в продуктах эрозии катода вакуумно-дугового испарителя.Научная новизна работы заключается в следующем:− впервыеэкспериментальнопоказаноиполученыколичественныехарактеристики снижения скорости эрозии катода вакуумно-дуговогоиспарителя с ростом величины индукции арочного магнитного поля длявсех исследованных материалов;− получены новые количественные данные о снижении массовой доликапельной фазы в 1,5-2,5 раза при увеличении величины индукции арочногомагнитного поля с 2,5 до 12 мТл для различных материалов катода;− экспериментально и расчётным путём впервые показано, что снижениемассовой доли капель в покрытии происходит как за счёт подавленияобразования капель на поверхности катода, так и за счёт частичногоиспарения капель в разряде;− получены функции распределения капель по диаметрам в диапазоне от 10нм до 10 мкм в продуктах эрозии катода при различных значенияхиндукции арочного магнитного поля;− впервые проведено испарение хрупкого полупроводникового материала(кремний) в вакуумно-дуговом разряде с арочным магнитным полем внепрерывном режиме без термодеформационного разрушения катода.Достоверность результатов теоретических исследований обеспечиваетсяиспользованием адекватных математических моделей и экспериментальнойпроверкойполученныхрезультатов.Достоверностьэкспериментальныхисследований гарантируется применением хорошо зарекомендовавших себяметодов и методик, а также использованием современных средств измерения.Приведены оценки погрешности измерений.9Практическая значимость работы:− получены данные для проектирования вакуумно-дуговых испарителей сарочным магнитным полем с катодами из различных материалов;− разработаны инженерные методики определения основных эрозионныххарактеристик вакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем;− разработана методика расчёта профиля выработки катода в арочноммагнитном поле;− даны практические рекомендации по снижению (вплоть до полногоисчезновения капель) массовой доли капельной фазы;− предложенновыйспособиспаренияхрупкихполупроводниковыхматериалов (таких, как кремний) в вакуумно-дуговом разряде с арочныммагнитным полем без термодеформационного разрушения катода внепрерывном режиме.Апробация результатов работыОсновныеположенияработыдокладывалисьнаследующихконференциях и семинарах:1.
Научные семинары кафедры «Плазменные энергетические установкиМосковского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана(Москва, 2013-2017).2.28-езаседаниеМеждународногонаучно-техническогосеминара«Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2006).3. III Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника,материалы и технология» (Москва, 2008).4. VII Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника,материалы и технология» (Москва, 2012).5. VIIIМеждународнаянаучно-техническаяконференция«Вакуумнаятехника, материалы и технология» (Москва, 2013).6. IX Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника,материалы и технология» (Москва, 2014).107.
X Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника,материалы и технология» (Москва, 2015).ПубликацииОсновные научные результаты диссертации отражены в 12 [22-25, 90,101, 127, 134, 135, 137, 139, 141] научных статьях, в том числе в 11 статьях изПеречня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий [22-25, 90, 101,127, 131, 135, 137, 139], а также в 7 тезисах докладов [18, 102, 133, 134, 136,138, 140].Личный вклад соискателяВсе работы были выполнены непосредственно автором. Автором личнобыли разработаны: методика исследования продуктов эрозии катода вакуумнодугового испарителя, методика расчёта формы зоны эрозии катода, методикаопределениявременныххарактеристиккатодногопятна,разработанаматематическая модель расчёта тепломассообмена между капелей и плазмойвакуумно-дугового разряда.
