Диссертация (1025198), страница 7
Текст из файла (страница 7)
На окисленнойили грязной поверхности скорость движения катодных пятен может достигатьнескольких сотен метров в секунду [67, 109] (по терминологии [110] такназываемые пятна первого рода), тогда как на чистой металлическойповерхности скорость пятен для титана не превышает 30 м/с [10, 25, 97]. Такпри увеличении магнитного поля от 0 до 150 мТл скорость движения катодныхпятен по титановому катоду увеличивается от 5 до 25 м/с [10] (Рисунок 1.20).При этом количество капель в покрытии может существенно снижаться(Рисунок 1.21) [8, 9, 28].41абРисунок 1.20.Влияние индукции арочного магнитного поля на скорость движениякатодных пятен (титан)Рисунок 1.21.Влияние индукции арочного магнитного поля на количество капель впокрытии TiN [27]Эффективные электронные ловушки, ярким примером которых являетсяарочное магнитное поле, предлагается использовать в работах [5, 26, 27, 91].
Вработе [86] показано, что в осевом магнитном поле с индукцией 100-130 мТл ицилиндрическим анодом, охватывающим систему, температура электроновувеличивается с 2 до 10 эВ, а число капель циркония на подложке уменьшаетсяпочти в 10 раз. В работе [27] сообщается, что число капель TiN уменьшается в 2раза при использовании арочного магнитного поля с индукцией 7 мТл. Сжатиеплазмы в магнитной линзе также приводит к снижению количества капель впокрытии [111].Известно, что помимо этого арочное магнитное поле влияет нанапряжение разряда, на равномерность выработки катода, на размер кратеров42на катоде и на шероховатость покрытия [27].
О влиянии индукции арочногомагнитного поля на массовую долю капель в покрытии, а также о методикерасчёта массовой доли капель данных нет.К настоящему времени проведены масштабные исследования фильтровплазмы различной конфигурации, однако недостаточно раскрыта темаподавления образования и испарения капель в плазме вакуумно-дуговогоразряда. Исследования влияния арочного магнитного поля на вольт-амперныехарактеристики, дисперсный состав капельной фазы и формы капель вконденсатах позволит оценить влияние арочного магнитного поля на процессыобразования капельной фазы. Для оценки возможности испарения капельнойфазы необходимо проведение детальных исследований тепломассообменакапель в плазме.1.6.
Модели тепломассообмена между каплей и плазмой вакуумногодугового разрядаКапли, поступающие в плазму разряда, образуются из жидкой ванны вкратере катодного пятна в результате выдавливания жидкого металла поддействием высокого давления прикатодной плазмы [42]. Таким образом, каплявблизи катодного пятна находится в жидком виде [78]. При пролёте черезразрядный промежуток происходит интенсивный тепломассообмен капли сокружающей плазмой. В результате может происходить либо охлаждениекапли, либо нагрев вплоть до температуры кипения и полного её испарения.Процессы тепломассообмена капли зависят от размера капли, теплофизическиххарактеристик материала капли и от параметров плазмы, в которой онадвижется.Процессытепломассообменаизолированнойкаплиииспарениекапельной фазы в плазме вакуумно-дугового разряда были рассмотрены вработах [79, 87, 94, 112-120].В работе [79] описано взаимодействие медной капли с межэлектроднойплазмой.
При расчёте не учитывалось излучение с поверхности капли, но были43оценены потоки энергии из плазмы на каплю (электронный и ионный токи),испарение капель в процессе полёта и влияние испарённых атомов наконцентрацию нейтральных атомов. При расчётах было принято, что на каплюприходят пучок ионов со стороны катода и электроны. Принималось, чтоскорость направленного движения ионов составляет 1,25·104 м/с, энергияэлектронов составляет 6-9 эВ, капли имеют размеры 1 и 10 мкм, а скоростьдвижения капель составляет 20 и 200 м/с.
Показано, что температура меднойкапли в зависимости от плотности тока на каплю устанавливается за время от1 мкс до 10 мс на уровне 2000-2600 К (Рисунок 1.22).абРисунок 1.22.Результаты термодинамического расчёта, выполненного в [79]а – значение установившей температуры; б – время достиженияустановившейся температурыВ работах [112, 114-115] учитывались также излучение с поверхностикапли и конвективный теплообмен с окружающим газом. Излучательнаяспособность капли была принята постоянной величиной, конкретного значенияуказано не было.
Было принято, что ионы в плазме обладают тепловой энергиейпорядка 1 эВ, энергия электронов составляет 10 эВ. Учтено, что радиусэкранирования Дебая частицы больше, чем диаметр самой частицы. В работебыли получены значения тепловых потоков, приходящих на каплю дляматериалов медь и титан. Было показано, что капли в зависимости от размерамогут как нагреваться, так и охлаждаться. Капли размером 10 мкм и ниже44достигают температуры кипения за значительно меньшее время, чем времяполёта капли до подложки (Рисунок 1.23).В работе [117] рассматривается возможность испарения капель в дуговомиспарителе с магнитным сепаратором.
Рассмотрен случай «горячих ионов»,когда ионы имеют энергию направленного движения гораздо большую, чемэнергия теплового движения; а также случай «холодных ионов», когда ихэнергия близка к тепловой. Оценён вклад в нагрев капли электроннойкомпоненты, потока нейтральных атомов, а также оценены процессыохлаждения за счёт испарения, излучения и термоэлектронной эмиссии.Показано, основной вклад в тепловой баланс капли вносит ионная компонента.Расчёты термодинамики капель были выполнены для капель из графита, атакже W, Cu, Ti, с размером от 1 до 10 мкм, движущихся со скоростью 10-100м/с. В работе оценена возможность нагрева плазмы с помощью микроволновогоизлучения частотой 2,45 ГГц и инфракрасного лазерного нагрева.
