Высокоресурсный электродуговой плазматрон постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Высокоресурсный электродуговой плазматрон постоянного токА

А.Ф. Пискунков*, В.А. Рябый*, В.В. Свотина*, Х.-Дж.Ли+, В.Ю. Плаксин+

* Федеральный государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики, Москва, Россия

+ Национальный университет г. Чеджу - г. Чеджу, Республика Корея

Представлены два варианта конструкции нового электродугового плазматрона, даны их конструктивно-сборочные чертежи и спецификации. Приведены результаты измерений удельной эрозии анода, оказавшейся на 4-5 порядков величины ниже традиционного уровня. Рассмотрены выявленные к настоящему времени особенности рабочего процесса нового источника плазмы: вид вольт-амперной характеристики разряда, указания на диффузный характер анодной привязки дуги, проявления химической активации газов, подаваемых в технологический канал плазматорона.

В работе [1] предложен новый электродуговой плазматрон постоянного тока с горячим стержневым катодом (вольфрам, легированный 2% двуокиси тора, лантана или церия) и холодным сопловым анодом (водоохлаждаемая медь). Его новизну определила специальная конструкция анода, обеспечившая вихревой и распределённый характер анодной привязки дуги, что привело к резкому снижению скорости эрозии медного анода. В [2] изучались вольт-амперные характеристики данного источника плазмы, а в [3] были представлены результаты проведения с его помощью плазмохимического процесса реформирования дизельного топлива в синтез-газ (смесь водорода H2 с угарным газом CO). Подача на вход дизельного двигателя небольшого количества этой горючей смеси привела к снижению содержания токсичных окислов азота NOx в выхлопных газах двигателя. Помимо указанной работы, в лаборатории проф. Ли Х.Д. университета г. Чеджу выполнены также успешные попытки применения данного плазматрона для проведения гетерогенных плазмохимических процессов осаждения и травления тонких плёнок на кремниевых пластинах [4]. Результаты этих исследований указывают на вполне определённую перспективу использования нового плазматрона для решения и других технологических задач как гомогенной плазмохимии, например, снижения токсичности выхлопа газотурбинных двигателей путём плазменной поддержки горения топлива, так и гетерогенных процессов типа формирования наноструктур на поверхности твёрдотельных подложек.

В упомянутых публикациях новый плазматрон представлен в виде принципиальных схем, недостаточно полно раскрывающих техническую суть перспективного технологического инструмента. Кроме того, разные этапы изучения поведения дугового разряда необычной формы и, в частности, его анодной привязки и удельной эрозии холодного анода и горячего катода отражены в разрозненных публикациях. В этой связи появилась необходимость в рамках единой статьи рассмотреть оба проверенных в изготовлении и испытанных варианта конструкции данного плазматрона, а также представить все имеющиеся факты о поведении разряда и элементов конструкции в ходе продолжительных испытаний.

Ресурс электродуговых плазматронов постоянного тока определяется эрозией их электродов - анода и катода. Остальные элементы их конструкции разрушаются незначительно и практически не ограничивают срока жизни устройства. В традиционных электродуговых плазматронах постоянного тока используют горячий (термоэмиссионный) стержневой катод и холодный (водоохлаждаемый) сопловой анод.

