Диссертация (1025198), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В работе [97] показано, что скорость эрозииматериалакатодаснижаетсяна20-30 %приувеличениииндукциирасходящегося магнитного поля от 0 до 18 мТл (Рисунок 1.13). В работе [11]сообщается, что скорость эрозии снижается при наложении арочногомагнитного поля, однако точных количественных данных о влиянии индукцииарочного магнитного поля на скорость эрозии и на процессы эрозииотсутствуют.В работе [15] приводятся данные о снижении относительного количествакапель и площади, занимаемой каплями, в установках с расходящимсямагнитном полем и с арочным магнитным полем.
При этом исследованиякасались капель с размером более 0,5 мкм, форма капель не исследовалась,34работа была построена на допущении, что капли в конденсатах сферические, неучитывались капли, полностью скрытые слоем материала.Рисунок 1.13.Снижение скорости эрозии материала катода дугового испарителя приувеличении индукции расходящегося магнитного поляНесмотря на большой объём исследований в области продуктов эрозиикатода вакуумно-дугового разряда, недостаточно внимания было уделеноисследованиям капельной фазы и влиянию на дисперсные характеристикикапельной фазы различных параметров и условий разряда. Исследованиеформы, объёма капель в конденсате и дисперсных характеристик капельнойфазы в продуктах эрозии катода дугового вакуумно-дугового испарителяпозволит получить функции распределения капель по размерам, рассчитатьмассовую долю капель, определить размеры капель, переносящих основнуючасть массы капель.
Это также позволит получить исходные данные, такие какразмеры капель, дающих наибольший вклад в массовую долю капель, длядальнейших расчётов тепломассообмена капли в плазме разряда.1.5. Методы снижения доли капельной фазы в продуктах эрозииКапли материала катода в продуктах эрозии катода дугового испарителяснижают эксплуатационные характеристики осаждённых покрытий, потомуостро стоит задачи снижения массовой доли и количества капель.
Подобныезадачи решаются либо применением различных фильтров потока (сепараторыплазмы), либо подавлением образования капельной фазы.35Действие электростатических фильтров основано на использованииэкрана между источником плазмы и подложкой перпендикулярно или подуглом к потоку плазмы и микрокапель (Рисунок 1.14,а) [5,95]. Экран, какправило, находится под плавающим потенциалом. Существуют решения, когдана экран подаётся положительный потенциал, и он также являетсядополнительным анодом. Большая часть капель осаждается на экране. Какправило,подобныеосесимметричнымсистемымагнитнымприменяютполемдлясовместносфокусирующимувеличенияэффективностисепаратора.
Применение электростатических сепараторов в большой мереограничено из-за больших потерь ионного тока на экране.абвРисунок 1.14.Электростатический и механические сепараторы плазмы1 – плазменный поток, 2 – микрокапли, 3 – катод, 4 – экран;а – электростатический сепаратор; б, в – механические сепараторыразличных конструкцийМеханические фильтры способны снижать количество капель безперекрытия прямого пути между катодом и подложкой. Подобные решениядостаточно эффективны, так как позволяют практически полностью устранитькапли из продуктов эрозии и незначительно снижают ионный ток на подложку.На Рисунке 1.14,б капли, имеющие по сравнению с ионами небольшиескорости, движутся сквозь вращающуюся со скоростью порядка 20004000 об/мин систему лопаток и оседают на них [83].
Ионный поток проходитчерез сепаратор практически без потерь. На Рисунке 1.14, в приведена другаясистема механического фильтра с вращающимся катодом. В приведённой36конструкции при вращении катода со скоростью несколько тысяч оборотов вминуту, подавляющая часть капель движется под острым углом к катоду из-зацентробежных сил [104]. Сравнительное действие такой системы приведено наРисунке 1.15.Рисунок 1.15.Действие механического сепаратора капель с вращающимся катодом [104]Подобные механические системы, несмотря на свою эффективность, неприменяются из-за сложности осуществления высокоскоростных вводоввращения в вакуум.Магнитные фильтры основаны на разделении ионной и капельной фазыпо массе при движении плазмы в продольном магнитном поле (Рисунок 1.16).Индукция магнитного поля в центре плазмовода составляет порядка50-100 мТл.
В осесимметричном магнитном поле электроны замагничены идрейфуют вдоль силовых линий магнитного поля. Ионы не замагничены, новследствие амбиполярной диффузии движутся вдоль траекторий дрейфаэлектронов.Такимобразом,возможнонаправлятьдвижениеионнойкомпоненты вдоль криволинейной траектории.
Капли в разряде движутся попрямолинейной траектории и попадают на стенки плазмовода. Существуютплазмоводы различной формы: 45о, 90о, 270о, S-образный и др. Подобныесистемы позволяют отфильтровать до 99 % капель. Для увеличения выходаионного тока на стенки плазмовода подают потенциал от +10 до +25 В.Недостатком решений является снижение ионного тока в 7-10 раз и более.Другими менее значимыми недостатками являются крайне неоднородное37распределение плотности выходного плазменного потока и малая эффективнаяплощадь поперечного сечения потока (не более нескольких десятковквадратных сантиметров) [4,95].абвРисунок 1.16.Различные конструкции магнитных сепараторов [4]В сепараторе капель типа «купол» катод заграждён экраном, по аналогиисэлектростатическимкерамическимфильтром.изолятором.ВблизиРазрядгориткатоданаанодэкранированбоковойповерхностицилиндрического катода, ионный ток вслед за электронной компонентойнаправляется в сторону подложки с помощью куполообразного магнитногополя (Рисунок 1.17,а) [105].
