Стаціонарний дуговий розряд низького тиску у системах плазмової обробки поверхонь

Сьомий розділ присвячено динаміці плазмових потоків у магнітному полі і вивченню систем формування потоків плазми. Дослідження системи фокусування, показали, що досить складний характер залежності параметрів плазми на її виході від магнітного поля визначається впливом наступних факторів:

відмінністю кутових розподілів іонів із різною кратністю заряду у початковому плазмовому потоці, що генерується катодною плямою;

залежністю середньої енергії іонів від напрямку їхнього руху відносно осі розряду, що приводить до появи в сфокусованому потоці двох груп часток, які відрізняються значенням середньої енергії;

зміною структури електричного поля, обумовленою зміною співвідношення магнітних полів котушок пристрою.

Аналіз властивостей іонів на осі системи не виявив істотних відмінностей у характері залежностей складу плазми й енергії іонів від тиску газу, одержуваних у відсутності і при наявності магнітного поля в системі. Однак, для радіальних плазмових потоків вплив магнітного поля дуже істотний. На рис. 5 подані залежності струму атомарних і молекулярних іонів азоту від напруженості зовнішнього магнітного поля.

З приведених кривих випливає, що наявність зовнішнього магнітного поля веде до істотного збільшення кількості іонів азоту, що рухаються по нормалі до осі розряду. Відзначимо, що в полях напруженістю Ні75 Е кількість атомарних іонів N+ перевищує кількість молекулярних іонів N2+. Підвищення кількості часток N2+і N+ , що спостерігається в присутності магнітного поля Н >10 Е, зв'язано зі збільшенням ефективності взаємодії замагнічених електронів плазми з частками газу. Замагнічення електронів еквівалентне підвищенню ефективного тиску газу Р на величину , зв'язану із магнітним полем , масою і температурою електрона співвідношенням (Энгель А. Ионизованные газы.-М.: ГИФМЛ, 1959.-159 с.): , де - константа. Імовірність We непружної взаємодії електронів із частками газу представимо у вигляді: , де ne - концентрація електронів відповідно, se(Ve)-перетин непружної взаємодії електрон-молекула (або атом) газу, ve - відносна швидкість електрона і частки газу (Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров.-М.: ГИФМЛ, 1963.-259 с.). Підсумовування ведеться по усіх видах непружніх взаємодій електрон-частка газу. Т. ч. імовірність непружнього розсіювання електронів на молекулах є функцією напруженості магнітного поля Н:

We~еne[1+C/meTe (H/P)2]<se(Ve)Ve>, (17)

У розглянутих умовах ефективність іонізації газу електронним ударом мала. Однак зміна стану газу (наприклад, унаслідок переходу в збуджений стан, імовірність котрого досить висока) істотно впливає на процеси взаємодії з ним потоку іонів металу, що генерується катодною плямою дуги. У цьому випадку, як у молекулярному так і в атомарному газі, збільшується швидкість реакції перезарядження багатозарядних іонів металу на частках газу.

У цьому розділі наведені також результати теоретичних розрахунків руху іона в плазмооптичній системі, утвореної полями дзеркальної і тороідальної конфігурацій. Результати теоретичного аналізу порівнюються з експериментальними даними. Аналіз рівнянь руху частки на вхідній ділянці з полем дзеркальної конфігурації дозволяє одержати проекцію траєкторії частки на площину вхідного отвору тора і значення радіуса, при якому іон перетинає цю площину, що є початковими умовами для визначення характеру руху іона в тороідальній області. У результаті розрахунку руху частки на тороідальній ділянці одержуємо рівняння межі області руху частки в площині перетину каналу тора:

(15)

де ; ; - швидкість частки на вході в тороідальній плазмовод; а - радіус каналу тора; - поточний і вхідний радіус частки, відповідно.

Використовуючи рівняння (15), можна визначити значення потенціалу стінки плазмоводу, при якому динамічна межа траєкторії частки укладена усередині перерізу плазмоводу :

(16)

де - енергія частки на вході в тор, - іонна циклотронна частота.

Оцінки дають відношення електричної сили , що впливає на іон, до магнітної = 2...5, що погоджується з попередніми роботами, та свідчить про визначальну роль електричного поля в транспортуванні часток у системі. Як випливає з розрахунків, іонний струм на виході тороідальній ділянки в максимумі досягає значення 15% від загального значення струму, який генерується джерелом плазми, що добре погоджується з результатами експериментальних досліджень. Гарна відповідність між розрахунковими й експериментальними даними спостерігається також для залежності вихідного іонного струму від потенціалу стінки плазмоводу, що вказує на те, що запропонована теоретична модель може бути використана при розрахунку таких плазмооптичних систем.