Обычно стержневой катод выполняют из вольфрама, легированного 1,5-2% двуокиси тория или лантана для снижения работы выхода эмиттирующей поверхности. В силу высокой химической активности горячего вольфрама такие катоды должны работать в нейтральной газовой среде, например, в аргоне или азоте. Ранее выполненные исследования уноса массы горячих вольфрамовых катодов показали, что их удельная эрозия составляет mw ~10-9 г/Кл ([5], с.26; [6], сс.252-256). Этот же порядок величины подтвердили также и значительно позднее проведённые эксперименты [7], давшие в результате тщательных измерений mw ~510-9 г/Кл. В этой работе регистрация поля температур на кончике вольфрамового катода и его видеосъёмка при токе дуги 200 А выявили локальный нагрев катода до температуры плавления вольфрама T=3653 K=3380C. Тем самым было установлено, что ток дугового разряда в исследованных устройствах был обеспечен не только термоэлектронной эмиссией торированного вольфрама, но и жидкометаллическим механизмом катодной привязки дуги. Отметим, что приведённый результат [7] был получен при работе плазматрона на токе дуги 200 А в течение 1 часа. Таким образом на данном режиме катод терял 10-6 г/с, т.е. за месяц (720 час.2,5106 с) он потерял бы ~2,5 г, или ~129 мм3 вольфрама, которые можно представить себе как укорочение катода диаметром 4 мм примерно на 10 мм или такое же удлинение дуги.

Водоохлаждаемый анод, обычно медный, разрушается значительно быстрее - его средняя удельная эрозия на 4 порядка величины выше: mCu ~10-5 г/Кл ([6], сс.274-276; [8], с.428). Следовательно, эрозия анода традиционного электродугового плазматрона является ограничивающим фактором для его ресурса, который едва ли превысит величину ~101 час. При этом существенным моментом является также и загрязнение плазмы парами меди, что резко ограничивает круг технологических применений обычных плазматронов.

Такое положение дел с указанными источниками плазмы существует давно, с момента их изобретения. Это прискорбно, поскольку данные устройства просты по конструкции, недороги в изготовлении и безопасны в эксплуатации, что делает их привлекательным технологическим инструментом. Поэтому задача уменьшения эрозии анода электродуговых плазматронов постоянного тока, эквивалентная задаче повышения ресурса этих источников плазмы представляется полезной и актуальной. Её решение упростило бы внедрение высоких плазменных технологий в производство и исследовательскую практику. Таким образом если эрозию анода удалось бы довести, по крайней мере, до уровня уноса массы горячего вольфрамового катода, то ресурс плазматрона в целом удалось бы поднять до величин порядка 103 час. Эта оценка особенно верна при ограничении тока дуги умеренными значениями не более 100 А.

Т-плазматрон

В работах Дудникова Ю.С. с сотрудниками из Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР (см., например, [9]), а также Ясько О.И. и сотрудников из Интститута тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова (см., например, [10]) было установлено, что для фиксации привязки электрической дуги постоянного тока в трубчатом анодном канале необходимо в поток плазмы ввести локальное газодинамическое возмущение. Таким фиксатором может послужить либо кольцевой вихрь на ступеньке внезапного расширения трубчатого канала (применительно к реальной конструкции это решение представлено в [11]), либо радиальный вдув дополнительного потока газа. Локализация анодной привязки в такой ситуации по-видимому обусловлена снижением давления в газовом вихре и соответствующим уменьшением энергозатрат на поддержание горения дуги. Вероятнее всего здесь проявляется известный принцип минимума Штеенбека.

Исходная задача разработки высокоресурсного плазматрона состояла не только в создании некоей вихревой зоны на рабочей поверхности анода для подобной фиксации анодного пятна дуги постоянного тока, но и в увеличении площади пятна. Это привело бы к снижению плотности тока в опорном пятне дуги и, следовательно, к уменьшению скорости эрозии материала анода. Первым успешным решением данной задачи оказался Т-плазматрон, в котором цилиндрический анодный канал традиционного плазматрона со стержневым катодом и сопловым анодом был подсоединён к широкой стенке поперечного плоского канала подачи технологического газа. Идею такого плазматрона впервые высказал сотрудник Государственного института азотной промышленности Ю.Л.Родимов, который начал лабораторные исследования подобного устройства, но в дальнейшем, к сожалению, их прервал. Схема этого плазматрона, имеющего проточный тракт в виде буквы Т (отсюда и название “Т-плазматрон”), представлена на Рис. 1. На Рис. 2 дан конструктивно-сборочный чертёж одного из вариантов Т-плазматрона с расшифровкой позиций чертежа в Табл. 1 - спецификации деталей устройства.

