Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. В.Н. КАРАЗІНА
ХОРОШИХ Володимир Максимович
УДК 537. 525.5
СТАЦІОНАРНИЙ ДУГОВИЙ РОЗРЯД НИЗЬКОГО ТИСКУ У СИСТЕМАХ ПЛАЗМОВОЇ ОБРОБКИ ПОВЕРХОНЬ
01.04.08 - фізика плазми
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут", м. Харків.
Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, Солошенко Ігор Олександрович, Інститут фізики НАН України, заступник директора;
доктор фізико-математичних наук, професор, Коваль Адольф Григорович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідуючий проблемної лабораторії іонних процесів.
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Войценя Володимир Сергійович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут", начальник лабораторії.
Провідна установа: Науковий фізико-технологічний центр Міносвіти і науки та НАН України, м. Харків.
Захист відбудеться 05.04.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова 31, читальний зал бібліотеки № 5.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, майдан Свободи, 4.
Автореферат розіслане 02.03.2002 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. З середини 70-х років у технології зміцнення інструментів і в машинобудуванні широко використовуються захисні покриття, осаджені конденсацією речовини з плазмового потоку, що генерується дугою низького тиску (вакуумною дугою), в умовах іонного бомбардування конденсату (спосіб "КІБ"). Зазначений спосіб було розроблено у Національному Науковому Центрі "Харківський фізико-технічний інститут" і надалі одержав широке визнання в усіх індустріальне розвинутих країнах світу. Його переваги обумовлені ефектом генерування дугою низького тиску інтенсивних потоків металевої плазми, що рухається з високою (106 см/с) швидкістю в напрямку від катода до анода. Спосіб дозволяє провадити обробку поверхонь високоенергетичними іонами, що екстрагуються із плазми шляхом подачі на виріб високого (1...3 кВ) негативного потенціалу, який забезпечує ефективне очищення поверхні від забруднень і обумовлює високі адгезіонни властивості покриттів, осаджуванні на очищену таким чином поверхню.
Введення в робочий об'єм хімічно активних газів дозволяє здобувати покриття з таких сполук як карбіди, оксиди і т.п., що мають широкий спектр корисних фізико-механічних властивостей. Висока швидкість хімічних реакцій, що протікають при цьому, обумовлена наявністю в зоні конденсації іонізованих часток металу, а також атомів і молекул газу, активованих у процесі взаємодії з іонами й електронами плазми. Характер взаємодії плазмових потоків із поверхнею і ступінь активації газу в технологічному об'ємі визначається параметрами плазми в установці для одержання покриттів. У цьому зв'язку є очевидним, що прогнозування властивостей конденсатів і, в кінцевому результаті розробка надійно відтворюваних технологічних процесів плазмового оброблення поверхонь, вимагає вивчення явищ, що визначають генерацію й динаміку потоків часток у дуговому розряді низького тиску.
Основний обсяг експериментальних результатів для вакуумної дуги катодного типу що були відомі на початок досліджень, пов'язаних з дисертацією, було отримано при вивченні імпульсних або квазістаціонарних розрядів тривалістю від наносекунд до кількох секунд, що горять у розрядних проміжках довжиною не більш декількох міліметрів.
Що ж до технологічних вакуумно-дугових установок для осадження покриттів, то в них у більшості випадків використовується стаціонарний дуговий розряд, що горить у міжелектродному проміжку великої довжини (10...50 см) і часто в присутності хімічно активного або інертного газів. Настільки істотні відмінності умов горіння дуги утрудняють використання опублікованих даних для інтерпретації результатів, отриманих при вивченні процесів у вакуумно-плазмових установках. З іншого боку, стаціонарний режим роботи таких установок дозволяє за допомогою простих експериментальних методик уточнити ряд даних, необхідних для розуміння фізичної природи вакуумної дуги, таких як дані про флуктуації параметрів плазми, про структуру плазмових потоків і т. п. Все це вказує на важливість і актуальність досліджень дугового розряду у вакуумно-плазмових системах для осадження покриттів. Актуальність розвитку методів поверхневої модифікації властивостей виробів особливо велика для України, що зазнає гострого дефіциту легуючих матеріалів (вольфраму, молібдену, хрому, ванадію, гафнію та. ін.)
Раніше виконані роботи з вивчення дуги в технологічних плазмових установках були присвячені наступним питанням:
Однак, при вимірюванні швидкості витрати маси катодного матеріалу не оцінювався вплив параметрів розряду і наявність газу в міжелектродному проміжку на характер прикатодних процесів. Дослідження параметрів плазми і стану газу велося без урахування впливу умов на поверхні катода. При вивченні просторових розподілів потоків маси катодного матеріалу не аналізувалися окремо різні групи часток (іони, краплі, нейтральні атоми), що генеруються катодною плямою дуги, і не оцінювався взаємний вплив різних груп часток. Вивчення динаміки плазмових потоків у магнітному полі і стану газу в об'ємі проваджувались без урахування можливих відмінностей просторових розподілів іонів різної кратності заряду у вихідному плазмовому потоці. Розрахунки систем формування плазмових потоків провадили на основі простих моделей, що не дають уявлення про реальні процеси в розглянутих експериментальних умовах. Крім того, не проваджувався аналіз впливу нестійкостей плазми на динаміку плазмових потоків і явища в приелектродних областях розряду.
І, нарешті, незважаючи на визнаний внесок фахівців України і, зокрема ННЦ ХФТІ, у розвиток методу одержання покриттів конденсацією потоків плазми вакуумної дуги, у даний час відсутні комплексні роботи, що узагальнюють найбільш важливі результати по даній проблемі за останнє десятирічч.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до цільової науково-технічної програми "Атомна наука і техніка в ННЦ ХФТІ в 1992-2000 р." (Постанова Кабінету Міністрів України № 558 від 20.07.93 р.), програмою "Наука-2000" Мінмашпрому України (1995 р.), а також держбюджетною темою 02/13Б - 1996 "Дослідження впливу інтенсивного опромінення низько - і середньоенергетичними іонами, що витягаються з газової і металевої плазми, на структуру, властивості, службові характеристики поверхні конструкційних, інструментальних і матеріалів , що діляться , для атомної енергетики" (Постанова Кабінету Міністрів України № 384-Р від 27.06.95).
