НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 67.05

МГТУ им. Н.Э. Баумана

kirillovdv@gmail.com

duh@power.mstu.ru

svetasch@yandex.ru

Вакуумно-дуговые испарители с холодным катодом широко используются для нанесения защитных и упрочняющих покрытий в вакууме. Этот метод позволяет наносить покрытия стабильного состава при высоких скоростях роста и низких энергетических затратах. Опыт эксплуатации показывает, что работа испарителя может сопровождаться неустойчивостями в работе и погасанием дуги, особенно при низких значениях тока разряда и низком давлении в камере. Магнитное поле оказывает стабилизирующее влияние на горение вакуумной дуги и позволяет управлять движением катодного пятна. В вакуумно-дуговых испарителях магнитное поле применяется для стабилизации разряда и фиксации траекторий движения катодного пятна в нужных границах на катоде [1]. Стремление повысить коэффициент использования материала катода и качество покрытия заставляет использовать арочное магнитное поле для управления движением катодного пятна по заданным траекториям на поверхности катода [2-3]. Идея фиксации катодного пятна арочным магнитным полем впервые была высказана в работе Кесаева И.Г. и Пашковой В.В. [3]. Силовые линии такого поля расположены над катодом и имеют вид дуг, которые своими концами упираются в катод. Катодное пятно движется внутри такой арки, в области, где перпендикулярная катоду составляющая магнитного поля равна нулю (вершина арки). Движение происходит перпендикулярно плоскости арки в направлении противоположном силе Ампера. Управляющее воздействие на катодное пятно при арочной конфигурации магнитного поля наблюдается уже при индукции магнитного поля над поверхностью катода в В>5·10^-4 Тл. При этом важно знать, как величина индукции магнитного поля влияет на скорость движения катодного пятна.

Известны зависимости скорости перемещения катодных пятен на различных материалах от величины индукции магнитного поля [5-6] при токах разряда I_p= 25-75 А при магнитных полях B=0,1-1,5 Тл. Скорости перемещения катодных пятен лежат в диапазоне V=25-100 м/с. Такие параметры тока разряда и индукции магнитного поля не характерны для современных дуговых испарителей в которых ток разряда лежит в диапазоне  I_p=85-600 А, а индукция магнитного поля B=3-30 мТл. В работе [7] были получены данные для токов разряда I_p=60-400 А и магнитных полей B=2-16 мТл. Скорость перемещения катодных пятен на титановом катоде составили V=5-50 м/с. При индукции магнитного поля более 8 мТл скорость движения катодных пятен менялась мало.

В данной работе получены зависимости скорости движения катодных пятен на титановом катоде от величины индукции магнитного поля, при токах разряда I_p= 80-160 А. Индукция магнитного поля на поверхности катода менялась в диапазоне B=1,7-14 мТл. Данные получены для разряда в аргоне при давлении p=2·10^-2 Па и для разряда в азоте при давлении p=4·10^-1 Па. Остаточное давление в вакуумной камере составляло p=6·10^-3 Па.

Эксперименты проводились в камере вакуумного поста УВН70-А2. Камера представляет собой цилиндр диаметром D=700 мм и длиной L=700 мм. На боковом фланце был закреплён дуговой испаритель с торцевым цилиндрическим охлаждаемым титановым катодом диаметром D_к=150 мм (рис.1а). Материала катода Ti 6-2-4-2 по стандарту ASTM. Химический состав катода: Ti 86,2 %, Al 6,4 %, Zr2,7 %, Mo 1,9 %, V 1,9 %, Fe 0,8 %. Состав катода был получен с помощью рентгенофлуоресцентного анализатора Bruker S1 Turbo, предоставленного ЗАО «Мелитек». Дуговой испаритель оснащен электромагнитной системой, которая создаёт на поверхности катода арочное магнитное поле и позволяет изменять величину и конфигурацию магнитного поля. Катодные пятна двигались под аркой линий магнитного поля в месте, где магнитное поле имеет только параллельную составляющую к поверхности катода (см. рис. 1б). В качестве источника питания использовался сварочный выпрямитель ВД-306. Вакуумная дуга инициировалась на боковой поверхности катода испарителя методом инжекции плазмы в разрядный промежуток. Величина индукции магнитного поля определялась измерителем магнитной индукции Ш1-8 на расстоянии 3 мм от поверхности катода в точке 4 (рис. 1а) под аркой магнитного поля.

Скорость движения катодных пятен определялась методом скоростной видеосъёмки. Для фоторегистрации движения привязки использовалась скоростная видеокамера VS-FAST-NG ЗАО «НПК Видеоскан». Видеокамера позволяла проводить непрерывную видеосъёмку с частотой до 5000 кадров в секунду и минимальным временем экспозиции 4 мкс. Камера устанавливалась в торце катода дугового испарителя, на его оси. Съёмка велась через кварцевое стекло. Средняя скорость движения вычислялась по времени  экспозиции и длине участка траектории катодного пятна, зафиксированного на одном кадре. Для оценки средней длины дорожки привязки было выполнено не менее 10 измерений для каждого из режимов. Время экспозиции выбиралось таким образом, чтобы длина дорожки была достаточной для определения средней скорости, а изображение ведущих пятен не накладывалось на конец дорожки.