Рис. 1 - Схема Т-плазматрона, подготовленного к реформированию углеводородного топлива в синтез-газ (смесь водорода с угарным газом): 1- катод, 2- подача аргона, 3- анод, 4- подача топлива, 5- форсунка, 6- подача воздуха, 7- камера смешения, 8- технологический канал, 9- камера реформирования, 10- к газоанализатору; lAK - расстояние анод-катод, dA и lAH - диаметр и длина анодного канала соответственно

Рис. 2 - Вариант конструкции Т-плазматрона (анодный выходной канал 2 мм, технологический канал 43 мм, мощность до 4 кВт)

Таблица 1 - Спецификация деталей данной модели Т-плазматрона

1) Машинообрабатываемая окись алюминия Alumina 998 (корунд 99,8%) производства фирмы Vesuvius McDanel Co., США: www.vesuviusmcdanel.com/materials

2) Штуцер One-touch fitting connector Series KV2 (под нейлоновую трубку Ш8х1,25 мм; монтажная резьба 1/8" конич.) производства SMC Corp. of America, США: www.smcetech.com

Здесь на входе в технологический канал плазматрона установлена топливно-воздушная форсунка для реформирования смеси воздуха с парами горючего в синтез-газ. Поток данного технологического газа должен был взаимодействовать с поперечно вдуваемым потоком аргоновой плазмы, в результате чего могло возникнуть вихревое движение смешивающихся газов с соответствующим локальным понижением статического давления. Реальность такого предположения мог подтвердить только эксперимент и, в частности, оценка уровня эрозии анода.

Из схемы видно, что при давлении аргона в газоразрядной зоне не ниже статического давления на выходе из анодного канала технологический газ не может вступить в контакт с раскалённым вольфрамовым катодом. Таким образом была обеспечена защита катода плазматрона и работоспособность генератора плазмы в целом.

В качестве источника электропитания устройства использовался сварочный инверторный выпрямитель MICRO 350X со встроенным высоковольтным ВЧ осциллятором поджига дуги (производства Кореи). Он позволял запускать плазматрон при межэлектродных расстояниях lАК 14 мм (отсчитывались согласно схеме на Рис. 1). Сглаживающий фильтр инвертора обеспечивал пульсацию тока и напряжения дуги порядка 25% в диапазоне частот 103…106 Гц.

Особенности рабочего процесса Т-плазматрона

На Рис. 3 показан работающий Т-плазматрон, а на Рис. 4 - его вольт-амперные характеристики для тока дуги до 140 А при межэлектродных расстояниях lАК= 2 и 9 мм.

Рис. 3 - Работающий Т-плазматрон

Рис. 4 - Вольт-амперные характеристики Т-плазматрона для двух различных величин межэлектродного расстояния dA=2.3 мм, lА=4 мм; QArК= QArT=5 л/мин; lAК = 2 и 9 мм (здесь длина дуги составила 6 и 13 мм)

Факт получения распределённой анодной привязки дуги могли бы косвенно подтвердить измерения эрозии анода плазматрона. В качестве первого шага были предприняты продолжительные запуски Т-плазматрона, когда он работал в течение полного рабочего дня несколько дней подряд с визуальным контролем состояния рабочей поверхности анода (анодного канала и прилегающих поверхностей на входе и выходе). Ничего тревожного не было обнаружено за исключением некоторого скругления острой кромки на входе в анодный канал.