Транспортування плазми в криволінійному плазмоводі забезпечує найбільш повне очищення плазми від макрочасток. Цим пояснюється підвищений інтерес вітчизняних і закордонних дослідників до таких систем. Водночас, великі втрати іонного компонента на стінках плазмоводу, громіздкість і складність у виготовленні фільтра обмежують його практичне застосування в технології покриттів. У цьому зв'язку становлять інтерес пристрої з осесиметричними магнітоелектричними транспортуючими полями і з лабіринтовою системою екранів для затримки (перехоплення) макрочасток. У роботі досліджена можливість застосування спеціальних екранів, для зменшення потоку макрочасток у плазмі вакуумних-дугових джерел з магнітним фокусуванням. Основна умова повного перехоплення макрочасток системою екранів полягає в тому, що зона осадження покриття на підкладинці повинна бути невидимою з боку робочої поверхні катода. При цьому для макрочасток, що рухаються по прямолінійних траєкторіях, система також "непрозора". Така непрозорість забезпечується визначеним поєднанням ряду геометричних параметрів системи: діаметрів катода, анода і заслінки, довжини анода, відстані між катодом і заслінкою, а також внутрішніх діаметрів кільцевих екранів. Водночас, вибір конкретної комбінації параметрів не повинний вступати в протиріччя з вимогами зберігання стабільності дугового розряду і забезпечення "прозорості" системи для іонів катодного матеріалу. Проходження іонів до підкладинок в обхід екранів досягається відповідним вибором розміру і геометрії магнітних полів, від яких, у свою чергу, так само залежить і стабільність горіння дуги. Експерименти по вибору геометрії магнітного поля в аноді показали, що найбільш сприятливі умови для проходження іонів на вихід системи зі зберіганням стабільності розряду забезпечуються при ослабленні поля в зоні між катодом і заслінкою. Лінії магнітного поля в цьому випадку обгинають заслінку, створюючи більш сприятливі умови для руху заряджених часток плазми в обхід заслінки.

Використовувані на практиці іонно-плазмові установки містять, як правило, декілька працюючих одночасно плазмових систем. При цьому в об'ємі робочої камери відбувається взаємодія електромагнітних полів і плазмових потоків, створюваних різними системами проміж собою, а також з елементами, призначеними для закріплення оброблюваних виробів. Ці чинники можуть істотно вплинути на основні параметри установки. Так, в установці з двома джерелами плазми, які обладнані фільтруючими екранами, при двох працюючих джерелах плазми із зустрічне увімкнутими магнітними системами іонний струм у всьому діапазоні тисків газу приблизно удвічі вище, ніж при одному включеному джерелі плазми. Однак, у випадку згодного вмикання магнітних систем це співвідношення не зберігається в усім досліджуванім діапазоні тисків. При тиску азоту ~ 0,1 Па іонний струм на підкладинку при двох включених джерелах плазми приблизно у 5 разів перевищує його значення для одного джерела плазми. Дана обставина пов'язана з фокусуванням потоку плазми в просторі між вихідними торцями анодів сумарним полем двох магнітних систем джерел плазми.

У восьмому розділі аналізується ряд ключових моментів, присвячених взаємозв'язку між характеристиками плазми та параметрами отримуваних конденсатів, а також розглядаються нові способи одержання покриттів, які розроблені на основі даних, отриманих у процесі виконання цієї дисертаційної роботи.

Застосування системи з фокусуванням плазмового потоку розглянуто на прикладі її використання для одержання покриттів на основі нітридів титану і молібдену. Залежність числа атомів азоту, що захоплюються одиницею поверхні конденсату в одиницю часу, від тиску газу в реакційному об'ємі має явно виражений максимум при тиску р ? 5-10-2' Па. Цей максимум збігається з максимумом залежності інтенсивності свічення смуг молекулярних іонів азоту від тиску газу, а також із першим максимумом на графіку залежності радіальних потоків іонів азоту від тиску газу (рис. 4). Даний збіг може свідчити на користь висунутого раніше (Демиденко И.И., Ломино Н.С., Овчаренко В.Д., Падалка В.Г., Полякова Г.Н. Изучение состояния плазмы титановой вакуумной дуги // Химия высоких энергий.-1986.-Т. 20, № 6.-С. 538 - 540) припущення про те, що активованими частками при синтезі нітридів в умовах конденсації плазми вакуумної дуги є іони , що виникають при перезарядженні іонів на молекулах газу, та іони , котрі виникають при дисоціації молекулярних іонів азоту. Наочною демонстрацією тісного взаємозв'язку між станом газу й ефективністю реакції синтезу є також наявність кореляції залежностей кількості азоту в покритті і в радіальних потоках іонізованого газу від зовнішнього магнітного поля.