Мета і задачі досліджень. Основною метою дисертаційної роботи є виявлення нових фізичних закономірностей і підвищення ефективності процесів генерації і формування потоків плазми стаціонарного дугового розряду низького тиску в системах для плазмового оброблення поверхонь.
Досягнення поставленої цілі припускає проведення наступних основних етапів роботи:
1. Дослідження характеру ерозії катода і вимірювання витрати маси катодного матеріалу в широкому діапазоні параметрів дугового розряду у високому вакуумі і при наявності газу в об'ємі вакуумної камери;
. Дослідження краплинної фази ерозії катода для різних катодних матеріалів у високому вакуумі і при наявності газу в розрядному проміжку;
. Дослідження плазмових потоків що генеруються дугою у високому вакуумі при контролі умов на поверхні катода;
. Дослідження впливу різних газів на параметри плазми при контролі умов на катоді і з урахуванням просторової залежності складу плазми;
. Дослідження ролі нестійкостей у процесі прискорення плазмових потоків і в анодних явищах у дуговому розряді;
. Вивчення динаміки плазмових потоків в аксіальному і криволінійному магнітному полі, що забезпечує замагнічування електронного компонента плазми;
. Вивчення нових можливостей стаціонарного вакуумного дугового розряду в процесах плазмової обробки поверхонь.
Об'єкт дослідження –стаціонарний дуговий розряд низького тиску.
Предмет дослідження - явища, що визначають процеси генерації і формування потоків часток у стаціонарному дуговому розряді низького тиску.
Методи дослідження. При проведенні експериментальних досліджень використовувався ряд оригінальних та традиційних апробованих методик, що дозволило здобути результати дисертації. За допомогою електричних зондів різного типу досліджувалися розподіли щільності іонного струму і концентрації плазми, здійснювались вимірювання енергії іонів і аналізувалися функції розподілу іонів по енергіях, вимірювався потенціал плазми. Мас-спектрометричним методом здійснювався аналіз зарядового і масового складу іонного компонента плазми. Аналіз фазового складу одержуваних плазмових конденсатів проводився на рентгенівському дифрактомері. Мікротопографія поверхні покриттів і катодів вивчалася з використанням оптичних та електронних мікроскопів. Визначення кількості азоту в конденсатах здійснювалось за допомогою ядерних методик. Аналіз сполук на поверхні катода проводився методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії. Точки на графіках, наведених у дисертації відповідають значенням, усередненим по 5...10 вимірюванням. У зв'язку з цим відносна помилка вимірювань, проведених у процесі виконання цієї роботи, складає 10...20 %.
Наукова новизна здобутих результатів.
1. Вперше встановлено, що наявність газу в розрядному проміжку стаціонарної дуги низького тиску в діапазоні 10-3...10 Па впливає на швидкість і характер ерозії катода. Вплив особливо істотний у випадку хімічно активної пари метал-газ. При цьому подаваний утворюються хімічні сполуки газу з матеріалом катода.
. Вперше виявлений вплив хімічно активного газу на вміст крапель у потоці часток, що генеруються катодною плямою вакуумної дуги. Встановлено, що зменшення кількості краплинної фази пов'язано з утворенням тугоплавких сполук на поверхні катода.
. Вперше встановлено, що кутове розходження потоків іонів різної кратності заряду у вакуумній дузі збільшується з його зростанням, унаслідок чого склад плазми залежить від кутової координати і відстані від площини катода. Енергія іонів також залежить від кутової координати і зменшується в зоні малих кутів до площини катода. Параметри плазми в цій зоні розряду в істотній мірі визначаються взаємодією іонів із краплинною фазою ерозії катода.
. Вперше, мас-спектрометричним методом, виявлені іони газу в радіальних і осьових потоках плазми.
. Вперше експериментально показано, що кількість іонів газу в плазмі дуги низького тиску, що горить у магнітному полі, яке задовольняє умові замагнічування електронного компонента плазми, зростає із збільшенням його напруженості.
. Вперше проведено аналіз впливу структури плазмового потоку на його динаміку у аксіальному магнітному полі.
. На основі отриманих нових експериментальних даних уперше запропоновані способи оброблення поверхонь із використанням радіальних плазмових потоків, а також в умовах переходу дуги в режим із позитивним анодним падінням потенціалу.
. Удосконалено газодинамічну модель прискорення плазми у вакуумній дузі. Показано, що ефективне прискорення іонів може бути пов'язане з розвитком у плазмі нестійкості бунеманівського типу.
. На основі аналізу розвитку іонно-звукової нестійкості в присутності газу в розрядному проміжку удосконалено модель переходу дугового розряду в режим із позитивним анодним падінням.
. На основі аналізу динаміки потоку з реальною функцією розподілу часток по швидкостях і експериментально обмірюваним складом плазми, удосконалено модель руху плазми вакуумної дуги в криволінійному магнітному полі.
Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених фізичних досліджень уже в даний час знайшли широке практичне застосування в установках типу "Булат", що випускаються в Україні Київським верстатобудівним об'єднанням їм Косіора, а також Талліннським заводом "Двигун" (Естонія). Свідченням визнання заслуг дисертанта в цій галузі є присудження в 1986 році авторському колективу з його участю Премії Ради міністрів СРСР за роботи в цьому напрямку.
Крім того, результати роботи можуть бути застосовані й у подальших дослідженнях по наступних питаннях:
Особистий внесок автора. Дисертаційна робота являє собою узагальнення результатів досліджень, основний об'єм яких виконаний особисто автором або при його визначальній участі.
Роботи [2, 8, 20] виконані без співавторів.