Измерения скорости эрозии анода весовым методом были выполнены за время непрерывной работы плазматрона в течение 12 час. Начальный вес анода 03 (Рис. 2) определялся после его просушивания и протирки спиртом с использованием лабораторных аналитических весов, имеющих точность отсчёта массы 0,1 мг=10-4 г: МA0= 25,8632 г. Через 12 час. масса анода уменьшилась на МА=1,1 мг. Параметры плазматрона были при этом следующими: диаметр анодного канала dA=2,5 мм, межэлектродное расстояние lАК=6 мм, ток дуги I=50 A, напряжение U=16 В, расход аргона через катодный узел QArK=2 л/мин., расход воздуха в технологическом канале QBT=10 л/мин. Таким образом удельная эрозия материала анода составила

(1)

В последующих экспериментах удельная эрозия анода измерялась ещё более тщательно. Тёмный налёт внутри анода снимался не только спиртом, но и четырёххлористым углеродом. Был принят во внимание унос материала анода стартовыми импульсами осциллятора, для чего провели 20 стартов дуги на токе в 100 А и получили результат ~0,14 мг/пуск. Время непрерывной работы плазматрона при этом же токе разряда составило 29=18 час.=6,48104 с (два цикла по 9 час. с перерывом на ночь). Параметры разряда: dA=2,5 мм, lАК=2 мм, напряжение дуги U=12,5 В, QArK=2 л/мин., QBT=20 л/мин. При МA0= 99,5479 г унос массы составил МА=2,6 мг. За вычетом 0,28 мг, унесённых двумя пусковыми импульсами осциллятора, получили:

По сравнению с удельной эрозией анода традиционных плазматронов (mCu ~10-5 г/Кл - см. выше) имеем снижение почти на 5 порядков величины, что достаточно уверенно указывает на реализацию искомой формы распределённой анодной привязки дуги.

Далее было организовано визуальное наблюдение взаимодействия течения технологического газа с поперечным потоком аргоновой плазмы из анодного канала плазматрона. Для этого выполнили сквозное отверстие диаметром 8 мм в корпусе плазматрона напротив выхода аргоновой плазмы из анодного канала и пропил ширины 8 мм в боковой стенке технологического канала. Последний был закрыт со стороны аргоновой струи кварцевой пластинкой толщиной 1 мм. С помощью линзы, установленной напротив отверстия в корпусе, было получено изображение плазменного потока в технологическом канале, показанное на Рис. 5:

Рис. 5 - Поток аргоновой плазмы, отклоняемый поперечным потоком технологического газа

Параметры плазматрона в этом эксперименте были следующими: диаметр анодного канала dA=2,5 мм, межэлектродное расстояние lАК=4 мм, ток дуги I=50 A, напряжение U=14 В, расход аргона через катодный узел QArK=2 л/мин., расход воздуха в технологическом канале QВT=10 л/мин. Предполагалось, что в дальнейшем боковое окно в тракте Т-плазматрона будет использовано для проведения спектральной диагностики плазмы.

Изображение потока аргоновой плазмы, сносимого поперечным течением технологического газа (воздуха), не давало информации о вихревом движении газов. Поэтому следующим шагом в изучении течения газовой смеси была организация длительного воздействия воздуха, нагретого и, возможно, частично активированного аргоновой плазмой, на свежую поверхность медного технологического канала. Зона взаимодействия имела следующие размеры: технологический канал 13.5x3 мм, анодный канал dA=2,5 мм, межэлектродное расстояние lAК 3,4 мм; параметры разряда - ток дуги I=100 A, напряжение U=14 В, расход аргона через катодный узел QArK=2 л/мин., расход воздуха в технологическом канале QВT=10 л/мин. После работы плазматрона в течение 9 час. на стенках технологического канала остались следы от воздействия горячих зон области взаимодействия двух струй. На Рис. 6 можно видеть такой след на широкой стенке технологического канала, к которой подсоединён анодный канал:

Рис. 6 - След на “дне” технологического канала от плазменного вихря, возникающего при отклонения потока аргоновой плазмы поперечным потоком технологического газа