Як приклад використання сепарованих потоків плазми вакуумної дуги для одержання покриттів розглянуто процес одержання захисно-декоративних плівок на основі сполучень легкоплавкого металу - алюмінію і його окислів. При цьому встановлено:

покриття на основі окису алюмінію мають високу корозійну стійкість при товщинах ~10мкм;

висока стійкість покриттів на основі окису алюмінію при малих товщинах пов'язана з малим розміром кристалитів, що приводить до зниження мінімальної товщини безпористого покриття.

Підвищений вміст іонів газу в радіальних плазмових потоках дозволяє запропонувати ряд нових методів оброблення поверхонь, заснованих на цьому явищі. Так, із застосуванням аргону, можлива реалізація комбінованого методу, що реалізує позитивні якості магнетронного розпилення (низький вміст крапель, низька температура оброблюваної поверхні) і вакуумного-дугового осадження (висока адгезія покриттів до поверхні). Метод реалізується при наявності магнітного поля, що інтенсифікує процес утворення іонів аргону. Тиск газу відповідає умовам переважного осадження потоку часток із матеріалу мішені, що розпилюється (рис. 6).

Аналіз кривих Ii(р) для іонів азоту і титана (розділ 7), а також залежності швидкості осадження покриттів Vк, що містять нітриди, від тиску газу , з урахуванням даних про різке збільшення вмісту іонів N2+ і N+ у радіальних потоках часток у магнітному полі вказує на те, що дані потоки можуть бути використані як для азотування поверхонь, так і для осадження нітридних покриттів.

Для оцінки можливості практичного використання радіальних компонентів потоку плазми, що генерується вакуумно-дуговим джерелом із магнітним фокусуванням, здійснювалося оброблення ріжучих пластин із швидкоріжучої сталі. На першому етапі у атмосфері азоту при його тиску р = 2 Па на пластини осаджували Ti - покриття товщиною біля 5 мкм. Потім тиск азоту знижували до 5Ч10-2 Па і при такому тиску (у переважному потоці іонів азоту) провадили процес азотування. Коефіцієнт підвищення стійкості інструмента склав 5...6, у той час як звичайна технологія зміцнення нанесенням TiN - покриття забезпечує в аналогічних умовах підвищення стійкості тільки у 2..3 рази.

Наведені залежності свідчать про те, що в режимі з позитивним UA, незважаючи на значне зниження іонного струму на підкладинку, відбувається істотне збільшення швидкості конденсації покриття. Цей ефект пов'язаний, мабуть, із тим, що в даному режимі горіння розряду за рахунок збільшення напруги на дузі відбувається великий стиск плазмового потоку в прикатодній області, що забезпечує його ефективне транспортування на вихід пристрою.

Наведені дані показують, що методика одержання покриттів у режимі з позитивним UA має ряд переваг у порівнянні з традиційними технологіями: у 2,5 рази знижується параметр шорсткості Ra поверхні покриттів; у 3 рази поліпшується співвідношення товщини покриттів на торцевих і бічних поверхнях деталей, що має особливе значення при обробленні виробів складної форми; майже в 2 рази знижується температура (Т) підкладенки. Недолік методу - вузький діапазон робочих тисків газу.

У заключній частині розділу описані установки для осадження покриттів з використанням стаціонарного дугового розряду низького тиску, що мають високі експлуатаційні характеристики і знаходять широке застосування в промисловості.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У процесі виконання дисертаційної роботи проведено комплекс досліджень стаціонарного дугового розряду низького тиску, що включає дослідження явищ на електродах дуги, в об'ємі розрядного проміжку, а також на поверхні конденсації потоків газо-металевої плазми. Дослідження проведені в широкому діапазоні параметрів розряду: для різних катодних матеріалів; у високому вакуумі й у присутності різних газів; у відсутності і при наявності магнітного поля. Отримані результати являють собою наукову базу й утворюють фізичні основи процесів формування потоків часток у системах для плазмового оброблення поверхонь. Встановлено, що при аналізі явищ у стаціонарному дуговому розряді низького тиску варто враховувати взаємозв'язок процесів на електродах і в розрядному проміжку, а також взаємодію різних груп часток. Основні висновки можна сформулювати в такий спосіб:

1. Експериментально вивчені і створені фізичні основи процесу формування потоків плазми стаціонарної дуги низького тиску. Вивчено умови формування покриттів на основі хімічних сполук в системах з електромагнітними полями. Отримано дані для проектування установок і розробки ряду нових технологічних процесів одержання іонно-плазмових покриттів. Основні вузли установок (джерела плазми і їхні найважливіші елементи) і способи одержання покриттів захищені авторськими посвідченнями. Установка "Булат-6" випускається серійно на КСПО ім. Косіора й одержала широке поширення в промисловості України і країн колишнього СРСР.

