Диссертация (1025198), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Времяфункционирования одной ячейки (эктона) порядка 10-30 нс [37]. На холодномкатоде катодные пятна непрерывно хаотично перемещаются по поверхности,как показано на Рисунке 1.5.В.И. Раховскимвпервыевыдвинутопредположениеовзрывномхарактере процессов в катодном пятне – «взрывной модели» испарениявещества (1970 г.) [33]. В основу «взрывной модели» положено следующеепредставление о процессах в катодном пятне. Пятно может начатьобразовываться в тот момент, когда в присутствии остаточной плазмынепосредственно у какого-либо наиболее подходящего микровыступа наповерхностикатодноепадениеобеспечитвозникновениесильного26электрическогополя,достаточногодляавтоэлектроннойэмиссии.Возникающий при этом автоэмиссионный ток большой плотности (более5·1011 А/м2) потечёт через микроострие и вызовет как омический нагрев, так иразогрев за счёт эффекта Ноттингема. Выделение энергии будет настолькобольшим, что это приведёт к взрывному испарению этого микровыступа.Образовавшиеся в результате этого ионизованные продукты испаренияраспространяются над поверхностью катода и инициируют аналогичноевзрывноеиспарениедругих,соседнихмикроострий.Помереростапроводимости и разрядного тока напряжение падает, приостанавливаетсявзрывное испарение микроострия и снижается эмиссия электронов, плазмаохлаждается, и напряжение снова начинает увеличиваться.
При ростенапряжения снова происходит пробой по одному из микроострий, и описанныйцикл процессов повторится опять.абРисунок 1.5.Перемещение катодного пятнаа – схема перемещения катодного пятна согласно теории Юттнера-Клеберга[34]; б – трек катодного пятнаВ 1971 году сообщается об эффекте взрывной электронной эмиссии наметаллических микроостриях [39]. В работе [40] Г.А. Месяцем и егопоследователями был предложен термин эктон (explosive center – взрывнойцентр) – кратковременная лавина заряженных частиц, испускаемая за счёттеплового микровзрыва на поверхности катода вследствие высокой удельнойэнергии и сильного перегрева металла. Теория взрывной электронной эмиссиииз микроострий была перенесена с импульсных высоковольтных разрядов на27стационарные низковольтные дуги. В работе [41] Г.А.
Месяц предложилэктонную теорию катодного пятна дугового разряда, где эктоны являютсяосновным процессом, обеспечивающим испарение вещества катода.Предполагается,термоавтоэлектронногочтотокаприинициациипроисходитразрядарезкийподджоулевдействиемразогревмикроострия, плавление микроострия на поверхности катода, выдавливаниежидкого металла под действием высокого давления в прикатодной области иобразование жидкометаллических струй. Необходимое давление несколькодесятков атмосфер создаётся прикатодной плазмой высокой плотности [42].Самоподдержание вакуумного разряда происходит за счёт взрывного испаренияжидкометаллических струй, выдавливаемых из зоны функционированиякатодного пятна (Рисунок 1.6) [43].
Инициирование взрывной эмиссиипроисходит при взаимодействии струи с прикатодной плазмой, когда наповерхность струи замыкается ток ионов из плазмы. В перетяжке достигаютсяплотности тока, достаточные для её взрыва и возникновения нового эктона [41].Рисунок 1.6.Модель временного цикла элементарной ячейки катодного пятна [43]Причина самого взрыва не ясна до сих пор, однако предполагается, чтовзрыв происходит в результате резкого вскипания металла. Энергия,необходимая для взрыва, составляет величину порядка 107 Дж/кг. Испарениепроисходит настолько быстро, что вблизи катода образуется облако плазмыбольшой плотности (порядка 1026 м-3), где падение напряжения составляет 2-3потенциала ионизации материала (около 16 В).
Плотность тока в катодномпятне, необходимая для разогрева катода, должна быть не менее 1013 А/м2, чтотребуется для создания необходимой концентрации энергии в металле. Врезультате взрывного испарения материала образуется нейтральный пар,28который впоследствии ионизируетсяблагодаряступенчатойионизацииэлектронным ударом, образуя прикатодную плазму [42].Учёт особенностей быстрого нагрева металла при чрезвычайно высокихплотностях подводимой мощности и электронного тока может вноситьсоответствующие коррективы на процессы испарения в катодном пятне.