Максимальный ионный ток, который удалосьполучить на выходе из сепаратора, составляет 3,5 % от тока разряда.Всепараторе«магнитноезеркало»(Рисунок1.17.б)примененаэлектронная ловушка в магнитном поле, линии которого перпендикулярнылиниям электрического поля E × B . Подложки не лежат в прямой видимостикатода, а стенки камеры закрыты экранами под плавающим потенциалом,которые препятствуют уходу электронов на стенки камеры.
Данные обэффективности такого фильтра не приводятся.Существенный недостаток электростатического фильтра был устранён всепараторе типа «магнитный остров» (Рисунок 1.18). В подобных системахотсутствует прямая видимость между катодом и подложкой, но потери ионноготока снижаются благодаря применению дополнительной магнитной системыэкрана. В то же время экран является дополнительным анодом, на которыйподаётся положительный потенциал. Подобные системы позволяют снизитьчисло капель на подложке на 2 порядка [34].38абРисунок 1.17.Магнитные сепараторы типа «купол» и «магнитное зеркало»а – «купол»; б – «магнитное зеркало» [34]; 1 – плазменный поток, 2 –микрокапли, 3 – катод, 4 – экран; 5 – магнитная системаСхема«концентрическиежалюзи»(Рисунок1.19)аналогичнаэлектростатическому способу фильтрования плазмы, но эффективность такойсистемы достигает 7 % от тока разряда.
При этом капли фильтруются недостаточно эффективно, так как существует большая возможность рикошетакапли, особенно для тугоплавких материалов.Рисунок 1.18.Сепаратор плазмы «магнитныйостров»1 – плазменный поток, 2 –микрокапли, 3 – катод, 4 – магнитнаясистема; 5 - экранРисунок 1.19.Сепаратор плазмы «концентрическиежалюзи»1 – плазменный поток, 2 –микрокапли, 3 – катод, 4 – магнитнаясистема; 5 - экран39Помимо механического отделения капельной фазы от плазмы дуговогоразряда существует ряд методов, позволяющих подавить образование капель накатоде. К этим методам относятся импульсный режим работы вакуумногодугового испарителя и увеличение скорости движения катодных пятен впоперечном магнитном поле. Подобные методы обеспечивают существенноеснижение концентрации капель в плазме, но не решают проблему полного ихудаления.Рисунок 1.18.Сепаратор плазмы «магнитныйостров»1 – плазменный поток, 2 –микрокапли, 3 – катод, 4 – магнитнаясистема; 5 - экранРисунок 1.19.Сепаратор плазмы «концентрическиежалюзи»1 – плазменный поток, 2 –микрокапли, 3 – катод, 4 – магнитнаясистема; 5 - экранФормирование покрытий с помощью импульсных вакуумно-дуговыхисточников плазмы помимо пониженного содержания капель в генерируемойплазме имеет ряд других достоинств.
В таких источниках при правильномподборе амплитуды и скважности импульсов разрядного тока может нетребоваться принудительного охлаждения электродов и практически несуществует проблемы удержания катодного пятна на рабочей поверхностикатода. Ток разряда составляет величину от 100 до 5000 А при длительностиимпульса от 2 до 1000 мкс.Системы питания импульсного дугового разряда существенно сложнее идороже, чем источники питания стационарной дуги. Для импульсных системактуальна проблема поджига разряда. Электроразрядные системы имеют40незначительный ресурс работы.
При ресурсе устройства порядка несколькихтысяч импульсов, время работы испарителя составляет не более несколькихминут. Инициация дуги с помощью лазера связана с проблемой запыленияокна, через которое вводится лазерное излучение, продуктами эрозии катода.Помимо этого, лазерные системы значительно повышают стоимость установки[95, 106].Альтернативным методом снижения массовой доли капель в покрытииявляется применение дуговых испарителей с арочным магнитным полем.
Внастоящее время подобные схемы находят применение в промышленныхустановках для нанесения покрытий [90, 107, 108].Арочное магнитное поле представляет собой набор силовых линий вформе дуг (арок), концами упирающихся в катод. При этом пространство подвершинами арок образует на поверхности катода замкнутую дорожку, покоторой перемещаются катодные пятна. Поле такой конфигурации впервыебыло предложено И.Г.
Кесаевым и В.В. Пашковой [7] для удержания катодногопятна на поверхности катода дугового испарителя. Фактически, в областикатодного пятна ток разряда всегда перпендикулярен линиям магнитного поля,которые в этом месте параллельны поверхности катода. Значение скоростидвижения катодных пятен зависит от материала катода, чистоты поверхностикатода, величины внешнего магнитного поля и тока разряда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