2. Вивчено особливості характеру прикатодних процесів у стаціонарній вакуумній дузі в широкому діапазоні параметрів розряду при жорсткому контролі умов на катодній поверхні. Визначено основні чинники, що впливають на швидкість і характер ерозії катода, пропонуються практичні рекомендації щодо конструювання катодних вузлів електродугових джерел плазми.

3. Отримано дані про параметри краплинної фази в продуктах ерозії катода стаціонарної вакуумної дуги при наявності в об'ємі розрядного проміжку хімічно активного газу і показано, що в розглянутих експериментальних умовах основна витрата маси катода відбувається за рахунок потоків іонів і крапель. Взаємодія іонів із краплями здійснює помітний вплив на характер кутових розподілів часток в об'ємі розряду.

4. Проведені дослідження плазми стаціонарного вакуумного дугового розряду показали, що як і плазма імпульсних і квазістаціонарних розрядів, досліджувані потоки характеризуються високою кількістю багатозарядних іонів, що рухаються від катода до анода з енергією (в електрон-вольтах), що перевищує розмір напруги на розряді. Інтегральна температура катода справляє істотний вплив на зарядовий склад, енергетичний спектр і густину іонного компонента плазми, створюваної катодною плямою стаціонарного дугового розряду.

5. Вперше досліджено просторовий розподіл складу плазми вакуумної дуги. Виявлено, що ступінь спрямованості іонного потоку зростає зі зменшенням за-рядності іонів, унаслідок чого склад плазми залежить від кутової координати та од відстані до площини катода. Енергія іонів і температура електронів також залежать від кутової координати і зменшуються в зоні малих кутів до площини катода.

6. Вивчено роль плазмових нестійкостей у процесі формування часток у стаціонарному дуговому розряді низького тиску. Показано, що для вакуумної дуги в діапазоні помірних струмів (100 А) виконується умова збудження бунеманівскої нестійкості в об'ємі плазми на удалині від приелектродних зон розряду. При наявності бунеманівскої нестійкості з'являється турбулентна сила тертя між електронами й іонами плазми, що приводить до прискорення іонів у напрямку від катода до анода за рахунок передачі імпульсу від електронів до іонів через коливання в плазмі.

7. Наявність іонів газу в об'ємі розрядного проміжку вакуумної дуги, котрі виникають при взаємодії потоку плазми, який генерується катодною плямою, із частками газу, веде до появи нестійкості іонно-звукового типу. Нестійкість має поріг по тиску, що залежить від роду газу. Поява іонно-звукової нестійкості веде до накопичення часток в об'ємі і нестачі їх в анодній області розряду, що обумовлює виникнення позитивного анодного падіння

8. Показано, що іони газу, котрі утворюються при взаємодії плазми вакуумної дуги з газовою мішенню, рухаються переважно у поперечному, щодо осі вихідного плазмового потоку, напрямку. Тобто основним чинником, що визначає рух іонів у цих умовах, є розсіювання часток на великі кути, характерне для процесів перезарядження. Крім утворення молекулярних іонів, у присутності азоту відбувається генерація його атомарних іонів, частина яких у деяких випадках перевищує кількість молекулярних іонів. Наявність подовжнього магнітного поля в розрядному проміжку веде до істотного збільшення вмісту іонів газу в радіальних потоках плазми.

9. Вивчено плазмооптичні властивості криволінійної електромагнітної системи транспортування плазми. Показано, що вони визначаються, в основному, структурою електричного поля в плазмі і слабко залежать від магнітного поля, що задовольняє умові замагніченості електронного компонента плазми. Сепарація потоку макрочасток може бути здійснена не тільки в криволінійних, але й у прямолінійних системах, що відрізняються більшою простотою і меншою вартістю, однак мають меншу ефективність процесу сепарації крапель.

10. Ефективність реакцій синтезу сполучень у плазмі досліджуваного типу розряду залежить від стану газу, що залежить від його тиску і величини магнітного поля в реакційному об'ємі. При цьому експериментально показано, що при конденсації плазми металів у присутності реакційного газу наявність магнітного поля, що забезпечує замагнічення електронів, приводить до інтенсифікації процесів синтезу складних сполучень. Причиною цього є активація реактивного газу при непружніх зіткненнях електронів із молекулами.