На противоположной стенке образовался такой же след, который выглядел аналогично. Видно, что зона взаимодействия двух струй имеет поперечный размер, в несколько раз превосходящий диаметр анодного канала. Рассмотрение отпечатавшейся фигуры указывает на образование вихря, примыкающего к кромке анодного канала, к которой наклоняется сносимая воздушным потоком струя аргоновой плазмы (см. рис. 5), причём средняя часть вихря ориентирована поперёк технологического канала, а его концы смещены в обе стороны от оси технологического канала и вдоль потока, образуя нечто похожее на “усы”. Температура газа в этих ”усах” повышена, о чём свидетельствует “автограф” течения на стенке канала. Вполне возможно, что по крайней мере средняя высокотемпературная часть этого “автографа” и послужила распределённой анодной привязкой дуги, которая во много раз уменьшила эрозию материала анода. Сопоставляя Рис. 5 и Рис. 6, можно сделать ещё один важный вывод: судя по размеру и рисунку отпечатка вихревой зоны на обеих широких стенках технологического канала, вихрь имел диаметр равный высоте технологического канала и заполнял собой всё его поперечное сечение. Таким образом представляется логичным предположить, что в Т-плазматроне через посредство обсуждаемого вихря аргоновая плазма передаёт тепловую энергию потоку технологического газа, прогревая его практически по всему сечению, что весьма важно для проведения в этом плазматроне плазмохимических реакций.

Приведённые рассуждения стимулировали попытку применения нового плазматрона для технологических целей. В качестве пробного процесса было избрано плазмохимическое травление плазмостойкого фоторезиста TDMR-AR81 (производства Кореи) толщины 1 мкм на монокристаллической кремниевой пластине с помощью струи активированного в плазме кислорода. Первую попытку провели при атмосферном давлении. Параметры плазматрона были следующими: диаметр анодного канала dA=2,5 мм, межэлектродное расстояние lАК=2 мм, ток дуги I=50 A, напряжение U=14 В, QArK=2 л/мин., расход кислорода в технологическом канале QКсT=10 л/мин. В этом варианте травление фоторезиста отсутствовало даже при приближении кремниевой пластины вплотную к выходному отверстию технологического канала в корпусе плазматрона. Видимо при атмосферном давлении скорость рекомбинации активированного кислорода столь велика, что на расстоянии ~30 мм от струи аргоновой плазмы до среза выходного отверстия в корпусе плазматрона степень активации кислорода успевала снизиться до нуля. Следующую попытку повторили в вакуумной камере с откачкой механическим насосом, поддерживавшим динамический вакуум Р~3 Торр при указанных расходах газов. Особенностью этого опыта был поджиг дугового разряда с помощью осциллятора выпрямителя MICRO 350X. При пуске плазматрона в вакууме катодная привязка разряда уходила с кончика катода в его заделку в корпусе, плавила керамический изолятор и гасила дугу. Причиной явился уход параметра Pd=0,6 Торрсм плазматрона на левую ветку кривой Пашена для аргона. В результате минимум этой кривой, определяющий пробой межэлектродного промежутка и поджиг дуги, стал соответствовать увеличенным межэлектродным расстояниям. Для преодоления этой трудности до начала откачки камеры или на её начальной стадии подложка закрывалась заслонкой, и включался запуск плазматрона. Откачка камеры с работающим плазматроном продолжалась до достижения давления Р~3 Торр, затем заслонка резко отводилась в сторону, что служило началом отсчёта времени процесса.

В данном эксперименте кремниевая пластина с фоторезистом была установлена на расстоянии 20 мм от среза выходного отверстия в корпусе плазматрона, т.е. на расстоянии 50 мм от струи аргоновой плазмы, истекающей из анодного канала. При названных выше параметрах плазматрона фоторезист толщины 1 мкм удалялся с кремниевой пластины в течение 45 с, что соответствовало скорости травления 1,3 мкм/мин. Последующий контроль поверхности пластины под микроскопом показал вполне удовлетворительное качество проведённого процесса.

