ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Вакуумное оборудование и источники плазмы
Эксперименты проводили на установке, состоящей из вакуумно-плазменного агрегата, выпрямителя ионной бомбардировки, источников питания дуги, стойки управления и средств диагностики плазмы.
В состав вакуумно-плазменного агрегата входят: вакуумная камера с источниками плазмы и поворотным устройством, система откачки, гидросистема и система подачи газа.
Вакуумная камера выполнена из стали Ст. 3 и имеет цилиндрическую форму. Ось камеры ориентирована горизонтально. Длина камеры - 500 мм, диаметр - 500 мм. На обоих торцах камеры с помощью шарнирных петель закреплены крышки. На боковых стенках и крышках камеры имеются шесть горловин с одинаковыми фланцами, к которым крепятся: смотровое окно, поворотное устройство, источник плазмы, масс-спектрометр, зонды и переходник к системе откачки. На боковой поверхности камеры размещены штуцер для напуска рабочего газа и кронштейн для крепления натекателя, автоматически поддерживающего давление газа на заданном уровне.
Корпус и крышки камеры охлаждаются проточной холодной водой в режиме измерения параметров плазмы и осаждения покрытий и в целях уменьшения сорбции газов прогреваются горячей водой в режимах разгерметизации, обезгаживания и откачки. Все разъемные соединения уплотняются прокладками из вакуумной резины.
Камера соединяется переходником с высоковакуумным агрегатом. На переходнике размещены: клапан для напуска атмосферного воздуха в камеру, клапан системы вентиляции и блок измерительных ламп (ПМТ-1, ПМИ-10, ПМИ-51) - датчиков вакуумметра ВИТ-3. Система откачки вакуумной камеры выполнена на базе высоковакуумного агрегата АВП 250-630 и форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Камера с переходником, высоковакуумный агрегат и индукционный нагреватель, предназначенный для нагревания проточной воды при прогреве камеры, установлены на подставке.
Исследуемый стационарный дуговой разряд низкого давления (вакуумная дуга) создавался в источниках плазмы двух типов:
1. источник плазмы с магнитным удержанием катодного пятна [148, 149];
2. источник плазмы с автостабилизацией катодного пятна [169].
Схематический чертеж источника плазмы с магнитным удержанием катодного пятна представлен на рис. 2.1 а.
Дуговой разряд зажигался между катодом 1 и анодом 5. Инициирование разряда производилось высоковольтным пробоем по поверхности керамической втулки 6 между поджигающим электродом 3 и кольцевым электродом 7, электрически соединенным с фланцем 11. Электрическая развязка катодного узла источника плазмы от анода обеспечивалась изолятором 9. Удержание катодного пятна на рабочей (торцевой) поверхности катода осуществлялось магнитным полем катушки 8. Коррекция структуры магнитного поля осуществлялась с помощью ферромагнитного концентратора 13, представляющего собой систему двух колец из стали Ст. 3. Концентратором принудительно задается острый угол между силовыми линиями магнитного поля и боковой поверхностью цилиндрического катода, что гарантирует удержание на его торце катодного пятна при любой степени выгорания катода.
Рис. 2.1. Источники плазмы с магнитным удержанием а) и автостабилизацией катодного пятна: 1 - катод; 2 - экран; 3 - поджигающий электрод; 4 - вспомогательный анод; 5 - основной анод; 6 - диэлектрическая втулка; 7 - кольцевой зазор; 8 - соленоид; 9 - изолятор; 10 - вывод поджигающего электрода; 11 - водоохлаждаемый фланец; 12 - водоохлаждаемый вывод катода; 13 - концентратор; 14 - фокусирующая катушка.
Детали источника изготовлены из нержавеющей стали Х18Н9Т, изоляторы - из оргстекла. Тыльная сторона катода и опорный фланец источника плазмы охлаждались проточной водой.
В источнике плазмы с автостабилизацией катодного пятна (рис. 2.1б) стабилизация разряда на торцевой поверхности катода осуществляется собственным магнитным полем дуги и токов, текущих в теле катода [169]. При этом эффект стабилизации имеет место только при определенной геометрии рабочей поверхности катода. В случае использования катода цилиндрической формы стабилизация пятна дуги на торцевой поверхности обеспечивается при наличии кольцевого выступа на торце катода по его границе с боковой поверхностью [170]. Дополнительными стабилизирующими элементами в источнике плазмы данного типа служат вспомогательный анод 4 и электростатический экран 2. Назначение остальных элементов устройства - такое же, как и в рассмотренном выше источнике плазмы с магнитным удержанием катодного пятна.
В описанных в литературе стационарных электродуговых источниках плазмы обычно применяются электромеханические системы зажигания дуги с помощью дополнительного поджигающего электрода, через балластное сопротивление электрически соединенного с анодом и приводимого в кратковременное соприкосновение с катодом [148]. Этот способ инициирования разряда обладает низкой надежностью и особенно нежелателен в случае применения источников плазмы с электромагнитными системами управления плазменными потоками. Наличие неоднородностей магнитного поля, связанных с наличием электромагнитной катушки поджигающего устройства, может привести к искажению формы разряда и перебросу дуги на поджигающий электрод, находящийся под потенциалом анода. В связи с этим в источниках плазмы, используемых при выполнении настоящей работы, применялось бесконтактное плазменное поджигающее устройство [171, 172].
Схема поджигающего устройства представлена на рис 2.2.
Поджигающее устройство состоит из следующих элементов: кольцевого электрода 1 (вспомогательного анода), керамической втулки 3, поджигающего электрода 4 и блока управления 7. Кольцевой электрод соединялся с анодом 6 через резистор R, а с катодом 2 - через конденсатор С. Устройство работает следующим образом. При подаче на поджигающий электрод высоковольтного (3 кВ) запускающего импульса от блока поджига 7 происходит пробой между указанным электродом и кольцевым электродом по поверхнос