У циклах робіт [5...7, 9, 13...15] автору належить ідея постановки досліджень ерозії катода і потоків макрочасток для стаціонарного вакуумного-дугового розряду. Проведено планування експериментів, аналіз і інтерпретацію отриманих результатів.
У роботах [16, 18] автор є ініціатором проведення досліджень просторових розподілів параметрів плазми вакуумної дуги; автором проведене планування експериментів, а також аналіз і інтерпретація результатів вимірів.
У роботах [19, 21] автору належить ініціатива постановки досліджень нестійкостей у плазмі вакуумної дуги, виконана експериментальна частина досліджень, проведене порівняння розрахунків з експериментом.
У роботах [10, 12] автору належить ідея постановки плазмових вимірів разом із визначенням властивостей покриттів, проведені аналіз і інтерпретація експериментальних даних.
У роботі [22] автором виконана експериментальна частина роботи, проведене порівняння результатів розрахунків з експериментом.
У роботах [11, 17] автором проведена частина експериментів, запропоновані основні підходи в інтерпретації результатів. У роботах [3, 24...26] автором проведена частина експериментів, проведені аналіз і інтерпретація отриманих даних.
У роботі [1] автором написаний розділ, присвячений джерелам плазми й установкам для одержання покриттів.
У роботах [4, 32] автором проведене опрацювання схемних рішень пристрою, що підпалює дугу.
У авторському посвідченні [29] автору належить ідея способу комплексного оброблення матеріалів у радіальних потоках плазми, визначені основні параметри процесу. У авторському посвідченні [33] автору належить ідея корекції магнітного поля в джерелі плазми за допомогою системи феромагнітних концентраторів, проведене опрацювання геометрії концентраторів.
У авторських посвідченнях [27, 28] автором проведені експерименти по оптимізації конструкції запропонованих пристроїв. У авторських посвідченнях [30, 31] автором визначений діапазон ряду параметрів процесу нанесення покриттів у режимі з позитивним падінням потенціалу
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що увійшли до складу дисертації, доповідалися й обговорювалися на: 19-й Міжнародній конференції по явищах у іонізованих газах, Мінськ, 1981; 6-й Всесоюзній конференції з фізики низько - температурної плазми, Ленінград, 1983; 4-й науково- технічній конференції "Вакуумні покриття-87", Юрмала 1987 р.; Всесоюзній конференції "Нові технології і робототехнічні комплекси при виробництві авіатехніки," Харків,1990 р.; 1-му та 2-му Всесоюзному симпозіумах "Сучасне електротермічне устаткування для поверхневого зміцнення деталей машин", Саратов 1988 та 1990 рр.; 17-му (1996 р., Беркли, США), 18-му (1998 р., Эйндховен, Нідерланди) і 19-му (2000 р., Ксиань, Китай) Міжнародних симпозіумах "Розряди й електрична ізоляція у вакуумі"; Міжнародній конференції "Тенденції застосування тонких плівок –", Регенсбург, Німеччина, 1998 р.; Третьому міжнародному симпозіумі "Вакуумні технології й устаткування", Харків, 1999, 2000; Міжнародній конференції з фізики радіаційних ушкоджень і радіаційного матеріалознавства (Україна, Алушта, 2000 р.).
Публікації. Основні результати досліджень, включених у дисертацію, опубліковані в одному навчальному посібнику, 25 статтях, і 7 авторських посвідченнях.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, восьми глав, основних висновків і списку використаних джерел. Вона містить 313 сторінок основного тексту, включаючи 99 рисунків, 17 таблиць і список використаних джерел із 287 найменувань на 28 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі викладено сутність і актуальність теми, розглянуто стан проблеми, сформульовані мета і завдання роботи, визначено зв'язок роботі з науковими програмами і темами. Підкреслено новизну отриманих результатів і їх наукове і практичне значення, відображено особистий внесок здобувача в опублікованій разом із співавторами науковій праці, подано апробацію результатів дисертації, вказано структуру й обсяг дисертаційної роботи.
Перший розділ є оглядовим. У ньому аналізуються уявлення про дуговий розряд низького тиску (вакуумну дугу), що склалися на початок робіт із теми дисертації. Розглядаються питання, пов'язані з генерацією різних груп нейтральних і заряджених часток і з загальною ерозією катодного матеріалу, явища на аноді дуги, а також методи формування потоків плазми важких елементів (металів). Відзначається, що, незважаючи на очевидний прогрес у дослідженні вакуумної дуги, кількість даних про стаціонарну форму розряду на твердих металевих катодах дуже обмежена. Невирішеними є питання, пов'язані з механізмом прискорення іонів у напрямку від катода до анода до енергій (у електрон-вольтах), що перевищують розмір катодного падіння потенціалу. Не проведено аналіз ролі плазмових нестійкостей у процесах формування потоків часток. Відсутня єдине уявлення про механізм і причини переходу дуги в режим із позитивним анодним падінням потенціалу. Параметри електромагнітних систем управління потоками плазми вакуумної дуги далекі від гранично можливих. Використовувані в даний час системи очищення плазми від макрочасток характеризуються громіздкістю і високою вартістю, не завжди виправданих при практичному застосуванні таких систем.
В другому розділі описані експериментальне устаткування і методи досліджень, яки використовувались при вивченні стаціонарного дугового розряду низького тиску.
Для генерації потоків часток використовували джерела плазми двох типів:
У джерелах плазми використана безконтактна система підпалювання дуги, що відрізняється підвищеною надійністю ініціювання розряду. Надійність запалювання дуги досягається за рахунок застосування підпалюючого імпульсу складної форми. Формування такого імпульсу здійснюється високовольтним генератором з автотрансформаторним виходом .
У джерелі плазми з магнітним утриманням катодної плями прийняті заходи для підвищення стабільності горіння дуги, що полягають у застосуванні феромагнітних уставок, які забезпечують корекцію магнітного поля на робочій поверхні катода.
Для вивчення параметрів плазми використовувались зондові і мас-спектрометричні методики.