11. Дані, одержані в процесі досліджень розряду, дозволяють запропонувати нові процеси оброблення поверхонь. Зокрема, комбінований метод, заснований на конденсації металу з плазми вакуумної дуги і з потоку часток мішені, що розпилюється іонами плазми. У радіальних плазмових потоках співвідношення між інтенсивностями потоків газу і металу сильно залежить від тиску газу. Це дозволяє зміною тиску і регулюванням негативного потенціалу на підкладинці одержувати в одному робочому циклі різні по характеру впливу на оброблювану поверхню процеси: очищення іонами металу і газів, насичення поверхні газом, формування перехідних шарів і осадження покриттів. Процес осадження покриттів із використанням дуги в режимі з позитивним анодним падінням потенціалу забезпечує високу якість формованих покриттів при зниженому тепловому навантаженні на підкладинку.

Проведені дослідження дозволяють сформулювати наступні рекомендації по практичному використанню результатів дисертації:

1. При розробленні нових джерел плазми і компонуванню вузлів технологічних плазмових установок для поверхневої модифікації матеріалів доцільно використовувати дані про ерозію катоду, характер розподілу часток у просторі і про динаміку часток у магнітному полі.

2. Дані про вплив основних параметрів розряду на властивості плазмових потоків, наприклад, результати аналізу складу радіальних потоків плазми й особливості переходу дуги в режим із позитивним анодним падінням потенціалу, служать фізичною основою створення нових перспективних низькотемпературних способів оброблення поверхонь.

3. Результати визначень коефіцієнтів конденсації часток дозволяють намітити шляхи подальшого підвищення продуктивності процесів одержання покриттів методами, заснованими на використанні потоків плазми вакуумної дуги.

4. Дані про параметри краплинної фази будуть корисні при розвитку уявлень про механізм генерації даного сорту часток і їхньої мінімізації в плазмовому потоці.

5. Дані про структуру плазмових потоків у поєднанні з результатами аналізу нестійкостей можуть послужити основою подальшого розвитку уявлень про фізичну природу досліджуваного типу розряду, таких як: механізм генерації і прискорення іонів, динаміка потоків у розрядному просторі, анодні явища і т.п.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Плазменное напыление при производстве авиационной техники и режущего инструмента. Учебное пособие / Костюк Г.И., Аксенов И.И., Приезжев В.Г., Хороших В.М., Цыбин А.С.-Харьков: ХАИ,1988.-103 с.

2. Хороших В.М. Анодные процессы в дуговых разрядах низкого давления (обзор) // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Иэд-во ХАИ.-1985.-С. 110-128.

3. Аксенов И.И., Вакула С.И., Падалка В.Г., Стрельницкий В.Е., Хороших В.М. Высокоэффективный источник чистой углеродной плазмы // ЖТФ.-1980.-Т. 50, вып. 9.-С. 2000-2004.

4. Аксенов И.И., Брень В.Г., Попова С.П., Хороших В.М. Пусковое устройство вакуумного электродугового плазменного ускорителя // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Иэд-во ХАИ.-1981.-С. 50-55.

5. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование влияния давления газа в объеме на прикатодные процессы стационарной вакуумной дуги // ТВТ.-1984.-Т. 22, № 4.-С. 650-654.

6. Аксенов И.И., Хороших В.М. О влиянии условий горения разряда на эрозию катода стационарной вакуумной дуги // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Общая и ядерная физика.-1984.-Вып. 3 (28).-С. 52-56.

7. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Першин В.Ф., Шпилинский Л.Ф. Об эрозии катода дуги низкого давления // ТВТ.-1986.-Т. 26, № 3.-С. 441-444.

8. Хороших В.М. Катодный узел электродугового источника плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1999.-Вып.2(10),.-С. 6 - 9.

9. Аксенов И.И., Брень В.Г., Коновалов И.И., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. II. Влияние интегральной температуры катода // ТВТ.-1983.-Т. 21, № 4.-С. 646-651.

10. Аксенов И.И., Антуфьев Ю.П., Брень В.Г., Падалка В.Г., Попов А.И., Хороших В.М. Влияние замагниченности электронов плазмы вакуумной дуги на кинетику реакций синтеза нитридсодержащих покрытий // ЖТФ.-1981.-Т.51, вып. 2.-С. 303-309.

11. Аксенов И.И., Брень В.Г., Осипов В.А., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. I. Формирование потоков плазмы // ТВТ.-1983.-Т. 21, № 2.-С. 214-220.

12. Аксенов И.И. Антуфьев Ю.П., Брень В.Г., Хороших В.М. Влияние давления газа в реакционном объеме на процесс синтеза нитридов при конденсации плазмы металлов // Химия высоких энергий.-1986.-Т. 20, № 1.-С. 82-86.

13. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е., Хороших В.М. Исследование капельной фазы эрозии катода стационарной вакуумной дуги // ЖТФ.-1984.-Т. 54, вып. 8.-С. 1530-1533.

14. Гасилин В.В., Мирошниченко Ю.Т., Хороших В.М. О минимальном размере капель, генерируемых стационарной вакуумной дугой // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Изд-во ХАИ.-1986.-С. 131-133.

15. Кудрявцева Е.Е., Осипов В.А., Хороших В.М. Измерение скорости капель, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги // Ионно-плазменные установки для технологических целей.-Харьков: Изд. ХАИ.-1988.-С. 11-16.

16. Хороших В. М., Аксенов И.И., Коновалов И.И. О структуре плазменных струй, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги // ЖТФ.-1988.-Т. 58, вып. 6.-С. 1220-1221.

17. Аксенов И.B., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. О механизме формирования энергетических спектров ионов плазмы вакуумной дуги // Письма в ЖТФ.-1981.-Т. 7, вып. 19.-С. 1164-1167.

18. Аксенов И.И., Белоус В.А., Коновалов И.И., Осипов В.А., Падалка В.Г., Сафонов В.И., Хороших В.М. Угловое распределение потока ионов в плазме стационарной вакуумной дуги // Ионно-плазменные установки для технологических целей.-Харьков.: Изд. ХАИ.-1988.-С. 3-10.

19. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Сизоненко В.Л., Хороших В.М. Неустойчивости в плазме вакуумной дуги при наличии газа в разрядном промежутке.1 // Физика плазмы.-1985.-Т. 11, вып. 11.-С. 1373-1379.

20. Хороших В.М. Формирование ионно-плазменных покрытий при пониженных тепловых потоках в зону конденсации // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники 1999.-Вып. 2(10).-С. 40-49.

21. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Сизоненко В.Л., Хороших В.М. Неустойчивости в плазме вакуумной дуги при наличии газа в разрядном промежутке.2 // Физика плазмы.-1985.-Т. 11, вып. 11.-С. 1380-1384.

22. Aksenov I.I., Belokhvostikov A.N., Padalka V.G., Repalov N.S., Khoroshikh V.M. Plasma flux motion in a toroidal plasma guide // Plasma Physics and Controlled Fusion.-1986.-Vol. 28, № 5.-P. 761-770.

23. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Об особенностях процесса синтеза нитридов при конденсации плазмы металлов // Химия высоких энергий-1983.-T. 17, № 3.-C. 265-267.

24. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Об условиях синтеза нитридов при конденсации плазменных потоков // ФизХОМ.-1981.-№ 4.-C. 43-46.

25. Аксенов И.И., Заднепровский Ю.А., Ломино Н.С., Овчаренко В.Д., Хороших В.М. Исследование системы формирования радиальных потоков вакуумно-дуговой плазмы. 1. Транспортирующие свойства // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.-1999.-Вып.3(69), 4(70).-С. 138-139.

26. Aksenov I.I., Khoroshikh V.M., Lomino N.S., Ovcharenko V.D., Zadneprovskiy Yu.A. Transformation of axial vacuum-arc plasma flows into radial streams and their use in coating deposition // IEEE Transaction on plasma science.-1999.-Vol. 27, №. 4.-Р. 1026-1029.

27. Вакуумно-дуговое устройство, А.с. 1584727 СССР, МКИ Н 05 Н 1/26/. Аксенов И.И., Тимошенко А.И., Хороших В.М. (СССР).-№4666840/31-25; Заявлено 27.03.89; Зарег. 08.04.90.-3 с

28. Электродуговой источник плазмы: А.с. 1708133 СССР, МКИ Н 05 Н 1/26/. Аксенов И.И., Потапенко В.А., Тимошенко А.И., Хороших В.М. (СССР).-№4836567/25; Заявлено 08.06.1990; Зарег. 22.09.91.-5 с.

29. Способ поверхностного упрочнения конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. А. с. 152779 СССР Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г., Осипов В.А., Саблев Л.П., Ступак Р.И., Хороших В.М. (СССР).-4 с.

30. Способ нанесения покрытий из соединений тугоплавкого металла или алюминия на металлическое изделие: А.с. 11312443 СССР, МКИ С 23 С 13/00/. Аксенов И.И., Брень В.Г., Гаврилко И.В., Падалка В.Г., Хороших В.М. (СССР).-№3637785/23-26; Заявлено 30.08.92; Зарег. 22.08.84.-5 с.