Так,например, известно, что при плотностях тока около 109-1010 А/м2 [44-48]наблюдается тепловой взрыв металлических проводников. Плотности тока вкатодном пятне имеют те же значение и выше [36, 49-52].1.4. Продукты эрозии катода вакуумного дугового испарителяВ результате подвода интенсивных тепловых потоков к катоду дуговогоиспарителя в катодном пятне происходит быстрый разогрев, вскипаниематериалакатодасобразованиемлокальнойжидкойванны,выбросиспарённого вещества (паров материала катода), ионизация большей частинейтральных атомов пара и образование капель, вылетающих из жидкой ванныпод действием повышенного давления над поверхностью катодного пятна.Таким образом, в продуктах эрозии дугового испарителя присутствуют: ионы,электроны, атомы металлического пара, жидкие капли материала катода.Энергии ионов по данным исследований [16,17, 53-57] составляют от20 эВ (Li) до 180 эВ (W, Mo).
Ускорение ионов происходит преимущественно врезультате действия газодинамических сил, так как скорость иона практическине зависит от его заряда [58-61]. В процессе разлёта вещества его плотностьменяется от 1026 м-3 в центре катодного пятна до значений 1016 - 1018 м-3 на егопериферии [33, 35, 62-63]. При этом величина скорости ионов зависит отматериала катода и слабо зависит от заряда иона и составляет от 0,6·104 до3·104 м/с, что составляет несколько десятков электрон-вольт. Скорости ионовизмерялись в дугах постоянного тока методом отклонения маятника имногосеточным зондом [16, 53, 56, 64] и в импульсных дугах методом резкогоизменения значения тока дуги [53, 65].
В работе [16] скорости ионовимпульсного дугового разряда были измерены линейной комбинацией29одноэлектродных зондов. Во всех работах были получены схожие результаты.В то же время имеются данные о том, что ионы в плазме представляют собойхаотически движущиеся с тепловой энергией частицы – «тепловые ионы» [64,66-67]. Энергия тепловых ионов составляет порядка 0,2-3 эВ.Ионный ток, который можно извлечь из плазмы без гашения разряда,строго пропорционален току разряда. В среднем, собранный чашей Фарадеямаксимальный ионный ток из плазмы разряда составляет от 7 до 15% взависимости от материала катода [68-70].Плазма вакуумного дугового разряда является почти полностьюионизованной.
Степень ионизации плазмы была измерена зондовым методом исоставляет от 15 до 100 % в зависимости от материала катода и расстояния откатода [71]. Значение средней кратности ионизации иона, полученное спомощью масс-спектрометра, составляет от 1 до 3 в зависимости от материалакатода [53, 56, 65, 72, 73]. К сожалению, механизм ионизации до сих пор доконца не исследован, но предполагается, что основным механизмом являетсяступенчатая ионизация в плотной прикатодной плазме. При этом естьоснования полагать, что ионизация происходит при испарении, аналогичнопроцессам при импульсном воздействии лазерного излучения с высокойплотностью мощности.Измерение температуры электронов в вакуумно-дуговом разряде спомощью зонда Ленгмюра и спектральными методами дали схожие результатыот 1 до 10 эВ [36, 53, 63, 74-76].Параметры нейтральных атомов оценивались в работах [77-79].
Показано,что доля атомов в продуктах эрозии катода составляет 1 % и менее. Энергиянейтральныхатомовсоответствуетэнергиитепловогодвижениястемпературой, близкой к температуре кипения материала катода. При этомустановлено, что места рождения ионов и атомов не совпадают: ионырождаются из области катодного пятна, в то время как нейтральные атомы вразряде являются результатом испарения жидкого металла после перемещениякатодного пятна [80, 81].30Помимо ионов, электронов и нейтральных атомов из области катодногопятна эмитируется большое количество капель (Рисунок 1.8), которыеосаждаются в конденсате на подложке и снижают эксплуатационныехарактеристики покрытия [82].Рисунок 1.8.Крупные капли, эмитируемые катодным пятном на кремниевом катодеВ работах [8, 34, 78, 83-94, 97] проводилась оценка количества капель вконденсатах,полученныхметодомвакуумногодуговогоиспарения.Исследования большей части работ проводились на дуговых испарителях безвнешнего магнитного поля или с расходящимся магнитным полем.