На рис. 2 приведены типичные траектории движения катодных пятен для двух различных режимов: индукция арочного магнитного поля B=1,3 мТл и B=14 мТл при токе разряда I_p=100 А. На рис. 3 и рис. 4 приведены зависимости скорости движения катодных пятен при давлении аргона  p=2·10^-2 Па.

Нитрид титана является наиболее распространённым и изученным соединением для получения износостойких покрытий. Для исследования влияния отравления катода на скорость движения катодной привязки была измерена скорость движения катодных пятен в реактивном газе – азоте. На рис. 5 и рис. 6 приведены зависимости скорости движения катодных пятен при давлении азота p=4·10^-1 Па.

Как и ожидалось, скорость движения катодных пятен растёт с увеличением индукции магнитного поля. В работе [7] при значении индукции касательной составляющей арочного магнитного поля  B>8 мТл наблюдается замедление нарастания скорости при росте индукции магнитного поля, и скорость более 25 м/с не достигается (рис. 7а). В нашем случае явного насыщения нарастания скорости не наблюдается при полях индукции магнитного поля B>13 мТл. Предполагается, что при дальнейшем увеличении индукции магнитного поля будет достигнуто насыщение скорости движения привязки. Причём, максимальная скорость будет совпадать с указанной в [7] при прочих равных условиях.

В источнике [7] получены аналогичные результаты при увеличении скорости движения пятна от тока разряда: закон увеличения линейный в диапазоне от 70 до 350 А при индукции магнитного поля 10 мТ. Наклон прямой составляет 0,085 м/(с·А), в то время, как нами было получено значение 0,05-0,07 м/(с·А) в зависимости от тока разряда. Таким образом, интенсивность увеличения скорости от тока разряда, полученное авторами [7], выше, чем было получено нами.

Разница в результатах, возможно, заключается в разных распределениях магнитного поля за срезом магнитопровода. Закон убывания индукции магнитного поля от расстояния экспоненциальный, и сильно зависит от расстояния между полюсами магнитопровода [8]. Расхождение в результатах может быть обусловлено примесями в материале катода, т.к. скорость движения катодной привязки на катоде из алюминия, которого в сплаве 6,4 %, в несколько раз ниже, чем на катоде из чистого титана.

Существенного изменения скорости катодной привязки в присутствии азота не выявлено. В реактивном газе поверхность катода покрывается тонкой плёнкой соединения материала катода с напускаемым газом (эффект «отравления катода»). Это может провоцировать другие процессы горения катодных пятен на плёнке, что в свою очередь может вызвать изменение скорости движения привязки [9-10]. Видимо, влияние плёнки нитрида титана на поверхности катода минимально из-за металлической проводимости нитрида титана [11].

Выводы:

1. Скорость перемещения катодных пятен вакуумной дуги растет при увеличении тока разряда и величины тангенциальной составляющей индукции внешнего магнитного поля.

2. При величине тангенциальной составляющей индукции магнитного поля 1…14 мТл для токов разряда в диапазоне 80…160 А на титановом катоде средняя скорость катодного пятна составляет 4…23 м/с. Предела увеличения скорости катодной привязки от величины индукции магнитного поля не выявлено.

3. Существенной разницы в скорости движения катодных пятен по поверхности в среде аргона и азота не выявлено.

Литература.

1.     Саксаганский Г Л. Электрофизические вакуумные насосы. М: Энергоатомиздат, 1988, 280 с.

2.     Духопельников Д.В., Жуков А.В., Костин А.А., Юрченко А.А. Управление движением катодного пятна в линейных вакуумно-дуговых испарителях // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. №11. С. 45-49.

3.     Духопельников Д.В., Жуков А.В., Кириллов Д.В., Марахтанов М.К. Структура и особенности движения катодного пятна вакуумной дуги на протяжённом титановом катоде. «Измерительная техника» №10/2005 - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – С. 42-44.

4.     Кесаев И.Г., Пашкова В.В. электромагнитная фиксация катодного пятна //Журн. гехн. физики. -1959. -Т.29, №3. – С. 287-298.

5.     S. К. Sethuraman and М. R. Barrault. Study of the Motion of Vacuum Arcs in High Magnetic Field // Journal of Nuclear Materials. 1980, v. 93-94, p. 791 - 798.

6.     S. K. Sethuraman, P. A. Chatterton, M. R. Barrault. A study of the erosion rate of vacuum arcs in a transverse magnetic field // Journal of Nuclear Materials. 1982, v. 111- 112, p. 510-516.

7.     SwiftP.D., McKenzieD.R., FalconerI.S. Cathodespotphenomenaintitaniumvacuumarcs -  J. Appl. Phys., Vol. 66, No. 2, 1989.

8.     Духопельников Д.В. Исследование магнитных полей в магнетронных системах ионного распыления //Состояние и перспективы дальнейшего развития плазменных процессов: Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому совещанию. -Москва, 1992. -С.13-16.

9.     Вакуумные дуги: Пер. с англ./Под ред. Дж. Лафферти. – М.: Мир, 1982. – 432с.

10.  JuttnerB. Cathodespotsofelectricarcs. Topicalreview – J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 2001, R103–R123.

11.  Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Синтез упрочняющих наноструктурных покрытий. – Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2008. № 2. С. 119-130.