31. Способ нанесения покрытий на основе нитридов металлов: А.с. 1392925 СССР, МКИ С 23 С 14/32/. Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г., Гаврилко И.И., Лещинер Я.А., Падалка В.Г., Хороших В.М. (СССР).-№ 4057002/24-21; Заявлено 14.04.86; Зарег. 3.01.88.-3 с.

32. Устройство для поджига дуги в вакуумной установке А.с. 1012771/. Аксенов И.И., Брень В.Г., Хороших В.М. (СССР).-4 с.

33. Вакуумно-дуговое устройство А.с. 1111671 СССР /. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Чикрыжов А.М. (СССР).-3 с.

АНОТАЦІЇ

Хороших В.М. Стаціонарний дуговий розряд низького тиску в системах плазмового оброблення поверхонь. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразина, Харків, 2002.

Дисертація присвячена вивченню питань генерації, фокусування і сепарації потоків часток у електродугових іонно-плазмових системах для оброблення поверхонь. Експериментально вивчені і сформульовані фізичні основи процесу формування потоків плазми стаціонарної дуги низького тиску.

Вивчено особливості характеру прикатодних процесів у стаціонарній вакуумній дузі в широкому діапазоні параметрів розряду при жорсткому контролі умов на катодній поверхні. Визначено основні чинники, що впливають на швидкість і характер ерозії катода.

Вивчено краплинну фазу ерозії катода. Отримано дані про розподіл крапель по розміру, про їх просторовий розподіл і показано, що в розглянутих експериментальних умовах основна витрата маси катода відбувається за рахунок потоків іонів і крапель.

Проведені дослідження плазми стаціонарного вакуумного дугового розряду. Вперше досліджено просторовий розподіл складу плазми вакуумної дуги. Виявлено, що ступінь спрямованості іонних потоків зростає зі зменшенням зарядності іонів. Вивчено роль плазмових нестійкостей у процесі формування потоків часток. Досліджено радіальні потоки часток. Виявлена висока кількість газових іонів, що виникають у процесі перезарядження часток плазми катодного матеріалу на газовій мішені.

Вивчено плазмооптичні властивості електромагнітних систем транспортування плазми. Показано, що вони визначаються, в основному, впливом електричного поля в плазмі і слабко залежать від напруженості магнітного поля, що задовольняє умові замагнічування електронного компонента плазми.

Вивчено умови формування покриттів на основі хімічних сполучень в системах з електромагнітними полями. Показано, що ефективність реакцій синтезу сполук у плазмі дугового розряду низького тиску визначається станом газу, що залежить від його тиску і величині магнітного поля. Отримано дані для проектування установок і розроблення ряду нових технологічних процесів одержання іонно-плазмових покриттів.

Ключові слова: вакуумна дуга, катодна пляма, плазмовий потік, плазмооптична система, перезарядження часток, плазмові нестійкості, сепарація макрочасток, фокусування плазми, вакуумно-плазмова установка.

Khoroshikh V.M. Steady state low-pressure arc discharge in plasma systems for surface treatment. - Manuscript.

Thesis for the degrees of doctor of sciences in physics and mathematics by speciality 01.04.08 - plasma physics. -Karazin Kharkiv National University, Kharkiv 2002.

The thesis is devoted to problems of generation, focussing and filtering of particle flows in vacuum arc ion-plasma systems for surface treatment.

Particularities of cathode processes in the stationary vacuum arc have been studied. Main factors influencing upon the velocity and nature of cathodic erosion were determined.

The droplet phase of materials of cathode erosion and the dates were obtained on sizes and spatial distribution of droplets. It was shown; that in the experimental conditions under investigation, the main consumption of the cathode material was due to fluxes of ions and droplets.

The plasma of stationary vacuum arc discharge was studied in details. For the first time the spatial segregation of composition of the vacuum arc plasma was observed as the degree of ion directivity was found to encase with decreasing the ion charge state. The role of plasma instabilities in the process of forming the particle fluxes was studied. The radial flows of particles were investigated. The high content of gas ions caused by charge exchange processes of the metal plasma particles on the gas target was found.

The plasma-optical properties of electromagnetic systems for plasma transportation were studied. It was shown that they do mainly differ by the structure of electric field in the plasma but only in minor degree depend on the magnetic field; this fact agrees with the condition of electrons to be magnetized.

The conditions of the nitride coatings formation in systems with electromagnetic fields were studied. The effectiveness of compound synthesis reactions in the plasma of an arc discharge in a low pressure condition is determined by the gas state that depends on the pressure and magnetic field strength. The data obtained as for design of equipment and row development of some new technological processes for production of ion-plasma coatings.