Показано, чтоприменениеподобныхспособовдлянагреваииспарениякапельнецелесообразно даже для случая плотной плазмы в магнитных сепараторах.абРисунок 1.23.Результаты термодинамического расчёта, выполненного в [114]а – динамика нагрева медной капли; б – оценка времени полного испарениякаплиОхлаждениекапельвплазмедуговогоразрядабылопоказаноэкспериментально в работе [121], где сообщается, что капли легкоплавкихметаллов осаждаются на подложках, в то время как капли тугоплавких45материалов приходят на подложку в твёрдом состоянии и отскакивают от неё.В работе использован испаритель типа «Булат».Таким образом, в приведённых работах принималось, что размеррассматриваемых капель, как правило, 1 мкм и более.
Принималось, что вплазме присутствует либо направленный высокоэнергетичный пучок ионов состороны катода, либо хаотически движущиеся с тепловыми энергиями ионы.Излучение с поверхности капли в приведённых моделях не учитывалосьвообще, либо излучательная способность принималась равной постояннойвеличине (как правило, α = 0,1). В зависимости от физической моделитепломассообмена между каплей и плазмой, различными авторами былиполучены противоречивые результаты: капли одного и того же размера могуткак нагреваться до температуры кипения и испаряться, так и охлаждаться дотвёрдого состояния.При этом известно, что в плазме дугового разряда могут присутствоватькапли размером несколько десятков нанометров [89], а ионная фаза можетсостоять одновременно из высокоэнергичного ионного пучка и тепловыхионов.
В этом случае при расчёте лучистого теплообмена необходимо вводитькорректировку излучательной способности капли [122-124].Таким образом, в настоящее время не существует модели, позволяющейоценить испарение капель в широком диапазоне размеров (менее 1 мкм) сучётом процессов излучения субмикронных капель и учитывающей в плазмеразряда комбинацию двух ионных компонент. Учёт перечисленных параметровпозволит построить более точную математическую модель тепломассообменакапли в плазме разряда.1.7.
Постановка задачи исследованийНа основании вышенаписанного, можно сформулировать основныезадачи данной работы:1. Исследование влияния величины индукции арочного магнитного поля наинтегральные характеристики вакуумного дугового испарителя (вольт-46амперные характеристики дугового разряда, ширина и форма зоны эрозиикатода, скорость движения катодных пятен по поверхности катода искорость эрозии катода);2. 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;3. Определение функции распределения капель по диаметрам и массовой доликапель в продуктах эрозии катода с учётом формы капель дляколичественной оценки эффективности применения арочного магнитногополя;4.
Разработка математической модели процессов тепломассообмена междукаплей и плазмой вакуумного дугового разряда с арочным магнитнымполем и оценка возможности полного испарения капель с учётом излучениякапель субмикронных размеров и одновременным приходом на каплютепловых ионов и ионного пучка со стороны катода;5. Разработка рекомендаций по созданию систем снижения массовой доликапельной фазы в плазме вакуумно-дугового разряда с арочным магнитнымполем.47ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ2.1. Экспериментальная установкаРаботы проводились на установке вакуумного дугового испарения,разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана на базе вакуумного поста УВН-70А.Вакуумная камера представляла собой цилиндр диаметром 700 мм, длиной500 мм (Рисунок 2.1).
Остаточное разряжение создавалось по двухступенчатойсхеме откачки с помощью насосов Oerlikon Leybold Trivac D65B и OerlikonLeybold Turbovac TW 2401 производительность 18 л/с и 2400 л/с (по азоту)соответственно (Рисунок 2.2). Напуск газа осуществлялся регулятором расходагаза MKS Instr. 2179A. Управление регуляторами расхода осуществлялоськонтроллером MKS Instr. 647C.
Измерение вакуума в вакуумной камерепроизводилось с помощью вакуумметра MKS Instr. Dual Mag 972B. Остаточныйвакуум во всех экспериментальных работах составлял величину не более чем5∙10-4 Па.Рисунок 2.1.Установка вакуумного дугового испаренияИсточником электрического питания для дугового испарителя служилсварочный инвертор EWM Tetrix 230 AC/DC с модулем управления и поджигаразряда, разработанным в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для контроля тока разряда48использовался цифровой амперметр, встроенный в источник питания (точностьизмерения тока ±1 %). Напряжение разряда регистрировалось мультиметромTektronix DMM 4050 с погрешностью 0,0024 %. Характеристики источникапитания приведены в Таблице 2.1.Рисунок 2.2.Вакуумная схема стендаNL – форвакуумный роторно-пластинчатый насос, NR – высоковакуумныйтурбо-молекулярный насос, VM-1 – клапан напуска воздуха в вакуумнуюкамеру, VM-2 - клапан напуска воздуха в высоковакуумный насос, VP-2 –форвакуумный клапан, VP-3 – бойпасный клапан, V – высоковакуумныйзатвор, РРГ-1, РРГ-2 – регуляторы расхода газа; RM-1 – комбинированныйвакууметр (преобразователи магниторазрядный и Пирани); RT-1 –преобразователь давления в формакуумной магистрали (Пирани)Характеристики источника питания дугового разрядаПараметрПитание от сети, ВДиапазон регулирования тока работы, АНапряжение холостого хода, ВМаксимальная потребляемая мощность, кВАМасса, кгГабаритные размеры (ДхШхВ), ммТаблица 2.1.Значение3х38020-200925,219,3600х205х415492.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
