Разработка и исследование источника ускоренных ионов и плазмы на основе непрерывного вакуумно-дугового разряда и систем очистки плазмы от микрокапельной фракции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ПРИ ТОМСКОМ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

На правах рукописи

Степанов Игорь Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ И ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНОГО ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА И СИСТЕМ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ОТ МИКРОКАПЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ

01.04.20.-физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Рябчиков А.И.

ТОМСК-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................3

ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ И ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ В ИСТОЧНИКАХ НА ОСНОВЕ ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛА ВАКУУМНОЙ ДУГОЙ..............................11

1.1. Источники плазмы на основе вакуумно-дугового разряда и характеристики формируемых плазменных потоков............................11

1.2. Параметры капельной фазы...........................................................19

1.3. Исследования по формированию очищенных от микрокапельной фракции плазменных потоков и пучков ускоренных ионов в источниках на основе испарения метала вакуумной дугой.....................27

1.3.1. Методы снижения доли микрокапельной фракции в структуре наносимых покрытий................................................................28

1.3.2. Устройства очистки плазмы вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции............................................................32

1.4. Формирование пучков ускоренных ионов в источниках на

основе испарения металла вакуумной дугой.......................................41

Выводы..........................................................................................51

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА ОТ МИКРОКАПЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ................................................52

2.1. Экспериментальное оборудование и методика исследования....52

2.2. Исследование процессов формирования приэлектродного падения напряжения в плазмоводах жалюзного типа...........................60

2.3. Исследование закономерностей распространения плазмы в однощелевой системе жалюзного типа..............................................72

2.4. Исследование процессов распространения вакуумно-дуговой плазмы

в многоэлектродных жалюзных системах..........................................85

2.5. Исследование аксиально-симметричных плазменных фильтров..............95

2.6. Исследование закономерностей очистки плазмы вакуумной

дуги при использовании механического сепаратора...........................108

Выводы...........................:............................................................117

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА

УСКОРЕННЫХ ИОНОВ И ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ « РАДУГА 5» С НЕПРЕРЫВНЫМ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ...........................................................................119

3.1 Разработка плазменного фильтра для источника ускоренных ионов

и плазменных потоков................................................................120

3.2 Система формирования ионного пучка и отсечки плазменных электронов...............................................................................122

3.3 Источник пучков ускоренных ионов и плазменных потоков "Радуга 5"......128

3.4 Исследования по формированию пучков ускоренных ионов и плазменных потоков в источнике "Радуга 5".....................................138

Выводы........................................................................................151

ГЛАВА IV. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСТОЧНИКА "РАДУГА 5".......................................................152

4.1 Исследование особенностей формирования покрытий в режиме генерации источником "Радуга 5" потоков металлической плазмы.........152

4.2 Осаждение покрытий с использованием потоков металлической

плазмы и импульсно-периодических ионных пучков............................161

4.3. Реализация режимов импульсно-периодической ионной имплантации... 164

Выводы........................................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................171

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................173-

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................186

ВВЕДЕНИЕ

Активно развиваемые в течение последних двух десятилетий исследования по взаимодействию заряженных частиц с поверхностью твердого тела, показали перспективность использования потоков ускоренных ионов в качестве уникального инструмента для модификации поверхностных свойств различных материалов. Воздействуя на поверхность металлов, полупроводников, органических материалов потоками плазмы и пучками ускоренных ионов можно направленно изменять на физико-химические, физико-механические, электрофизические и магнитные свойства поверхностных и приповерхностных слоев [1-17].

Один из наиболее перспективных способов генерации плазмы с целью последующего формирования направленных плазменных потоков и пучков ускоренных ионов, основан на использовании вакуумно-дугового разряда (ВДР). Интерес к разработке генераторов плазмы на основе ВДР определяется [18-23]:

- возможностью генерации плазмы любых проводящих материалов, включая металлы, сплавы, композиты, высоколегированные полупроводники;

- высокой степенью ионизации рабочего вещества и наличием многозарядных ионов;

- возможностью формирования потоков ионов в широком диапазоне токов;

- высокими начальными энергиями ионов;

- энергетической эффективностью и простотой реализации данного метода формирования плазменных потоков;

К настоящему времени широкое распространение, в том числе и в промышленных масштабах, получил метод модификации поверхностных свойств материалов, основанный на ионно-плазменном осаждении покрытий. Разра-

ботанные для реализации этого режима генераторы плазмы на основе непрерывного ВДР отличаются высокой производительностью, большим ресурсом и надежностью работы [24-25]. В тоже время разработка и внедрение новых перспективных технологий на основе интенсивно исследуемых методов ион-но-лучевой и ионно-плазменной обработки поверхности материалов сдерживается отсутствием простых, надежных и высокоэффективных источников, с большим ресурсом непрерывной работы, способных генерировать интенсивные потоки плазмы и пучки ускоренных ионов высокой средней мощности. Источники, разработанные к настоящему времени, основаны, как правило, на импульсно-периодическом формировании ВДР, что снижает их производительность и приводит к удорожанию технологий обработки поверхности материалов с использованием источников на основе ВДР.