За допомогою електричних зондів різного типу досліджувалися розподіли густини іонного струму і концентрації плазми, здійснювались виміри енергії іонів і аналізувалися функції розподілу іонів по енергіях, вимірювався потенціал плазми. Мас-спектрометричним методом здійснювався аналіз зарядового і масового складу іонного компонента плазми.
Аналіз фазового складу одержуваних плазмових конденсатів проводився на рентгенівському дифрактомері ДРОН-3,0 у відфільтрованому мідному випромінюванні. Товщина покриттів визначалася за допомогою інтерферометра МИИ-4 по методу "тіньових ножів". Швидкість конденсації покриття розраховувалася по товщині покриття і часу його осадження. Мікротвердість покриття вимірювалася на приладі ПМТ-3 індентором Виккерса при навантаженні 100 Г. Мікротопографія поверхні покриттів і катодів вивчалася з використанням металографічного мікроскопа ММР-2Р, растрового електронного мікроскопа РЭМ-200 і просвічувального електронного мікроскопа ЭМВ-100Л методом вуглець-платинових реплік. Визначення концентрації азоту в конденсатах робилося з використанням ядерної реакції . Аналіз сполук на поверхні катода провадився методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РЕС).
Розділ 3 присвячений експериментальному вивченню характеру ерозії катода і вимірюванням витрати маси катодного матеріалу. Як катодні матеріали використовували алюміній, мідь, молібден, цирконій, титан, ніобій і графіт. Швидкість ерозії катода (коефіцієнт електропереносу) чп вимірювалася ваговим методом по втраті маси катодного матеріалу Д m за час t на одиницю струму дуги Iд:
. (1)
Отримані значення коефіцієнтів електропереносу відрізняються від даних вимірювань, проведених для імпульсних та квазістаціонарних дуг. Експериментальні дані, отримані для дуги з титановим катодом, указують на те, що ці відмінності пов'язані з впливом інтегральної температури на швидкість і характер ерозії катодного матеріалу. Так, характерним для катода з робочою температурою ? 800 К є істотно більші, ніж для холодних катодів (Тк ? 390 К), розміри слідів катодної плями дуги; з'являються оплавлені кратери розміром до 1 мм. На поперечному шліфі спостерігається приповерхнева зона впливу катодної плями глибиною ? 20 мкм (при Тк ? 390 К зона впливу катодної плями при збільшенні ? 200 не виявляється). При Тк ? 800 К відбувається рекристалізаційне відпалення матеріалу катода, що виявляється в різкому збільшенні розмірів зерен; по літературним даним рекристалізаційне відпалення титана починається при 770... 820 К. Швидкість ерозії підвищується від 39 мкГ/К при Тк ? 390 К до 76 мкГ/К при Тк ? 800 К. Збільшення коефіцієнта електропереносу відбувається за рахунок розбризкування крапель рідкого металу з зони розплаву матеріалу катода поблизу плям дуги.
Залежності коефіцієнтів електропереносу для міді і титана від тиску газу, отримані для дуги, що горить у джерелі плазми з автостабілізацією катодної плями при наявності азоту або аргону в об'ємі вакуумної камери, подані на рис. 1.
Величина чп зменшується з ростом тиску p для обох металів. Однак, для міді відсутні відмінності в характері зміни чп при напуску в об'їм азоту або аргону, у той час, як для титана відмінності кривих чп (р) для азоту й аргону дуже істотні: наявність азоту веде до більш значного зменшення чп з ростом р і цей ефект виявляється при більш низькому тиску. Характер ерозії титанового катода з ростом тиску азоту також змінюється: поверхня катода стає більш гладкою, середній розмір неоднорідностей поверхні зменшується.
Можливі наступні причини зменшення швидкості ерозії катода дуги при рості тиску газу в розрядному проміжку:
Дослідження динаміки катодних плям у присутність газу й оцінки розміру зворотних потоків часток на катод указують на незначний внесок цих процесів на зміну чп у розглянутих експериментальних умовах. Поява на поверхні сполучень, стійких до впливу катодної плями, може бути основною причиною, що визначає характер кривої ч (?) для системи титан-азот (крива 3, рис. 1). По літературним даним нітрид титана має підвищену дугостійкість, що може привести до зменшення швидкості ерозії катода при виникненні цього сполучення на поверхні катода. Для перевірки припущення про можливість утворення нітридів у даних умовах методом рентгенівської електронної спектроскопії проваджувався елементний аналіз поверхні титанових катодів, що зазнали впливу дуги, яка горить у наявності або у відсутності азоту в розрядному проміжку. У випадку, якщо азот спеціально не подається в об'їм розряду, інтенсивність його лінії знаходиться на рівні ліній більшості домішок, що потрапляють на поверхню катода при впливі дуги на конструкційні елементи вакуумної системи. Однак при тиску азоту в системі p = 10-2 Па в спектрі фотоелектронів реєструється інтенсивна лінія N1S з енергією зв'язку 412 еВ. Отриманий результат свідчить про можливість зв'язування азоту в хімічних сполуках на поверхні катода в умовах подачі газу в об'єм вакуумного-дугового розряду.
Характер впливу хімічно активного газу на швидкість ерозії катода залежить від його температури. З розгляду залежностей чп (р), отриманих для титанового катода в азоті при Тк ? 390 К та Тк ? 800 К (криві 3 і 4 на рис. 1 відповідно), випливає, що при підвищенні Тк зміна ? є істотною вже при тиску азоту р ~ 10-3 Па. Більш різке зменшення чп з ростом р для більш гарячого катода пов'язане з підвищенням ефективності процесу синтезу нітриду титана при додатковому підведенні енергії в зону реакції.
Аналіз співвідношення генерації часток у нейтральній і іонній фазі під час ерозії вказує на те, що зменшення коефіцієнта ерозії катода відбувається за рахунок зниження генерації нейтральних часток (атомів і крапель катодного матеріалу). При цьому в усім досліджуваному діапазоні тисків газу відбувається також зменшення катодного падіння потенціалу.
