Датчик тока

Особенности ионизированных атмосфер

Управление потенциалом ионизированной газовой среды

Для ионизации технологической атмосферы в рабочее пространство вакуумной печи вводят один, реже два электрода и подают на эти электроды высокое (от 300 до 1000 В) постоянное, пульсирующее или высокочастотное напряжение. При этом формируется характерное свечение – тлеющий разряд.

Ионизированные атмосферы обладают рядом особенностей, которые затрудняют контроль и управление их потенциалом:

1) под действием электрического поля происходит ряд неравновесных процессов (около 200), среди которых:

- ионизация (А®А⁺+е);

- диссоциация (АВ®А+В);

- возбуждение (А®А^*);

2) в результате в ионизированной атмосфере присутствуют несколько сотен различных частиц; обычно это одно- или двухатомные химически активные частицы, находящиеся в сверхравновесных концентрациях;

3) сверхравновесные концентрации химически активных частиц определяют большое значение потенциала ионизированной атмосферы, иногда существенно превышающее предельную растворимость насыщающего элемента в насыщаемом материале;

4) основные процессы, происходящие в тлеющем разряде, сосредоточены в узкой (0,5…2 мм) области катодного падения потенциала (области тлеющего свечения);

5) кроме того, химический состав этой области отличается от исходного химического состава атмосферы.

Эти особенности не дают возможности использовать датчики и устройства измерения потенциала газовой ХТО. Невозможность измерения потенциала приводит к необходимости стабилизации исходного состава, т.е. расходов компонентов атмосферы. Однако потенциал ионизированной атмосферы зависит также от площади насыщаемой поверхности. Таким образом, возникает необходимость поддержания на заданном уровне удельного (на единицу площади) расхода насыщающего компонента атмосферы.

Возможны два способа решения этой задачи:

- обработка садок деталей неизменной площади, для которой эмпирически установлен оптимальный расход насыщающего компонента;

- измерение площади насыщаемой поверхности.

Первый способ приемлем для массового производства, с большими объемами одинаковой продукции. Однако областью преимущественного использования ионной ХТО является серийное производство.

Для измерения площади насыщаемой поверхности можно использовать датчик тока, разработанный немецкой фирмой «IPSEN».

1 – камера тлеющего разряда;

2 – тлеющее свечение;

А – анод;

К₁ – технологический катод;

К₂ – катод датчика тока;

S ₁ - выключатель датчика тока;

R ₁, R ₂ – шунты для измерения тока;

U _выс - источник питания тлеющего разряда;

I ₁ - ток технологического катода;

I ₂ – ток датчика тока;

U_{I 1}, U_{I 2} – выходные сигналы.

В камеру тлеющего разряда 1 введены два катода: К₁ – технологический – для размещения садки обрабатываемых деталей; К₂ – катод датчика тока. Оба катода подключены к источнику питания тлеющего разряда U _выс через шунтирующие резисторы R ₁ и R ₂ для измерения токов разряда I ₁ и I ₂.

Датчик тока представляет собой электрод известной площади S _дт, изготовленный из материала обрабатываемых деталей. Технологический катод вместе с садкой деталей имеет площадь S _к, которую необходимо измерить.

Можно предположить, что плотности тока j, протекающие через датчик тока К₂ и технологический катод К₁, одинаковы:

j ==,

где I ₁ и I ₂ – токи, протекающие через технологический катод и датчик тока.

При измерении двух токов площадь катода S _к может быть рассчитана следующим образом:

S _к = · S _дт,

или при измерении падения напряжения на шунтирующих резисторах R ₁, R ₂:

S _к = S _дт = k ·.

Измерение площади садки проводят перед началом процесса насыщения после катодного распыления, затем датчик тока отключают. Во время насыщения возможны ошибки измерения, связанные с различием плотности тока j, протекающего через поверхности датчика и технологического катода.

Управление удельным расходом осуществляют следующим образом:

- эмпирически устанавливают удельный расход насыщающего компонента, необходимый для получения требуемого результата насыщения; поскольку это значение зависит от температуры и других параметров, полученные данные удобно представлять в виде номограмм;

- с помощью датчика тока измеряют площадь садки;

- рассчитывают и устанавливают расход насыщающего компонента в соответствии с номограммами удельного расхода и площадью поверхности.

Свойства датчика тока:

- погрешность измерения площади садки ±10 % (по данным фирмы «IPSEN»);

- датчик не способен «различить» технологическую оснастку и обрабатываемые детали; первая не поглощает атомы насыщающего элемента, что приводит к погрешности расчета требуемого расхода газа;

- датчик тока выполняет еще одну функцию, – дает возможность измерения плотности тока j, который является технологическим параметром ионной ХТО. От значения j зависит потенциал атмосферы и дополнительный подогрев (перегрев) поверхности, вызываемый энергией тлеющего разряда.

Дата добавления: 2014-01-14