Все экспериментальные работы, измерения,обработка экспериментальных данных, разработка расчётных программ быливыполнены автором лично.На защиту выносятся:− зависимости скорости эрозии катода при различных индукциях арочногомагнитного поля для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний);− зависимости формы поперечного сечения профиля эрозии катода отвеличины индукции арочного магнитного поля для различных материалов(титан, алюминий, медь, кремний);− зависимости скорости движения катодных пятен от величины индукцииарочного магнитного поля для различных материалов (титан, алюминий,медь, кремний);− результаты исследования формы капель в конденсате для различныхматериалов (титан, алюминий, медь, кремний);11− функции распределения капель по диаметрам при различных индукцияхмагнитного поля для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний);− зависимости массовой доли капельной фазы в продуктах эрозии отиндукции арочного магнитного поля для различных материалов (титан,алюминий, медь, кремний);− математическая модель процессов тепломассообмена между каплей иплазмой вакуумно-дугового разряда;− результаты расчёта динамики изменения температуры и диаметра капли вдуговом разряде для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний).Соответствие паспорту специальности.Соответствие«Теплофизикаидиссертациитеоретическаяформулеспециальноститеплотехника»(технические01.04.14науки):диссертационная работа посвящена исследованию процессов переноса тепла имассы в плазме вакуумно-дугового разряда и выявлению механизмов переносамассы и энергии при излучении, сложном теплообмене и физико-химическихпревращениях с целью определения влияния арочного магнитного поля нахарактеристики генерации капель в катодном пятне и их испарение в плазмевакуумно-дугового разряда.Отражённые в диссертации научные положения соответствуют областиисследованияспециальности01.04.14«Теплофизикаитеоретическаятеплотехника».Структура и объём работыДиссертация состоит из введения и 5 глав, заключения, спискалитературы.
Диссертационная работа изложена на 187 страницах, содержит113 иллюстрации и 21 таблицу. Библиография включает 176 наименований.Содержание работыДано краткое описание вакуумного дугового разряда и метода вакуумнодугового испарения. Описан основной недостаток метода – наличие в12продуктахэрозиикапельматериалакатода.Сделанобзорнаиболеераспространённых установок вакуумно-дугового испарения. Представлен обзорпредполагаемых механизмов эрозии катода в катодном пятне вакуумной дуги.Под процессом эрозии катода вакуумно-дугового испарителя понимаетсякомплексный процесс уноса материала из катодного пятна, в результатекоторого образуются пары, капли и плазма материала катода.
Рассмотренымеханизмы образования капель в катодном пятне и распространения капель впространстве. Приведены основные характеристики продуктов эрозии катода:нейтрального пара, ионной фазы, электронов и капель. Приведён обзоррезультатов измерений размеров капель, плотности потока капельной фазы искорости движения капель.Описаны различные методы снижения доли капельной фазы: сепараторыкапель различной конструкции и импульсный режим работы испарителя.Оценены их достоинства и недостатки. Описаны особенности примененияарочного магнитного поля для управления движением катодных пятен ипоказано, что использование арочного магнитного поля приводит к снижениюколичества капель в конденсатах. Отмечено, что в настоящее время недостаточно или полностью отсутствуют какие-либо данные по влияниюарочного магнитного поля на скорость эрозии катода и на массовую долюкапель в продуктах эрозии катода.Рассмотрены вопросы испарения капель в плазме дугового разряда, атакже описаны различные модели тепломассообмена капель в плазмевакуумно-дугового разряда.
В зависимости от модели тепломассообменапредсказывается как полное испарение капель в плазме вакуумно-дуговогоразряда, так и доказывается невозможность их испарения. Приведены данные,свидетельствующие о том, что при увеличении концентрации и температурыэлектронов возможно испарение значительной части капель.Во второй главе приведено описание экспериментального вакуумногостенда и экспериментального дугового испарителя с арочным магнитным13полем.Приведеноописаниеметодикизмерений.Проведенаоценкапогрешностей измерений по применяемым методикам.В третьей главе описаны исследования влияния арочного магнитногополя на вольт-амперные характеристики разряда: приведены вольт-амперныехарактеристики в зависимости от величины индукции арочного магнитногополя, показано влияние величины индукции арочного магнитного поля нанапряжениедуговогоразряда.Предложенаматематическаямодель,описывающая влияние индукции арочного магнитного поля на изменениевольт-амперной характеристики разряда.Рассмотрены вопросы влияния арочного магнитного поля на динамикудвижения катодных пятен.
Под катодным пятном понималась ограниченнаяобласть катодной привязки, формирующая на катоде отдельный кратерразмером 50-200 мкм и являющаяся областью интенсивного испарения,ионизации и образования капельной фазы. Предложен способ оценки временижизни катодного пятна, определяющей нагрев локальной области катода.Получены времена жизни катодного пятна, определяющие время воздействияна катод и, соответственно, локальный разогрев материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