Характер впливу розрядного струму на швидкість ерозії катода залежить від наявності газу в об'ємі. У високому вакуумі з ростом струму дуги спостерігається монотонне збільшення значення чп, у той час як для дуги з титановим катодом, що горить у наявності азоту, зі збільшенням струму дуги чп зменшується. Обидва цих явища пов'язані з ростом інтегральної температури катода. Однак, у відсутність газу зростання температури веде до збільшення зони розплаву у зоні катодних плям і збільшенню коефіцієнта ерозії, а у наявності азоту зростання температури інтенсифікує процес синтезу нітриду титана на поверхні катода, що обумовлює зниження величини чп.
Наявність магнітних полів, що забезпечують стабілізацію катодної плями на робочій поверхні катода, приводить до незначного зменшення швидкості ерозії катода. Помітне зменшення ерозії катода спостерігається у полях пробкової конфігурації за рахунок відбиття іонів у напрямку робочої поверхні катода подовжньою компонентою електричного поля.
У четвертому розділі містяться результати вивчення краплинної фази ерозії катода.
Мікроскопічне вивчення поверхні конденсатів показало, що максимальний діаметр крапель залежить від матеріалу катода і тиску газу. Для титана він складає 40 мкм у відсутності азоту і 30 мкм при тиску газу ~ 1 Па. У високому вакуумі максимальний діаметр крапель для алюмінію складає 45 мкм, для молібдену 8 мкм. Розподіл крапель по розмірах описується функцією типу:
, (2)
де Д n та Dk - кількість і діаметр крапель відповідно; cк, Щ -постійні, що залежать від тиску газу в об'ємі, кутової координати і матеріалу катода. Нижня межа розміру крапель, створюваних вакуумною дугою при струмі ~ 100 А, знаходиться на рівні 5...20 нм. Тенденція до зростання числа крапель із зменшенням їхнього розміру зберігається для часток розміром, принаймні, у декілька сотень нанометрів.
Кутові розподіли для об'єму титанових крапель, що падають на одиницю поверхні зразка в одиницю часу, подані на рис. 2.
З рис. 2 виходить, що основна кількість крапель, що генеруються стаціонарною вакуумною дугою, прямує під малими кутами до його площини як при наявності азоту в об'ємі, так і у високому вакуумі. Помітна кількість крапель виявляється також і в напрямку, перпендикулярному площині катода. Кількість крапель у досліджуваному конденсаті зменшується з ростом тиску газу в системі. Причиною зменшення кількості крапель при наявності азоту в системі може бути утворення шару нітриду титана на поверхні катода. У даному розділі показано, що масоперенесення у краплинній фазі для вакуумної дуги залежить від теплофізичних властивостей катодного матеріалу і зменшується при збільшенні температури його плавлення. Оскільки температура плавлення нітриду титана складає 3223 К, що істотно перевищує температуру плавлення чистого титана (1933 К), утворення шару TiN на поверхні титанового катода приводить до зменшення ерозії катода в краплинній фазі. Прямий експеримент по оцінці впливу нітриду титана на процес генерації крапель у вакуумній дузі провадився при горінні розряду на титановому катоді з покриттям із TiN товщиною ? 6 мкм. Відносна кількість крапель в об'ємі покриття, одержуваного на зразку, розташованому навпроти катода (б = 90 ) на відстані 210 мм від його площини, у вакуумі ~10-3 Па склало ~ 10-4 %. (Для титанового катода в аналогічних умовах відносна кількість крапель у покриттях складає 4,8%).
З підвищенням тиску азоту до ~10-1 Па зменшення кількості крапель, що генеруються плямою дуги, відбувається за рахунок великих часток, що прямують під малими кутами до площини катода. Просторовий розподіл і абсолютна кількість малих крапель при цьому не змінюються. При подальшому збільшенні тиску азоту (по що ~ 1 Па) кількість малих крапель зменшується, але істотно менше, ніж кількість великих часток, і в області кутів 20... 900 до площини катода частка малих крапель у їхній загальній кількості є переважною. Відмінності просторового розподілу великих і дрібних крапель свідчать про можливість внеску декількох механізмів у процес генерації крапель у катодній плямі вакуумної дуги (інтенсивний джоулів нагрів і наступне вибухове випарування металу під впливом автоемісійного струму, що протікає через мікровиступи на поверхні катода, руйнація катодного матеріалу під впливом термічних напруг, видалення металу локальним електричним полем).
Порівняння даних по визначенню відносної кількості заряджених і нейтральних часток у продуктах ерозії катода з вимірюваннями відносного утримання крапель у загальному об'ємі матеріалу, що конденсується, підтверджує раніше отримані висновки про те, що основним компонентом нейтральної фази ерозії катода є краплі.
Сумарний об'єм речовини, що генерується катодною плямою дуги, перевищує об'єм матеріалу, що конденсується, при будь-яких тисках газу в системі, тобто ефективний коефіцієнт конденсації часток менше одиниці. Це пов'язано з розпиленням конденсату потоком іонів, енергія котрих (~100 еВ, з урахуванням багатозарядних іонів), перевищує поріг розпилення. Хімічні сполуки мають більш низькі, в порівнянні з чистими елементами, значення коефіцієнтів розпилення. У зв'язку з цим утворення нітриду титана на поверхні зразка при наявності азоту для дуги з титановим катодом веде до росту коефіцієнта конденсації.
Краплі, що генеруються стаціонарною дугою з титановим катодом, рухаються зі швидкостями vk ~ 1...30 м/с. Найбільш ймовірна швидкість крапель із збільшенням тиску азоту в розрядному проміжку теж збільшується. З підвищенням тиску газу розподіл крапель по швидкостях стає більш розмитим внаслідок підвищення відносної кількості швидких часток. Результати проведених вимірів указують на те, що краплі, які генеруються стаціонарною вакуумною дугою, рухаються з істотно меншими швидкостями, ніж краплі в імпульсних або квазістаціонарних розрядах. Значення vk у таких розрядах досягають, у ряді випадків, сотень метрів на секунду. Отримані в цій роботі значення vk близькі до результатів отриманих для стаціонарної дуги з рідким ртутним катодом. За сучасними уявленнями прямування крапель у вакуумному дуговому розряді обумовлено впливом тиску плазми на шар рідкого металу, розплавленого плямою дуги. При цьому швидкість руху крапель визначається як:
vk = w/3{[(a/z0) 2 + 1] 3/2-(a/z0) 3} (3),
де w –швидкість прямування фронту рідкого металу, що плавиться під впливом плями дуги; z0 - стала глибина шару рідкого металу; a - радіус катодної плями (Hantzsche E. A new model of crater formation by arc spots // Beitrage Plasmaphysik-1977.-Bd. 17, h. 1.-S. 65-74).
