Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми

Abstract

Вступ. Ерозійні джерела плазми забезпечують високопродуктивне формування іонно-плазмових потоків шляхом випарювання матеріалу електродів та мають широке застосування у науці й промисловості для синтезу різноманітних покриттів, модифікації поверхні матеріалів та створення джерел заряджених частинок. Проблематика. На сьогодні проблемою у створенні високоякісних покриттів є їх обмежена однорідність, що зумовлено присутністю мікрокрапельної фази в іонно-паровому потоці ерозійних джерел плазми. Мета. Створення нового покоління ерозійних плазмових джерел, зокрема, вакуумно-дугових, вільних від мікрокрапель, для ефективного синтезу високоякісних покриттів с заданими функціональними властивостями. Матеріали й методи. Для створення джерел чистої металевої плазми було запропоновано та реалізовано оригінальну ідею використання аксіально-симетричної плазмооптичної системи для введення додаткової енергії у потік щільної багатокомпонентної металевої плазми за рахунок ефективного самоузгодженого утворення швидких електронів. Такі енергетичні електрони здатні ефективно впливати на плазмовий потік, що проходить крізь систему, випаровуючи та руйнуючи мікрокраплі, які суттєво обмежують використання ерозійних джерел щільної плазми для технологічних розробок. Результати. Розроблено концептуальний проект комбінованого джерела, яке містить у одному пристрої вакуумно-дугове плазмове джерело та аксіально-симетричну циліндричну електростатичну плазмооптичну лінзу. Запропонована розробка є оригінальною та не має аналогів у світі. Висновки. Наведені результати дослідження відкривають широку перспективність практичного застосування запропонованої ідеї для усунення небажаних мікровключень зі збереженням перенесення маси у потоці металевої плазми, що формується вакуумно-дуговим джерелом. Поєднання плазмової лінзи з вакуумно-дуговим джерелом іонів відкриває нові можливості керування низькоенергетичним плазмовим потоком, що розповсюджується у напрямку до підкладки (при нанесенні плівок) або емісійної сітки (при генерації іонного пучка).

Introduction. Erosion sources of plasma provide a highly productive formation of ion-plasma streams by evaporating the electrode material and have been widely used in science and industry for synthesizing various coatings, modifying material surfaces, and for creating the sources of charged particles. Problem Statement. At present, the main problem in creating high-quality coatings is their limited homogeneity due to the presence of the microdroplet phase in ion-vapor stream of erosion plasma sources. Purpose. To create a new generation of erosion plasma sources, particularly, of vacuum arc-type ones that are free of microdroplets in order to efficiently synthesize high-quality coatings with predetermined functional properties. Materials and Methods. For creating sources of pure metal plasma, an original idea based on the use of axially symmetric plasma-optical system for introducing additional energy into a flow of dense multi-component metal plasma due to efficient self-sustained generation of fast electrons has been proposed. Such energetic electrons are able to effect the plasma flow passing through the system and, particularly, to evaporate and to eliminate microdroplets that essentially limit the use of erosion dense plasma sources for technological developments. Results. Conceptual design of combined source containing vacuum arc plasma source and axially symmetric cylindrical electrostatic plasma-optical lens in a single device has been created. The designed hardware does not have analogs worldwide. Conclusions. The research has opened up wide prospects for practical application of the proposed idea for removal undesired micro-impurities while keeping the mass transfer in metal plasma flow formed by vacuum arc source. Combination of plasma lens with vacuum arc ion source enables controlling low energy plasma flow towards the substrate (i.e., film deposition) or towards emission grid (i.e., ion beam generation).

Введение. Эрозионные источники плазмы обеспечивают высокопроизводительное формирование ионно-плазменных потоков путем испарения материала электродов и широко используются в науке и промышленности для синтеза различных покрытий, модификации поверхности материалов и создания источников заряженных частиц. Проблематика. В настоящее время проблемой в создании высококачественных покрытий является их ограниченная однородность, что обусловлено присутствием микрокапельной фазы в ионно-паровом потоке эрозионных источников плазмы. Цель. Создание нового поколения эрозионных источников плазмы, в частности, вакуумно-дуговых, свободных от микрокапель для эффективного синтеза высококачественных покрытий с заданными функциональными свойствами. Материалы и методы. Для создания источников чистой металлической плазмы была предложена и реализована оригинальная идея использования аксиально-симметричной плазмооптической системы для введения дополнительной энергии в поток плотной многокомпонентной металлической плазмы за счет самосогласованного создания быстрых электронов. Такие энергетические электроны способны эффективно влиять на плазменный поток, проходящий через систему, в частности, испарять и разрушать микрокапли, существенно ограничивающие использование эрозионных источников для технологических разработок. Результаты. Разработан концептуальный проект комбинированного источника, содержащего в одном устройстве вакуумно-дуговой источник плазмы и аксиально-симметричную цилиндрическую электростатическую плазмооптическую линзу. Предложенная разработка является оригинальной и не имеет аналогов в мире. Выводы. Приведенные результаты исследования дают широкие перспективы практического применения предложенной идеи для устранения нежелательных микровключений при сохранении массопереноса в потоке металлической плазмы, формируемой вакуумно-дуговым источником. Объединение плазменной линзы и вакуумно-дугового пламенного источника открывает новые возможности для управления низкоэнергетическим плазменным потоком, распространяющимся по направлению к подложке (при нанесении пленок) или эмиссионной сетке (при генерации ионного пучка).