Keywords: vacuum arc, cathode spot, plasma flow, plasma optics, charge exchange process, plasma instabilities, macroparticles filtering, plasma focusing, vacuum-plasma installation.

Хороших В.М. Стационарный дуговой разряд низкого давления в системах плазменной обработки поверхностей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Харьков, 2001.

Диссертация посвящена изучению вопросов генерации, фокусировки и сепарации потоков частиц в вакуумно-дуговых ионно-плазменных системах для обработки поверхностей. Экспериментально изучены и сформулированы физические основы процесса формирования потоков плазмы стационарной дуги низкого давления.

Изучены особенности характера прикатодных процессов в стационарной вакуумной дуге в широком диапазоне параметров разряда при жестком контроле условий на катодной поверхности. Определены основные факторы, влияющие на скорость и характер эрозии катода, даны практические рекомендации по конструированию катодных узлов в электродуговых источниках плазмы

Изучена капельная фаза эрозии катода. Получены данные о распределении капель по размерам и их пространственном распределении при наличии в объеме разрядного промежутка химически активного газа и показано; что в рассматриваемых экспериментальных условиях основной расход массы катода происходит за счет потоков ионов и капель.

Проведенные исследования плазмы стационарного вакуумного дугового разряда показали, что так же, как и плазма импульсных и квазистационарных разрядов, исследуемые потоки характеризуются высоким содержанием многозарядных ионов, движущихся от катода к аноду с энергией (в электрон-вольтах), превышающей величину напряжения на разряде. Интегральная температура катода оказывает существенное влияние на зарядовый состав, энергетический спектр и плотность ионного компонента плазмы. Впервые исследовано пространственное распределение состава плазмы вакуумной дуги. Обнаружено, что степень направленности ионов возрастает с уменьшением их зарядности, вследствие чего состав плазмы зависит от расстояния до плоскости катода. Энергия ионов и температура электронов также зависят от угловой координаты и уменьшаются в области малых углов к плоскости катода. Установлено, что заметное влияние на параметры плазменных потоков оказывает процесс взаимодействия частиц плазы с капельной фазой эрозии катода.

Изучена роль плазменных неустойчивостей в процессе формирования частиц. Показано, что для вакуумной дуги в диапазоне умеренных токов (100 А) выполняется условие возбуждения бунемановской неустойчивости в объеме плазмы вдали от приэлектродных областей разряда. При наличии бунемановской неустойчивости появляется турбулентная сила трения между электронами и ионами плазмы, приводящая к ускорению ионов в направлении от катода к аноду за счет передачи импульса от электронов к ионам через колебания в плазме. Наличие ионов газа в объеме разрядного промежутка вакуумной дуги, возникающих при взаимодействии потока плазмы, генерируемой катодным пятном, с частицами газа, ведет к появлению неустойчивости ионно-звукового типа. Неустойчивость имеет порог по давлению, зависящий от рода газа. Появление ионно-звуковой неустойчивости ведет к накоплению частиц в объеме и недостатку их в анодной области разряда, обусловливающему возникновение положительного анодного падения.

Исследованы радиальные потоки частиц. Обнаружено высокое содержание газовых ионов, возникающих в процессе перезарядки частиц плазмы катодного материала на газовой мишени. Концентрация газовых ионов резко возрастает при наличии магнитного поля, соответствующего условиям замагниченности электронного компонента плазмы. Изучены плазмооптические свойства электромагнитных систем транспортировки плазмы. Показано, что они определяются, в основном, структурой электрического поля в плазме и слабо зависят от магнитного поля, удовлетворяющего условию замагниченности электронного компонента плазмы. Сепарация потока макрочастиц может быть осуществлена в криволинейных, а также и в прямолинейных системах, отличающейся большей простотой и меньшей стоимостью, однако обеспечивающих меньшую эффективность процесса сепарации капель. Изучены условия формирования покрытий сложного состава в системах с электромагнитными полями. Показано, что эффективность реакций синтеза соединений в плазме дугового разряда низкого давления определяется состоянием газа, зависящего от его давления и величины магнитного поля. Наличие магнитного поля, обеспечивающего замагничивание электронов, приводит к интенсификации процессов синтеза сложных соединений (нитридов). Причиной этого является активация газа при неупругих столкновениях электронов с молекулами.

Получены данные для проектирования установок и разработки ряда новых технологических процессов получения ионно-плазменных покрытий.

Ключевые слова: вакуумная дуга, катодное пятно, плазменный поток, плазмооптическая система, перезарядка частиц, плазменные неустойчивости, сепарация макрочастиц, фокусировка плазмы, вакуумно-плазменная установка.

Размещено на Allbest.ru