Зі збільшенням тривалості горіння дуги інтегральна температура поверхні катода обмежених розмірів підвищується, що при постійному потоці тепла з катодної плями на катод і при малій зміні радіуса плями веде до збільшення глибини шару металу, розплавленого поблизу катодної плями. При порівнянних значеннях розрядного струму глибина розплавленого шару металу на поверхні катода стаціонарної вакуумної дуги істотно вище, а швидкість крапель відповідно до (3), повинна бути значно нижче, ніж в імпульсних або квазістаціонарних розрядах, що добре погоджується з даними експериментів, проведених у цієї роботі. Збільшення швидкості крапель, що спостерігається з підвищенням тиску азоту, пов'язано з утворенням на поверхні катода нітриду титана, який має більш високу, у порівнянні з титаном, температуру плавлення. Це веде до зменшення глибини шару металу z0, розплавленого на катодній поверхні і, отже, до підвищення vk.
При потенціалі зразка Uп = -100... 200 В відбувається зменшення кількості крапель малого (~1 мкм) розміру на його поверхні. Це може бути пов'язане з тим, що деяка кількість крапель у плазмі вакуумної дуги заряджається негативно. Вимірювання потенціалу холодного ізольованого зонда , що не емітує, у наших умовах дають значення ? -12 В. Оцінки показують, що частки титана розміром ~ I мкм, що мають даний потенціал, можуть відштовхуватися металевою поверхнею, яка знаходиться під потенціалом -100 В, якщо їхня швидкість не перевищує 4...10 м/с. Краплі, що рухаються зі швидкостями такого порядку, виявлені експериментально в цій роботі. Краплі розміром ~1 мкм, що виявляються на поверхні зразка при потенціалах аж до значення Uп = -450 В, мають або істотно більші швидкості, або менший негативний заряд у результаті емісії електронів із їхньої розпеченої поверхні. Характерним є те, що зменшення кількості дрібних крапель при негативному потенціалі Uп = -100... -200 В спостерігається в основному в приосьовий зоні розряду. На зразках, розташованих під малими кутами до площини катода, зменшення кількості крапель не спостерігається і при Uп = -600 В. Цей факт у поєднанні з відзначеними вище особливостями кутових розподілів великих і дрібних крапель також свідчить про можливість внеску різних механізмів у процес краплеутворення у вакуумній дузі.
Оцінка впливу крапель на властивості конденсатів, отриманих осадженням потоків часток, що генеруються вакуумною дугою, вказує на те, що збільшення утримання крапель веде до підвищення кількості і росту розмірів поверхневих неоднорідностей. З підвищенням долі краплинної фази в конденсатах відбувається зменшення утримання азоту в покриттях. Це свідчить про те, що краплі рідкого титана практично не реагують з азотом з утворенням твердого сполучення - нітриду титана. Зі збільшенням кількості краплинної фази в покриттях істотно зменшується щільність конденсатів, що обумовлено підвищенням їхньої шпаристості.
П'ятий розділ присвячено вивченню плазми вакуумної дуги в області малих тисків газу у відсутності магнітного поля. Проведено вимірювання зарядового складу плазми на осі розряду для катодів із міді, заліза, хрому, титану, молібдену, алюмінію, графіту і ніобію. Дані по іонному складу для стаціонарної дуги з мідним катодом близькі до опублікованих раніше результатів для квазістаціонарних розрядів. Що ж стосується матеріалів із гіршою теплопровідністю (наприклад, молібдену), то розбіжність результатів істотна. Розбіжність пов'язана з різним часом горіння дуги, що обумовлює відмінність теплових режимів катодів. Вплив інтегральної температури катода на характеристики плазми, що генерується стаціонарною вакуумною дугою, досліджувався для титанового і молібденового катодів. Встановлено, що при підвищенні температури поверхні катода Тк від 390 до 770 К відбувається трансформація енергетичних спектрів іонів: з'являються додаткові максимуми і реєструються групи часток з енергією, що не перевищує кількох електрон-вольт. Середня енергія іонів із збільшенням температури катода знижується. При цьому в потоці одночасно зменшується відносна кількість багатозарядних іонів при відповідному збільшенні долі однозарядних часток. Характерними для катода з робочою температурою 770 К, як відзначається в третьому розділі, є істотно більші, ніж при Тк = 390 К, розміри слідів катодної плями дуги. Т. ч. , при підвищенні температури поверхні катода від 390 до 770 К змінюються як параметри плазми, так і характер ерозії катода.
