Дуговой разряд и процессы в плазменных ускорителях с испаряемым электродом

Дуговыми называются самоподдерживающимися разряды при относительно большой плотности тока (10²÷10³ А/мм²) и относительно низким катодным падении порядка потенциалов ионизации и возбуждения атомов газовой среды или испаренного металла. Малая величина катодного падения потенциала – это результат действия иных механизмов катодной эмиссии электронов, чем в тлеющем разряде. Электроны создают плотность тока j_е, обеспечивающую протекание полного тока разряда. Катоды испускают электроны в результате термоэлектронной, эмиссии.

В дуговом разряде, катодное падение потенциала составляет 10÷10²В, сила тока – 10÷10³ А. При достаточно высоких давлениях в дуговом разряде происходит термическая ионизация газа. Существует несколько разновидностей дуговых разрядов: дуги высоких и низких давлений, дуги с горячим катодом, вакуумный дуговой разряд с интегрально холодным катодом.

Вакуумной дугой называется разряд, горящий в парах материала электродов при низких давлениях(10 Па-100Па). Он может устойчиво существовать в токовом диапазоне от десятков до сотен ампер при величине напряжения 10÷30 В, практически не зависящей от разрядного тока. Основную часть разрядного напряжения составляет катодное падение потенциала, определяемое в основном видом материала катода.

Минимальный ток разряда определяется его устойчивостью, а максимальный – эффектами пинчевания (сужение, сжатие). При пинчевании, вместо хаотически перемещающихся по поверхности катода микропятен образуется одно сильно разогретое катодное пятно, служащее интенсивным источником пара. Вольт-амперная характеристика становится растущей и разряд переходит в сильноточный разряд с горячим катодом.

Степень ионизации рабочего газа достигает нескольких десятков процентов. Кроме того, благодаря большой плотности тока на катоде 10⁸÷10¹²А/см² появляется возможность формирования покрытий из тугоплавких материалов. При этом благодаря высокой скорости испарения материала из катодного пятна не происходит разделение потока пара на компоненты при испарении многокомпонентных веществ.

Катодная область дуги представляет собой одно или несколько светящихся пятен, скорость движения которых по поверхности катода зависит от его материала и внешних параметров разряда. Испарение материала происходит из катодных пятен, при этом соседние участки не претерпевают существенного нагрева. Под интегрально-холодным понимается такой тепловой режим катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для обеспечения протекающего между электродами тока в результате термоэмиссии. В этом режиме эмиссионными центрами являются катодные пятна, образующиеся на поверхности отрицательного электрода. Свойства пятен зависят от многих факторов, таких, как вид материала, сила тока разряда и даже время его горения.

Катодные пятна – плазменные образования, характеризующиеся высокой плотностью тока (до 10¹² А/м²), высокой поверхностной плотностью мощности, превышающей 10⁹ Вт/м. Температура материала катода в зоне пятна, как правило, превышает температуру кипения. Непосредственно после момента инициирования вакуумной дуги возникают пятна первого рода. Размер этих пятен составляет несколько микрометров, по поверхности катода они перемещаются со скоростью несколько десятков метров в секунду. Для каждого материала существует некоторое значение тока, ниже которого пятна быть не может (обычно это несколько ампер, за исключением вольфрама, для которого минимальный для одного пятна ток около 100 А). Для пятен первого рода характерна сравнительно малая эрозия материала катода 10^–10 кг/Кл. Катодные пятна существуют нестационарно. По мере горения разряда некоторые из них пропадают, но возникают новые. Среднее время жизни пятен первого рода составляет 10^–5 с.

Через 10^–5÷10^–4 с горения вакуумной дуги в зависимости от материала катода пятка заметно изменяются. Размеры их увеличиваются до 10^–4 м, а скорость перемещения по поверхности катода уменьшается примерно на порядок по сравнению с пятнами первого рода. Таким образом, формируются «медленные» катодные пятна или пятна второго рода.