Серьезной проблемой для реализации методов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки поверхности материалов при использовании сильноточных источников на основе ВДР является также наличие в потоке плазмы и ионном пучке значительной доли микрокапельной фракции [26-29]. Капельная фракция представляет собой компонент продуктов эрозии катода, находящейся в жидком или твердом состоянии. Доля капельной фракции в потоке уносимого с катода материала может составлять несколько десятков процентов. При этом размеры микрочастиц достигают более 100 мкм. Покрытия, сформированные при наличии в плазменном потоке микрокапельной фракции, характеризуются неоднородностью структуры, повышенной пористостью и шероховатостью поверхности. Присутствие капельной фракции в ионном пучке, значительно снижает эффективность реализации процессов ионной имплантации и формирования покрытий в режиме ионного, в том числе и динамического перемешивания. Имеющиеся методы и устройства очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции, с одной стороны, отличаются

сложностью конструкции, а в ряде случаев незначительным снижением в потоке плазмы доли капельной фракции, с другой стороны, значительно затрудняют использование этих устройств, для применения в источниках пучков ускоренных ионов.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с разработкой и исследованием источника ускоренных ионов и плазмы, на основе ваку-умно-дуговых испарителей непрерывного действия и систем очистки плазмы от микрокапельной фракции для реализации широкого круга методов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки поверхности материалов представляется актуальной.

Целью представленной работы являются:

1. Разработка и исследование простых и эффективных устройств для очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции.

2. Разработка и исследование источника на основе непрерывного ВДР для генерации очищенных от микрокапельной фракции интенсивных потоков металлической плазмы с импульсно-периодическим или непрерывным режимом формирования пучков ускоренных ионов.

Научная новизна представленной работы состоит в том, что:

1. Предложены и исследованы новые устройства очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции.

2. Показано, что эффективность транспортировки плазменного потока в электродах жалюзного типа определяется геометрическими параметрами электродов, их расположением относительно направления распространения плазменного потока, потенциалом электродов, а также топографией и величиной создаваемого в области электродов магнитного поля.

3. На примере покрытий из ТШ, И, Си и А1 экспериментально установлено, что применение разработанных плазменных фильтров значительно улуч-

шает морфологию и трибологические свойства пленок, формируемых при ионно-плазменном осаждении покрытий, за счет снижения на 2-3 порядка доли микрокапельной фракции в потоке вакуумно-дуговой плазмы.

4. На основе непрерывного ВДР с катодами больших линейных размеров показана возможность формирования в одном источнике очищенных от микрокапельной фракции непрерывных потоков металлической плазмы и им-пульсно-периодических или непрерывных пучков ускоренных ионов

5. Исследованы режимы формирования пучков ионов и плазменных потоков, а также режимы ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки поверхности материалов при использовании одного источника с непрерывной генерацией потоков металлической плазмы и импульсно-периодическим формированием пучков ускоренных ионов.

Практическая значимость представленной работы определяется следующими результатами.

1. Разработаны конструкции плазменных фильтров для промышленной установки ионно-плазменного нанесения покрытий ННВ 6.6-И1.

2. Разработан источник на основе ВДР с непрерывной генерацией очищенных от микрокапельной фракции потоков металлической плазмы и импульсно-периодическим или непрерывным формированием пучков ускоренных ионов "Радуга 5", позволяющий реализовать ионно-плазменное осаждение покрытий, в том числе, и в режиме динамического ионного перемешивания, а также ионно-лучевую обработку материалов, включая метод высококонцентрационной ионной имплантации.

Диссертационная работа состоит из четырёх глав, введения, заключения и приложения.

В первой главе, на основании литературных данных, выполнен обзор работ и проанализировано современное состояние дел в области разработки

вакуумно-дуговых генераторов плазмы и создания на их основе источников пучков ускоренных ионов. Рассмотрены характеристики, распространяющейся в потоке вакуумно-дуговой плазмы микрокапельной фракции. Большое внимание уделено обзору работ по исследованию методов и разработке устройств очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции.