Зміни характеру ерозії катода, що спостерігаються при збільшенні його температури, знаходять пояснення відповідно до уявлень про існування на катоді вакуумного дугового розряду двох типів катодних плям: плям першого роду , що переміщаються швидко, і викликають мінімальну ерозію, і більш повільних плям другого роду, ерозія в котрих істотно вище. Характер і швидкість руху катодних плям першого роду визначається наявністю на поверхні катода неметалевих включень і плівок сорбірованих газів, що обов'язково присутні при використанні технічних катодних матеріалів у вакуумі ~ 10-4 - 10-3 Па. Очищення поверхні катода веде до локалізації окремих емісійних центрів плями і зменшення швидкості руху плями в цілому, що приводить до підвищення питомої ерозії катода за рахунок додаткових термічних ефектів і до переходу від катодної плями першого роду до катодної плями другого роду. У процесі горіння стаціонарного вакуумного дугового розряду поверхневий шар катодного матеріалу безупинно обновлюється за рахунок ерозії катода під впливом катодної плями дуги, що переміщується хаотично. Наявність на катоді плівок газів визначається співвідношенням між проміжком часу, за який відбувається відновлення поверхневого шару катода, і часом регенерації плівок сорбірованого газу. Основним процесом, що визначає регенерацію плівок на поверхні, є фізична сорбція газу. У цьому разі зі збільшенням температури поверхні катода від 390 до 770 К кількість сорбірованого газу зменшується в 500 разів. Це приводить до зміни типу плями відповідно до розглянутого вище механізму і до підвищення швидкості і зміни характеру ерозії катодного матеріалу. У випадку трансформації катодних плям першого роду в плями другого роду стають істотними термічні ефекти і, зокрема, випарування матеріалу катода. При цьому, на відміну від випадку існування плям першого роду, плазмовий потік, що генерується катодною плямою дуги, прямує через мішень, що примикає до катода, з атомів катодного матеріалу. Зміна параметрів плазмового потоку є наслідком взаємодії плазми з атомами мішені. Зміна енергетичних спектрів іонів пов'язана із прямою і ступінчатою іонізацією атомів титана електронами, а також із перезарядженням іонів різної кратності заряду на нейтральних атомах титана.
З даних про склад плазми випливає, що фізична сутність впливу розрядного струму на параметри плазми зводиться, відповідно до викладеного вище, до зміни характеристик катодної плями, що відбувається при зміні температури катода. При постійній температурі катода залежність складу плазми від струму дугового розряду практично відсутня.
Характерною рисою кутових розподілів густини іонного струму (кривих ji(б)) є істотно велика, у порівнянні з тією наказується законом косинуса, ступінь спрямованості потоку уздовж нормалі до поверхні катода, а також наявність у більшості експериментів іонного струму в зоні нижче площини катода (б < 0). Мас-спектрометричні вимірювання, проведені для титану, міді й алюмінію, вказують на те, що кутові розподіли струмів відрізняються для іонів різної кратності заряду (рис. 3).
Кутові розподіли однозарядних іонів мають істотно більшу неоднорідність, у порівнянні з залежностями ji(б) для двохзарядніх іонів. На рис. 3 не приведені кутові розподіли для трьохзарядних іонів, кількість яких у плазмі досліджуваних металів на осі розряду не перевищує кількох відсотків, а кутові розподіли відрізняються ще більшою однорідністю, чим залежності ji(б) для двохзарядніх іонів. Внаслідок різниці між кутовими розподілами іонів різної кратності заряду у вакуумній дузі спостерігається залежність іонного складу плазми від кутової координати й од відстані до площини катода. На характер залежностей ji(б) впливають геометрія робочої поверхні і температура катода. Енергія іонів і температура електронів також залежать від кутової координати і зменшуються в області малих кутів до площини катода. Істотний вплив на параметри плазми чинить взаємодія іонів із краплинною фазою ерозії катода і наявність електричного поля в плазмі.
У зоні малих тисків газу, коли процесами іонізації нейтральних часток електронами і перезарядженням іонів, що генеруються катодною плямою, на молекулах або атомах газу в об'ємі можна знехтувати, відносний рух електронного й іонного компонентів плазми може привести до виникнення бунеманівської нестійкості. Для появи нестійкості цього типу потрібно виконання умови ve. Тут - швидкість відносного прямування електронного ( ) і іонного ( ) компонентів плазми (струмкова швидкість), ve = (Te/me)1/2 - теплова швидкість електронів (Te, me - температура і маса електрона), коефіцієнт б ? 1 залежить від співвідношення іонної (Ti) і електронної температур. При наявності бунеманівської 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. У припущенні максвелівських функцій розподілу для іонів і електронів, а також з урахуванням тієї обставини, що всі параметри плазми залежать тільки від радіуса r, (центр сферичної системи координат збігається з центром катодної плями), можна показати, що справедливі наступні співвідношення:
, (4)
, , (5)
, (6)
, , , (7)
де - напруженість електричного поля і потенціал коливань плазми, k - хвильовий вектор коливань, - плазмова електронна частота, e - заряд електрона, - середня густина плазми в катодній плямі дуги, , n - зарядність іона, ц - потенціал точки простору, а - радіус катодної плями.
Значення енергії іонів титану і концентрації часток, обумовленої з вимірювань густини іонного струму ji як при і 1,9. 106 см/с, задовільно описуються співвідношеннями (4)... (7), якщо в останніх покласти а ~ 10-3 см, n0 ~ 1018 см-3, e[ц (r) - ц (a)]? 5 В, Te 1.25 еВ. При цьому наявність широкого розподілу іонів по енергіях, що спостерігається в експериментах, добре погоджується з припущенням про наявність турбулентної сили тертя між електронами й іонами, що не враховується в попередніх роботах по вивченню газодинамічного механізму прискорення іонів у плазмі вакуумної дуги.
У шостому розділі досліджується взаємодія плазмових потоків із газовою мішенню. Встановлено, що на параметри цих потоків помітний вплив можуть справляти: (1) зміни властивостей катодної поверхні (наприклад, внаслідок утворення на ній сполучень матеріалу катода з газом); (2) різний характер деформації кутових розподілів потоків іонів із різною кратністю заряду. Для увігнутих катодів у плазмі реєструються атомарні іони азоту N+, утримання яких залежить від глибини западини (h) на катодній поверхні і зростає зі збільшенням h. Енергія іонів N+ близька до енергії іонів Ti2+. Потік атомарних іонів азоту зростає з наближенням до поверхні катода. Цей факт дозволяє зробити висновок про те, що виявлені іони N+ генеруються на катоді розряду при горінні катодної плями на включеннях нітриду титана, синтезованого при взаємодії матеріалу катода з газом , що надходить у розрядний об'єм. Залежність кількості іонів N+ від геометрії катода пов'язана з тим, що в реакцію синтезу TiN вступає титан, який конденсується на поверхні катода з плазмового потоку, що генерується катодною плямою дуги. Умови осадження потоку титана на катодну поверхню а, отже, і утворення нітридів на цій поверхні, поліпшуються зі збільшенням глибини западини h.