Весьма существенно то обстоятельство, что скорость эрозии материала катода под действием пятен второго рода резко увеличивается и достигает 10^–7 кг/Кл, т.е. возрастает на 3 порядка. Скорость эрозии связана с силой тока вакуумной дуги. Принято считать, что в первом приближении скорость эрозии материала катода m (кг/с) зависит от тока линейно

, (6.16)

где m– коэффициент электропереноса, зависящий от материала катода.

Продукты эрозии, материала катода неоднородны по своему фазовому составу. Они состоят из нейтрального пара и плазмы материала, а также из микрокапельной и осколочной фракций. Соотношение между отмеченными компонентами зависит от вида материала, его обработки, интегральной температуры поверхности, силы разрядного тока, а также от параметров внешнего магнитного поля.

Пятна являются источниками плазмы, ионизированной практически на 100 %. Считается, что потоки нейтрального пара образуются испарением выброшенных в пространство микрокапель и не успевшими остыть следами катодных пятен на поверхности электрода.

Полный ионный ток, извлеченный из плазмы вакуумной дуги, почти не зависит от материала катода и составляет 6÷10 % от тока разряда. Такой результат получен для материалов (Са, Ag, Al, C, Ni, Cu, Zn), теплофизические свойства которых лежат в широких пределах. На основании этих результатов можно считать, что независимо от материала катода полный ионный ток в среднем составляет 8 % от разрядного тока. В связи с наличием плазменных потоков со скоростью 10⁴ м/с пространственное распределение ионной составляющей существенно анизотропно. Электронная температура металлической плазмы различных материалов мало зависит от координаты пространства и тока вакуумной дуги и составляет 1÷3 эВ.

Микрокапельная фракция продуктов эрозии катода являемся специфической особенностью вакуумно-дуговых генераторов плазмы наносимого материала с интегрально-холодным катодом. Наличие капель в продуктах эрозии затрудняет или делает невозможным применение потоков плазмы для нанесения покрытий в некоторых областях (например, в микроэлектронике). Для очистки плазмы от микрокапельприменяют специальные методы.

Микрокапельная фракция характеризуется следующими параметрами. Наиболее вероятный диаметр микрокапель – несколько микрометров. Доля материала катода, эродируемая в виде капель, сильно связана с температурой плавления материала. При медном катоде в виде микрокапель выбрасывается примерно 50 %. Для таких тугоплавких металлов, как вольфрам и молибден, доля микрокапельной фракции на порядок меньше и находится на уровне единиц процентов.

Плазменный ускоритель служит для генерации металлической плазмы, предварительного ускорения ионов и частичной сепарации капельной фазы. Плазменный ускоритель конструктивно состоит из торцевого катода (из напыляемого материала) и кольцевого анода и представляет собой торцевой холловский ускоритель с развитым анодом. Катод и анод имеют принудительную систему охлаждения водой и установлены в герметичный корпус, на котором имеется соленоид. Поджиг дуги осуществляется путем искрового пробоя воздушного промежутка и загорания дуги в парах испаренного материала катода.

Схема электродугового ускорителя, работающего в стационарном режиме представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема электродугового испарителя, работающего
в стационарном режиме:

1 – охлаждаемый катод; 2 – анод, 3 – магнитная система

Давление паров металла в области катодного пятна достигает 10⁵ Па, поэтому в зоне пятна не происходит взаимодействия с напускаемым газом. Взаимодействие реализуется в следующих областях: на катоде в зоне, остающихся после перемещения катодного пятна; непосредственно на поверхности подложки, где происходит реакция конденсированных частиц с газом.

Одним из наиболее важных факторов, определяющих условия осаждения покрытий является неоднородность плазменного потока.

Распределение плотности ионного тока по поперечному сечению для различных сил тока в катушках магнитной системы показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Распределение плотности ионного тока в зависимости
от тока в катушках магнитной системы. Установка УРМ-3:

1 – I м.с. = 300 А, 2 – I м.с. = 200 А, 3 – I м.с. = 0

Концентрация ионов растет линейно с увеличением силы тока и уменьшается с увеличением расстояния от катода.

Дата добавления: 2017-02-01