В ходе экспериментального исследования Т-плазматрона была выявлена оптимальная форма технологического канала, которая должна следовать форме вихря на внешней рабочей поверхности анода, а также соотношения размеров анодного и технологического каналов. Эти признаки были описаны в заявке, поданной в корейское патентное ведомство в 2005 г., по которой корейская экспертиза выдала патент [12]. Ранее, в 2001 г. авторами предпринималась попытка подачи аналогичной заявки в российское патентное ведомство (№ 2001132486/09, кл. Н05Н 1/00, 03.12.2001) с одновременной просьбой о её ускоренном рассмотрении в силу интереса к разработке со стороны Южной Кореи. Однако в течение двух лет заявка оставалась без рассмотрения по существу, что лишило авторов возможности в случае положительного решения экспертизы получить конвенционный приоритет, который мог быть установлен в пределах 1 года с даты подачи заявки. В свою очередь этот приоритет позволил бы привлечь зарубежных потребителей изобретения для его патентования в стране реализации разработки. Причиной послужила плановая перегрузка российских экспертов из-за существенного кадрового недобора в то время, что вызвало также и отмену процедуры ускоренного рассмотрения заявок на изобретения. В результате в 2003 г. по просьбе авторов эта заявка была отозвана, а делопроизводство по ней - прекращено.

А-плазматрон

В ходе дальнейших исследований выявилась возможность свернуть линейный технологический канал Т-плазматрона в круговую щель радиальной подачи технологического газа к выходу струи аргоновой плазмы из анодного канала. Интуитивно ощущалось, что при таком взаимодействии двух газовых течений можно было ожидать возникновения фиксирующего дугу вихря с одновременным образованием распределённой анодной привязки. Благодаря осесимметричной компоновке средств создания двух газовых потоков эту конструкцию плазматрона назвали А-плазматрон (от слова “аксиальный”). Схема этого типа плазматрона с расшифровкой позиций представлена на Рис. 7. Его конструкция показана на Рис. 8, а спецификация деталей дана в Табл. 2. Видно, что с применением паяного анодного корпуса источник плазмы той же мощности, что и предыдущая модель (до 4 кВт), стал более компактным и удобным в обращении с ним. В частности, здесь осевой габарит устройства уменьшился почти вдвое, а продольно-разрезное выполнение изолятора 11 вместе с подбором размеров деталей катодного узла обеспечивает освобождение корпуса катода от изолятора 10, кольца 11 и накидной гайки 12 для инспекции после запусков, регулировки катода и т.д. Аксиальное решение этого устройства в ряде случаев оказывается более удобным, чем Т-плазматрон, особенно при необходимости установить А-плазматрон в вакуумной камере для проведения технологических процессов.

Рис. 7 - Принципиальная схема А-плазматрона: 1- катод, 2- подача аргона, 3- анод, 4- технологический канал, 5- выходная струя, 6- подача технологического газа

Рис. 8 - Конструкция А-плазматрона

Таблица 2 - Спецификация деталей этого А-плазматрона

1) Машинообрабатываемая керамика Alumina 998 (corundum 99,8%) produced by Vesuvius McDanel Co., USA: www.vesuviusmcdanel.com/materials

2) Штуцер One-touch fitting connector Series KV2 (для нейлоновой трубки Ш8х1,25 mm; монтажная резьба 1/8" TP) Produced by SMC Corporation of America, USA: www.smcetech.com

На Рис. 9 показан работающий А-плазматрон. Здесь выходная форсунка выполнена в варианте, пригодном для проведения технологических операций как в вакууме, так и в атмосфере.

Рис. 9 - А-плазматрон на рабочем режиме

Особенности рабочего процесса А-плазматрона

Контрольная регистрация вольт-амперных характеристик дуги А-плазматрона показала, что они в первом приближении ничем не отличаются от соответствующих характеристик предыдущей модели. Этот факт послужил добрым предзнаменованием в отношении природы анодной привязки в новой модификации плазматрона. Первое впечатление усилил визуальный осмотр анода после более или менее продолжительной работы А-плазматрона: следов эрозии обнаружить не удалось. Окончательно вопрос был решён измерением эрозии анода весовым методом.