Мас-спектрометричні вимірювання, проведені для плоских катодів в азоті, а для аргону - і для увігнутих катодів, свідчать про відсутність у плазмовому потоці іонів газу, що рухаються уздовж осі системи в напрямку від катода розряду. Однак, при аналізі часток, що рухаються в поперечному щодо осі системи напрямку, іони газу реєструються в усьому досліджуваному діапазоні тисків (рис. 4). Залежність Ii(p) для іонів аргону й азоту має два явно виражених максимуми різної інтенсивності: перший - при p 10-2 Па, і другий, - при p 1 Па. Такий характер залежності Ii(p) для іонів аргону й азоту пов'язаний, мабуть, із тим, що при різних тисках частки газу, що іонізуються, утворюються в результаті взаємодії атомів газу з іонами титану різної кратності заряду. При тиску азоту р ~ 10-2 Па середня енергія іонів N2+ складає 10 еВ, для іонів N+ і Ar+- ? 8 еВ. Ці значення несуттєво відрізняються від енергії іонів титана, що рухаються в поперечному, щодо осі розряду напрямку: для іонів Тi2+ середня енергія, віднесена до кратності заряду частки 13 еВ. Т. ч. процеси перезарядження в розглянутих експериментальних умовах супроводжуються передачею іонам газу значної кінетичної енергії на рівні від одиниць до десятка електрон-вольт.
Характер залежності електронної температури від тиску газу (стрибкоподібне зменшення при деякому граничному тиску) може бути зв'язаний із зривом бунеманівской нестійкості за рахунок розсіювання електронів на нейтральних частках. Дійсно, при наявності зіткнень електронів з атомами або молекулами газу в рівняння, що описує втрати енергії електронів у розрядному проміжку необхідно додати силу тертя електронів об нейтральний газ: , де - частота співударів електронів із частками газу. Якщо врахувати, що в умовах експерименту при струмі дуги 100 А густина плазми в об'ємі невелика, так що виконується умова:
(8)
( - частота электрон-іонних кулонівських зіткнень), то при Te = const струмкова швидкість u визначається співвідношенням:
. (9)
Тут .
Вважаючи тепер, що , де см2 - ефективний переріз розсіювання електронів з еВ на молекулах газу (наприклад, азоту), N0 - густина часток газу, із (9) неважко одержати умову зриву бунеманівскої нестійкості ( , ):
см-3, (10)
де r - у см. Відповідно до (10), нестійкість спочатку зникає в прианодній області розряду (r 50 cm, N0 (1-2) 1015 см-3), а при великих тисках газу зрив нестійкості відбувається у всьому об'ємі плазми (r < 5 см, N0 < (1-2) 1014 см-3).
Оскільки бунеманівська нестійкість є потужним засобом перетворення енергії спрямованого руху електронів у теплову, її зникнення при рості щільності часток газу в об'ємі повинно приводити до зменшення температури електронів у плазмі. Якщо врахувати також, що при N0 < 1014 см-3 втрати енергії електронів на непружні співудари з частками газу ще недостатні для поглинання значної частини енергії, яка виділяється за рахунок роботи електричного поля над струмом, то виміряне зниження Te із збільшенням тиску газу природно пояснити зривом бунеманівскої нестійкості.
Іонізація часток нейтрального газу електронами і перезарядження іонів, що рухають з катодної плями дуги, на атомах або молекулах газу веде до появи іонів газу, концентрацію яких в об'ємі можна оцінити по
, (11)
де і - коефіцієнти швидкості реакцій іонізації і перезарядження відповідно, ф - час життя іона в об'ємі розрядного проміжку. Розрахунки показують, що накопичення іонів газу веде до розвитку нестійкості, що має граничний характер, тобто збуджується при виконанні умови:
Ni > Ni* , (12)
де >0 визначається із співвідношень:
, ,
.
Аналіз показує, що розхитування коливань починається при досить великих густинах газу:
, (13)
коли бунеманівської нестійкості вже немає у всьому об'ємі розрядного проміжку (розд. 5) і виконується умова ve. При цьому щільність іонів газу стає значною:
. (14)
Розглянута нестійкість відноситься до іонно-звукової. Оцінка частоти коливань плазми, отримана для значень параметрів , см, ve = 5.107 см/с, добре збігається з вимірюваннями. З появою іонно-звукової нестійкості і збільшенням ефективної частоти зіткнень електронів з іонами , сила тертя, що діє на іони газу, повинна скомпенсувати електричну силу . У цьому випадку іони газу залишаться холодними (із температурою порядку температури нейтрального газу) і внаслідок цього будуть швидко накопичуватися в об'ємі розрядного проміжку. У свою чергу, різке збільшення позитивного об'ємного заряду приведе до появи потенційної ями для електронів. На наш погляд, саме цими причинами пояснюється раптова поява немонотонної залежності електричного потенціалу від координати, скорельована з появою коливань, що реєструються зондом. З цим же ефектом можна зв'язати і різке підвищення напруги на розряді, що супроводжується появою позитивного анодного падіння (за даними вимірювань просторового розподілу потенціалу плазми), яке спостерігається при досягненні значень тиску газу, що відповідають появі коливань у плазмі.
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:
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:
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 (рис. 7), 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.
На рис. 8 подані характеристики процесу осадження покриттів у режимі з позитивним анодним падінням потенціалу UA. 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 (рис. 8).
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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. Хороших В.М. Катодный узел электродугового источника плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1999.-Вып.2(10),.-С. 6 –.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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
. 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.
. 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.
. 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.
. Устройство для поджига дуги в вакуумной установке А.с. 1012771/. Аксенов И.И., Брень В.Г., Хороших В.М. (СССР).-4 с.
. 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.
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.