Проведеныисследования пространственного распределения капельной фазы и размеровкапель в покрытии. Размеры капель составляют от сотен нанометров додесятков микрометров. Причём, количество капель на подложке увеличиваетсяс уменьшением диаметра капель, что видно из полученных авторамизависимостей плотности капель от размеров (Рисунок 1.9). Капли размеромменее 0,5 мкм практически не исследовались. Типичный размер капельсогласно опубликованном данным составляет 1-2 мкм [95]. Причём, доля капельдиаметром 1 мкм и более в общем массопереносе по данным [96, 97] можетпревышать 90 %.Распределениераспределенияпотокапотокакапельионовснеизотропнокатода.Каплииотличаетсяотраспространяютсяпреимущественно по касательной к катоду [28, 97], в то время как потокиспарённого материала (ионы, нейтральный металлический пар) подчиняетсязакону косинуса [98] (Рисунок 1.10).31Рисунок 1.9.Зависимость количества капель от их размера при различных токах разряда I,индукции продольного магнитного поля B и длительности импульсногоразряда τ [86]1, 2 – B = 0; 3 – B = 130 мТл; 4 – B = 85 мТл; 1, 3 – I = 60 A; τ = 300 мкс;2, 4 – I = 150 A, τ = 900 мксабРисунок 1.10.Распределения эмитируемых компонент плазмы в пространстве [97]а – плотность ионного тока; б – объём капельной фазы на единицуповерхностиСкорость капель в потоке испарённого вещества оценивается от 3 до1000 м/с [83, 88, 99].
В работах [88, 100] сообщается, что скорости капельпропорциональны температуре плавления и для меди наиболее вероятноезначение скорости составляет около 150 м/с (Рисунок 1.11). Скоростиизмерялись оптическим методом. В работе [42] приводится аналитическаязависимость скорости капель от параметров материала катода, полученная измодели гидродинамического давления на поверхность расплавленного металла:32γ iVi I e1Vк = 22 π (1 − α ) ate ρ 1/2,(1.1)α= ti / (ti + te ) ≈ 0, 2 ,1/22aγ i = ρ (1 − 2α ) ,3hгдеα–относительнаядолядлительностиионногоциклаприфункционировании ячейки катодного пятна; γi – удельная ионная эрозия; Vi –скорость ионов, м/с; te – время цикла ячейки катодного пятна (эктона), с; ti –длительность прихода обратных ионов на катод при инициировании новойячейки катодного пятна (эктона), с; ρ - плотность материала катода, кг/м3; Ie –ток, протекающий через ячейку (эктон), А; a – температуропроводностьматериала катода, м2/с; h ≈ 1017 А2с/м4 – характеристика материала катода впроцессе адиабатического нагрева.Рисунок 1.11.Гистограмма распределения скорости для медных капель [100]Оценки скорости капель дают результаты от 50 до 300 м/с.
В работе [97]приводятся значения скорости капель порядка 1-30 м/с. Заниженные значениясвязаны с ограничениями скорости механического затвора при проведениирегистрации.33В конденсате капли могут быть как плоской формы, так и сферической [8,83, 84, 92, 101, 102]. На Рисунке 1.12 приведены отпечатки капель различнойформы, соответствующие различным материалам. По форме капель можнокосвенно судить о фазовом состоянии капли, приходящей на подложку [84].Подробных исследований формы капель на подложках не проводилось.абРисунок 1.12.Капли различной топологии, наблюдаемые на подложкаха – капли титана сферической формы [103]; б – плоские медные капли [34]По данным [80, 83, 95, 97] массовая доля капель в покрытии можетсоставлять от 8 до 90 % в зависимости от особенностей дугового испарителя иот материала катода. Описания и методики расчёта массовой доли капель вконденсатах не приводятся.Величина индукции расходящегося магнитного поля влияет на скоростьэрозии дугового испарителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