Предварительные кратковременные пуски плазматрона показали, что для 30 стартов эрозия электродов, обусловленная пусковым осциллятором, оказалась ~0,1 мг/пуск для анода и катода. Поскольку эта величина не выходит за пределы поля погрешности применявшихся в опытах аналитических весов, то при измерениях эрозии электродов она не учитывалась. Тем более что в данном эксперименте продолжительности равной 20 час.=7,2104 с использовались только два запуска дуги, что приводило к незначительной поправке. В этом эксперименте для полноты информации определялись также изменения массы вольфрамового катода и высокотемпературного керамического изолятора 6 (Рис. 8). Параметры А-плазматрона и его рабочего процесса были здесь следующими: анодный канал dA=2 мм, lAК=2 мм, QArK=2 л/мин., QВзT=10 л/мин., параметры разряда - ток дуги I=100 A, напряжение U=14 В. Начальные массы контролируемых элементов плазматрона составили: МA0= 79,5699 г, МК0= 5,1997 г, масса керамического изолятора МИз0= 4,1796 г. После непрерывной двухсменной работы были получены следующие изменения масс этих элементов: МА=-2,9 мг, МК=-45,9 мг, МИз=+0,4 мг. Согласно (1) удельная эрозия анода А-плазматрона оказалась

плазматрон деталь фоторезист пластина

mА ~410-10 г/Кл

Этот результат очень важен для новой модификации высокоресурсного плазматрона, поскольку он свидетельствует, что вихревая и одновременно распределённая природа анодной привязки здесь полностью сохранились (для сравнения напомним, что тщательные измерения в Т-плазматроне дали результат mА ~3,610-10 г/Кл). Одновременно проведённые измерения уноса массы вольфрамового катода дали mК ~6,610-9 г/Кл, что вполне удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными [7]: mК ~510-9 г/Кл. Таким образом, следуя [7], логично полагать, что в обеих модификациях высокоресурсного плазматрона с горячим стержневым катодом наблюдается сочетание термоэмиссионного и жидкометаллического механизмов катодной привязки дуги. Что касается прироста массы керамического изолятора, то он вполне естествен, т.к. рядом с ним (см. Рис. 8) находится катод - наиболее интенсивно испаряющийся элемент конструкции.

Для выявления способности А-плазматрона к активации технологического газа был проведён вакуумный процесс плазмохимического удаления плазмостойкого фоторезиста TDMR-AR81, аналогичный описанному в разделе 2.2 за исключением двух параметров, затрудняющих ход процесса: расход кислорода через технологический канал был уменьшен до 4,5 л/мин., а расстояние от среза сопла до подложки было увеличено до 75 мм (в опыте с Т-плазматроном эти параметры составили 10 л/мин. и 50 мм соответственно). В этих опытах удаление фоторезиста заняло 1,05 мин., что соответствовало скорости удаления фоторезиста ~0,95 мкм/мин. Сравнение с данными подобного опыта для Т-плазматрона показывает, что активирующая способность А-плазматрона увеличилась почти в 3 раза. Этот вывод подтвердили также эксперименты [3] с плазмохимическим реформированием дизельного топлива в синтез-газ: полнота реакции частичного окисления топлива в Т-плазматроне не превысила 30%, тогда как в А-плазматроне этот параметр достиг практически 100%.

Представляет интерес предпринятая в лаборатории проф. Ли Х.-Дж. попытка интенсифицировать процесс травления того же самого фоторезиста с помощью А-плазматрона, в который в качестве технологического газа была подана смесь хладона CF4 (QХлТ=3 л/мин.) с кислородом (QКсТ=1 л/мин.) при расходе аргона через катодный узел QArK=1 л/мин. При тех же параметрах разряда на расстоянии 70 мм от среза сопла плазматрона скорость травления фоторезиста составила около 7 мкм/мин. (время удаления фоторезиста толщины =1 мкм было ~8,5 с). Внешний вид данного процесса показан на Рис. 10.

