Источник газоразрядной плазмы

Полезная модель относится к технике получения низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах и может быть использовано для очистки, активации, модификации поверхностности металлов и сплавов (азотирование, цементация и др.), а также ионно-плазменного ассистирования при нанесении упрочняющих и защитных покрытий. Технический результат - улучшение равномерности эрозии полого катода источника газоразрядной плазмы и увеличение его срока службы. Для этого в источнике плазмы, состоящем из вакуумной камеры-анода и полого цилиндрического холодного катода, установлено две или более магнитные катушки за счет переключения тока между которыми создается перемещающееся магнитное поле в результирующем максимуме которого удерживается катодное пятно.

Полезная модель относится к технике получения низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах и может быть использовано для очистки, активации, модификации поверхностности металлов и сплавов (азотирование, цементация и др.), а также ионно-плазменного ассистирования при нанесении упрочняющих и защитных покрытий.

Известны генераторы на основе высокочастотного разряда [1] и генераторы на основе тлеющего разряда [2], позволяющие создавать плазму в больших объемах. Однако низкая энергетическая эффективность таких генераторов вследствие высокого напряжения горения, малых разрядных токов и функционирование при относительно высоких давлениях газа ограничивают область их применения.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом, взятым за прототип, является генератор [3] для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы, в котором в качестве полого анода большого размера используется технологическая вакуумная камера, а для инициирования и поддержания газового дугового разряда на внутренней поверхности водоохлаждаемого полого катода принудительно инициируется катодное пятно, локализованное в максимуме тангенсальной составляющей магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой. Магнитная катушка расположена на внешней поверхности полого катода. В процессе горения разряда катодное пятно перемещается по круговой траектории внутри катодной полости. Такой генератор газоразрядной плазмы обычно располагается на одной из стенок вакуумной камеры, а напуск рабочего газа производится через его катодную полость.

В таком генераторе при подаче постоянного напряжения к разрядному промежутку и импульсного напряжения к поджигающему устройству при установлении необходимого расхода рабочего газа между катодным узлом и анодом зажигается и горит дуговой разряд низкого давления, генерирующий низкотемпературную плазму, которая однородно заполняет рабочую камеру. Основным недостатком такого

генератора является ограниченный срок службы полого катода, вследствие выработки узкого участка полого катода в месте функционирования катодного пятна локализованного в максимуме магнитного поля, созданного одной магнитной катушкой. При значительной выработке катода затрудняется горение разряда, вследствие экранировки катодного пятна, а в предельном случае происходит потеря герметичности охлаждаемой водой катодной полости.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение равномерности эрозии полого катода источника газоразрядной плазмы и как следствие увеличение срока службы полого катода.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из вакуумной камеры-анода и полого цилиндрического холодного катода, помещенного в аксиальное магнитное поле, создаваемое одной магнитной катушкой, согласно полезной модели, магнитное поле создано двумя или более магнитными катушками, расположенными на внешней поверхности полого катода.

Кроме того, особенность заявленного источника газоразрядной плазмы заключается в том, что за счет переключения тока в катушках создается магнитное поле с перемещающимся (сканирующим) максимумом тангенциальной составляющей магнитного поля в котором локализовано принудительно формируемое на внутренней поверхности водоохлаждаемого полого катода катодное пятно, служащее для инициирования газового дугового разряда.

На Фиг.1 схематично представлен пример конструкции предлагаемого источника газоразрядной плазмы. Генератор состоит из водоохлаждаемого полого катода 1 (диаметром 100 мм и длиной 200 мм), помещенного в продольное магнитное поле трех коротких магнитных катушек 2. Величина магнитного поля варьируется в пределах 0.1÷3.0×10^-2 Тл. Рабочий газ с расходом 30÷100 мПа×м³×с ^-1 напускается в катодную полость через отверстие 3. Для инициирования катодного пятна используется поджигающее устройство 4 на основе разряда по поверхности диэлектрика. Катодная полость установлена через изолятор 5 на заземленную вакуумную камеру размерами 600×600×600 мм, которая является анодом 6. На торцевой стороне полого катода, под

плавающим потенциалом установлен дугогаситель 7, выполненный в виде стакана с центральным отверстием в своем основании, при этом диаметр центрального отверстия относится к диаметру полого катода как 1/3. В вакуумной камере на подложкодержателе размещены обрабатываемые детали 8.

Генератор газоразрядной плазмы работает следующим образом. При приложенных напряжениях к поджигающему устройству 4 (Uп) и разрядному промежутку Up между полым катодом 1 и полым анодом 6 (вакуумная камера) на внутренней поверхности полого катода инициируется катодное пятно и в полом катоде появляется первичная плазма, через которую анодный потенциал проникает в катодную полость, способствуя зажиганию основного дугового разряда между полым катодом и полым анодом. В скрещенных электрическом поле катодного падения потенциала и продольном магнитном поле, создаваемом магнитными катушками 2, катодное пятно движется по круговой орбите в максимуме напряженности магнитного поля по внутренней поверхности полого катода, причем скорость вращения пятна повышается при увеличении магнитного поля. Для того чтобы затруднить выход катодного пятна на торец полого катода и развитие разряда по поверхности изолятора 5, на торце полого катода установлен находящейся под плавающим потенциалом дугогаситель 7. Электроны, испускаемые катодным пятном и ускоренные в катодном падении потенциала, ионизируют рабочий газ, а продукты эрозии катода (микрокапли, атомы и незамагниченные ионы материала катода) оседают на противоположной от катодного пятна стороне полого катода. За счет переключения тока в катушках, например, используя трехфазный источник питания, или специальную схему коммутации катушек создается перемещающееся магнитное поле, в максимуме которого удерживается катодное пятно. Таким образом, пятно перемещается (сканирует) по внутренней поверхности полого катода, чем обеспечивается равномерная эрозия катода и увеличивается его срок службы.

Источники информации

1. Setsuhara Y., Shoji Т., Sakawa Y. and Miyake S., Production of Inductively-Coupled Large-Diameter RF Plasmas Using Multiple Low-Inductance Antenna Units, Proc. Of 25-th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 2001, Nagoya, Japan, VI, p.p.19-20.

2. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.-И., Бемер 3., Теория и технология азотирования, Москва, «Металлургия», 1991, 320 с.

3. RU №2227362, МПК Н05Н 1/24, H01J 27/02, 2003.

1. Источник газоразрядной плазмы, состоящий из вакуумной камеры-анода и полого цилиндрического холодного катода, помещенного в аксиальное магнитное поле, отличающийся тем, что аксиальное магнитное поле создано двумя или более магнитными катушками, расположенными на внешней поверхности полого катода.

2. Источник газоразрядной плазмы по п.1, отличающийся тем, что за счет переключения тока в магнитных катушках создается перемещающееся аксиальное магнитное поле, в максимуме которого удерживается катодное пятно.