Во второй главе рассмотрены использованные в работе методы и диагностическое оборудование для исследования параметров распространяющихся потоков вакуумно-дуговой плазмы. Приведены результаты экспериментальных исследований по формированию положительного приэлектродного падения потенциала в источнике с импульсной генерацией плазмы и в электродах жалюзного типа при транспортировке в них плазмы, сформированной на основе непрерывного ВДР. Экспериментально исследованы и проанализированы основные закономерности распространения потоков металлической плазмы, сформированной на основе ВДР, в нескольких разработанных вариантах плазмоводов жалюзного типа, включая системы механической сепарации плазменного потока. На основе полученных экспериментальных данных, обсуждаются вопросы, связанные с повышением эффективности устройств очистки плазмы ВДР от микрокапельной фракции.

Третья глава посвящена разработке и исследованию источника "Радуга 5" для генерации потоков металлической плазмы и импульсно-периодического или непрерывного формирования пучков ускоренных ионов на основе непрерывного ВДР. Приведены результаты экспериментальных исследований основных закономерностей распространения сформированных плазменных потоков в источнике с аксиально-симметричным плазменным фильтром. На основе экспериментальных данных и численного моделирования рассмотрены основные принципы формирования пучка ускоренных ионов при наличии в диодной системе источника плазменного фильтра.

В четвертой главе рассмотрены варианты и условия реализации основных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки поверхности материалов с использованием источника "Радуга 5". Представлены результаты экспериментальных исследований некоторых закономерностей формирования покрытий полученных в различных режимах ионной и плазменной обработки. Проанализированы морфология и трибологические свойства ряда покрытий, сформированных в режиме "безкапельного" осаждения плазмы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Многоэлектродный, прямоточный плазменный фильтр жалюзной конструкции с формированием вблизи электродов магнитного поля за счет пропускания по ним тока и подаче на электроды положительного потенциала обеспечивает уменьшение в 10 -г-10 раз доли микрокапельной фракции в потоке вакуумно-дуговой плазмы с широким поперечным сечением, при 30% 4- 40% эффективности прохождения заряженного компонента плазмы. При использовании одно-щелевого жалюзного плазмовода в условиях, обеспечивающих оптическую непрозрачность системы, эффективность транспортировки плазменного потока достигает 70%.

2. Эффективность прохождения заряженного компонента плазмы непрерывного ВДР в плазмоводах жалюзного типа определяется геометрическими параметрами электродов, их расположением относительно направления распространения плазменного потока, величиной формируемого вблизи электродов положительного потенциала, а также топографией и величиной создаваемого в области плазменного фильтра магнитного поля.

3. За счет ориентации жалюзных электродов плазменного фильтра под различными углами относительно направления распространения плазменного потока можно изменять распределение плотности ионного тока по его сечению.

4. Применение непрерывного ВДР с катодами больших линейных размеров, позволяет эффективно совмещать в одном источнике процессы генерации широких потоков металлической плазмы и пучков ускоренных ионов, значительно повышая при этом непрерывный ресурс работы и производительность источника.

5. Источник на основе непрерывного ВДР с применением плазменного фильтра обеспечивает генерацию очищенных от микрокапельной фракции потоков металлической плазмы с поперечным сечением на выходе источ-

А Л

ника до 250 см и плотностью ионного тока насыщения до 10 мА/см при токе дугового разряда 90 А и формирование пучков ускоренных ионов при ускоряющем напряжении иуСк= 50 кВ в импульсно-периодическом режиме с током до 1 А, а в непрерывном режиме при ускоряющем напряжении до иуск= Ю кВ, ионных пучков с током 0,45 А.

6. Соотношение доли плазменных и ускоренных ионов на поверхности обрабатываемого изделия при использовании источника с непрерывной генерацией плазмы и импульсно-периодическим формированием пучков ускоренных ионов может варьироваться за счет выбора частоты следования импульсов ускоряющего напряжения и изменения расстояния от источника до обрабатываемой поверхности. С помощью источника "Радуга 5" реализуются методы ионной имплантации, включая ионную имплантацию с компенсацией ионного распыления, осаждением плазмы из того же источника, а также методы ионно-плазменного осаждения покрытий, в том числе и в режиме ионного динамического перемешивания.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1994, 1996), 9 Международной Конференции по модификации поверхности пучками ионов металлов (Испания, Сан-

Себастьян, 1995), Международных конференциях по модификации материалов ионными пучками (Австралия, Канбера, 1995, 1996), Международном рабочем совещании по ионно-пучковым технологиям (Томск, 1996), Научно-практической Конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии" (Томск, 1996), III Международном совещании "РВ1Г96" (Германия, Россендорф, 1996), 18 Симпозиуме по физике плазмы и технологиям (Чешская Республика, Прага, 1997), 7 Международной Конференции по ионным источникам (Италия, Таормина, 1997), П-й международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Беларусь, Минск, 1997), Всеро