Рис. 10 - Плазмохимическое травление фоторезиста TDMR-AR81 на кремниевой пластине с помощью А-плазматрона, установленного в вакуумной камере (технологический газ - смесь 75% CF4 и 25% О2, ток дуги I=100 А, удаление пластины от плазматрона 70 мм, давление в камере ~3 Торр)

Заключение

Новый плазматрон представляет собой недорогой, безопасный и качественный технологический инструмент, который, несомненно, найдёт своё применение как в области электронных и нано-технологий, так и в лабораторной практике, в машиностроительной и химической отраслях промышленности. Это суждение подтверждают следующие основные выводы из настоящей работы:

1. Разработаны две высокоресурсные модификации традиционного электродугового источника плазмы постоянного тока со стержневым катодом и сопловым анодом: Т- и А-плазматрон.

2. Экспериментально установлено, что обе модели имеют низкую удельную эрозию материала анода ~10-10 г/Кл, что эквивалентно повышенной чистоте генерируемой плазмы и увеличенному ресурсу источников вплоть до ~103…104 час.

3. Приведены вольт-амперные характеристики плазматронов, рассмотрены проявления диффузного характера их анодно-дуговых привязок.

4. Показана пригодность новых плазматронов к проведению атмосферных и вакуумных технологических процессов в различных отраслях промышленности.

5. Установлено, что применительно к плазмохимическим процессам А-плазматрон в 3 раза более эффективен, чем его предыдущая модификация.

Литература

1. Riaby V.A., Kim J.H., Mok Y.S., Choi C.K., Plaksin V.Yu., Lee H.J., Development of a high-durability atmospheric DC arc plasmatron, Proc. Intern. Symp. on dry processing (Cheju, Republ. of Korea, Nov. 2005). - Tokyo: Inst. Electr. Engineers of Japan, 2005, pp. 359-360.

2. H.J.Lee, V.Yu.Plaksin, V.A.Riaby, The volt-ampere characteristics of a DC arc plasmatron with a distributed anode spot, Thin Solid Films, 2007, v. 515, pp. 5197-5201.

3. Plaksin V.Yu., Kim J.H., Mok Y.S., Lee H.J., Riaby V.A., Reduction of NOx content in Diesel engine emission using plasmatron fuel converter, Proc. VI Korea-China Workshop on Clean Energy Technol. (Busan, Rep. of Korea, July 2006).- Seoul: Korean Inst. Chem. Engs, 2006, pp. 198-209.

4. Riaby V.A., Plaksin V.Yu., Kim J.H., Mok Y.S., Lee H.J., Choi C.K., Application of a high-durability DC arc pasmatron to plasma chemical processing of silicon substrates, Journal of the Korean Physical Society, 2006, v.48, No.6, pp. 1696-1701.

5. Сурис А.Л. Плазмохимические Процессы и Аппараты.- Москва: Химия, 1989. - 304 сс.

6. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы (Труды 4-й Всесоюзн. конф. по физике и генераторам низкотемпературной плазмы).- Алма-Ата: Издание Казахского политехнич. института, 1970.- 754 сс.

7. Zhou X., Heberlein J., An experimental investigation of factors affecting arc-cathode erosion, J. Phys. D: 1998, v. 31, pp. 2577-2590.

8. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учебное рук-ство.- Москва: Наука, 1987.- 592 сс.

9. Дудников Ю.С. и др., Газофазный дуговой реактор, а.с. СССР № 216641 кл. B01J 19/08, 26.10.1965.

10. Ясько О.И. и др., Электродуговой плазмохимический реактор, а.с. СССР № 544329 кл. B01J 19/08, 11.11.1968.

11. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С., Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчёт.- М.: Машиностроение, 1993, с. 43.

12. Riaby V.A., Lee H.J., Savinov V.P., Kremen' A.I., Mok Y.S., DC arc plasmatron device, Korean Patent No. KR10-0721790, Int. Class6 H05H 1/00, filed 01.02.2005, registered 18.05.2007.

Размещено на Allbest.ru