Испарение капель катодного материала в плазме вакуумно-дугового отражательного разряда

• Автор: Дубровская (Прядко), Елена Леонидовна
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА I. КАТОД ВАКУУМНОЙ ДУГИ КАК ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ И МАКРОЧАСТИЦ

обзор литературы.

1.1. Основные свойства катодного пятна вакуумной дуги

1.2. Современные представления о процессах в катодном пятне вакуумной дуги.

1.2.1. Плотность тока в катодном пятне вакуумной дуги.

1.2.2. Эрозионноэмиссионная модель процессов в катодном пятне

1.2.3. Нестационарная гидродинамическая модель процессов в катодном пятне.

1.3. Нагрев капель в потоке катодной плазмы

1.4. Обнаружение и исследование капельных пятен

1.5. Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА И. СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ КАПЕЛЬНОГО И КАТОДНОГО ПЯТЕН
2.1. Экспериментальное оборудование и методика исследований
спектральных характеристик капельных пятен.
2.2. Сравнительный анализ спектральных характеристик капельного и
катодного пятен
2.3. Свечение капель после обрыва тока дуги
2.4. Выводы к Главе II.
ГЛАВА III. ФОРМИРОВАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННОГО
СТОЛБА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ В ПОЛЕТЕ
3.1. Описание экспериментального стенда.
3.2. Исследование характеристик разряда
3.3. Об основных процессах в плазменном столбе вакуумнодугового
отражательного разряда.
3.4. Характеристики ионного потока на выходе из ячейки Пеннинга
3.5. Выводы к Главе III
ГЛАВА IV. СНИЖЕНИЕ ПОТОКА КАПЕЛЬ КАТОДНОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ИХ ПРОЛЕТА ЧЕРЕЗ СТОЛБ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО
ОТРАЖАТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
4.1. Методика измерения и анализа капельной фракции эрозии катода
4.2. Экспериментальные результаты.
4.3. Сопоставление результатов экспериментов с теоретической моделью
капельного пятна
4.4. Выводы к Главе IV
ГЛАВА V. СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ВАКУ УМНОДУГОВОЙ
ИСПАРИТЕЛЬ.
5.1. Испарение капель в полете в существующих вакуумнодуговых
источниках плазмы.
5.1.1. Использование фокусировки плазменного потока в вакуумнодуговых источниках постоянного тока
5.1.2. Сильноточные импульсные источники плазмы
5.2. Сильноточный испаритель на основе огражательного разряда.
5.2.1. Описание сильноточного испарителя.
5.2.2. Электрические характеристики источника.
5.2.3. Исследование динамики двиэсения катодных пятен
5.2.4. Ионноэмиссионные характеристики плазмы
5.3. Использование созданного сильноточного испарителя в технологии формирования поверхностных сплавов.
5.3.1. Описание макета технологической установки
5.3.2. Формирование поверхностного сплава i
5.3.3. Формирование поверхностного сп.чава СиА1 .
5.3.4. Формирование поверхностного сплава i ,.
5.4. Выводы к Главе V
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Созданный сильноточный (до 5 кА) импульсный (до 0,7 мс) вакуумно-дуговой испаритель на основе ячейки Пеннинга обеспечивает на выходе из ячейки однородный поток плазмы диаметром 6 см, характеризующийся следующими параметрами: концентрация электронов до см*3, температура электронов 6-8 эВ, доля ионного тока до %, энергия ионов до -0. В. Плазменный поток характеризуется пониженной долей капельной фракции. Физическая картина элекфических разрядов в вакууме сложна и многообразна [1-]. Развитие вакуумного разряда протекает в несколько стадий. В предпробойной стадии напряжение на промежутке поддерживается высоким, в промежутке протекают небольшие токи (порядка микро-миллиампер). Инициирование пробоя происходит в момент, когда на катоде возникают плотные плазменные сгустки, вызванные взрывным разрушением катодных микроострий протекающим предпробойным током. С этого момента начинается быстрый рост тока в вакуумном промежутке с одновременным падением напряжения на нем, -так называемая искровая стадия пробоя. Существование искровой стадии обусловлено расширением генерируемой катодом плазмы в промежуток со скоростью ~ 6 см/с. Длительность искровой стадии определяется временем заполнения плазмой вакуумного промежутка. К моменту заполнения промежутка плазмой напряжение на нем уменьшается до нескольких десятков вольт, а разрядный ток ограничивается фактически только внутренним сопротивлением разрядного контура. С этого момента наступает дуговая стадия разряда, длительность которой ограничивается только параметрами источника питания разряда. Именно дуговой разряд используется в технологических установках для создания плазмы как источника ионов для ионной имплантации или ионно-плазменного нанесения покрытий [9,-]. К настоящему времени доказано [3,6-8,,], что все своеобразие процессов, протекающих как в искровой, так и в дуговой стадиях вакуумного разряда связано с взрывоэмиссионными процессами на катоде. Такие процессы протекают в «катодных пятнах», которые являются источником плазмы. При функционировании катодных пятен соседние с ними участки катода прогреваются до плавления, что приводит к выбросу капель жидкого металла под действием давления плазмы. Наличие капельной фракции эрозии катода является нежелательным, но неизбежным процессом, сопровождающим горение вакуумной дуги. Катодное пятно представляет собой небольшую ярко светящуюся область над поверхностью катода, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги [1-,]. В области пятна поверхность катода нагрета до высокой температуры, превышающей температуру кипения металла. Над поверхностью катода в пятне существует прикатодная плазма. Различные теоретические оценки и результаты экспериментов по определению физических параметров прикатодной плазмы вакуумной дуги приводят к следующим значениям: концентрация частиц в непосредственной близости от катода п ~ - см'3, высокая степень ионизации, для некоторых материалов достигающая почти 0%, температура электронов Тс ~ 2-4 эВ, температура тяжелых частиц Т < 1 эВ. Катодная плазма расширяется из области пятна, причем измеренные вд&чи от катода скорости ионной составляющей плазмы имеют порядок величины 6 см/с. Основные методические трудности при экспериментальном исследовании катодных пятен связаны с их быстрым перемещением (со скоростью до 4 см/с) при чрезвычайно малых поперечных размерах пятна (~ '‘-'2 см). Если катод не был подвергнут специальной очистке, то его поверхность содержит инородные примеси в виде диэлектрических пленок и включений. В этом случае в начальной стадии дуги на поверхности всех металлов возникают быстро перемещающиеся катодные пятна, которые называют пятнами первого типа [4]. Они существуют независимо друг от друга, вызывая незначительную эрозию поверхности (<'6г/Кл). Инициирование таких пятен связано с пробоем диэлектрических включений при их зарядке ионным током из плазмы. Спустя некоторое время после зажигания дуги (-0 мке при токе -0 А) наряду с пятнами первого типа появляются отдельные пятна больших размеров, у которых скорость перемещения существенно меньше. Эти пятна получили название пятен второго типа.