1

Катодные пятна - очень важное явление в вакуумных дугах.

Однако не существует общепринятого объяснения некоторых их свойств, в том числе и такого,

как обратное движение в тангенциальном магнитном поле.

Катодные пятна (КП) существуют в виде ярко светящихся точек,

быстро перемещающихся по поверхности катода. КП бывают 1-го типа,

существующие в низком вакууме и при наличии на катоде

диэлектрических плёнок или различных загрязнений. КП 2-го типа,

образуются на очищенных (в частности, катодным пятном) поверхностях и

при высоком вакууме. КП 3-го типа, появляются при больших токах,

главным образом, на катодах с высокой упругостью паров.

Для КП 1-го типа характерны высокая скорость персмещения

(100 ... 500 м/с) и низкая эрозия (3,5 ... 13 мг/К). Судя по свечению плазмы,

диаметр этих пятен, например, для бериллия, составляет 460 мкм [4].

Внутренняя структура КП 1-го типа состоит из значительного числа

(нескольких десятков) одновременно существующих ячеек с размерами

порядка нескольких микрометров и менее. На медном катоде КП

диаметром 50 ... 80 мкм состоят из фрагментов с размерами 5 ... 30 мкм и с

током 10 ... 30 А на фрагмент. В свою очередь, фрагменты имеют тонкую

внутреннюю структуру в виде одновременно существующих ячеек с

размерами около нескольких микрометров [5]. Внутри КП 1-го типа

ячейки находятся друг от друга на расстоянии 20 ... 50 мкм [6].

КП 2-го типа обладают скоростями персмещения на два порядка

меньшими и эрозией примерно на два порядка больше, чем КП 1-го типа.

Диаметр такого пятна, оценённый по ширине пика яркости, составляет

10 .. .40 мкм, и его тонкая внутренняя структура в виде ячеек

просматривается слабее [2, 4].

КП 3-го типа малоподвижны, с большим количеством капельной

фазы существуют преимущественно на легкоплавких металлах [7].

2-4. Основные требования к вакуумно-Дуrовым испарителям

Конструкция испарителя должна удовлетворять ряду требований. В

основном, к испарителям предъявляются следующие требования:

- надёжный заnуск и поддержание дугового разряда в широком

диапазоне токов;

локализация катодных пятен (КП) на испаряемой поверхности

катода;

оптимальная диаграмма направленности плазменных nотоков;

минимальное количество и размеры капель в потоках плазмы;

максимальный коэффициент использования материала катода

(отношение веса отработанного катода к весу исходного);

- достаточный запас испаряемого материала;

- возможность удобной и быстрой смены катодов.

Для удовлетвореНI.я этих требований при разработке испарителя

необходимо учитывать следующие закономерности существования и

персмещения КП по испаряемой nоверхности.

1. КП всегда движутся по катоду к месту подключения к нему

источника питания дугового разряда под действием магнитного поля тока,

протекающего по катоду, и локализуются у токоподвода. Скорость их

персмещения увеличивается с увеличением плотности тока разряда,

протекающего по катоду.

2. При наличии внешнего магнитного поля КП движется:

а) перпендикулярно его тангенциальной составляющей в сторону,

противоположную предписываемой правилом Ампера («обратное»

движение КП);

б) в сторону острого угла, образованного силовыми мnгнитными

линиями и поверхностью катода (одновременно с «обратным»

движением);

в) в направлении, противоположном градиенту нормальной к

поверхности катода составляющей внешнего магнитного поля.

3. При существовании в области катода градиента давления

(например, в случае локальной течи или другого источника газавыделений

у катода) КП всегда перемешаются в сторону увеличения этого градиента.

4. КП находятся на катоде в таких местах, где создаются условия,

при которых межэлектродное падение напряжения будет минимальным. В

частности, положительный столб вакуумной дуги стремится к

минимальной длине, поэтому при равных прочих условиях КП движется

по катоду к местам, расположенным наиболее близко к аноду.

Падение напряжения в положительном столбе будет минимальным,

когда электроны от КП движутся вдоль магнитных силовых линий к

аноду, т.е. если одна и та же силовая линия пересекает катод и анод. Оно

максимально, если электрическое поле анода перпендикулярно силовым

линиям внешнего магнитного поля в межэлектродном пространстве.

5. При наличии на катоде участков из материалов с различным

катодным падением напряжения (составной или мозаичный катод) КП

локализуются в основном на материалах с меньшим его значением.

б. Количество и размеры капель в плазменной струе увеличиваются

с увеличением тока через катоднос пятно, поэтому конструкция

испарителя должна обеспечивать минимально возможный пороговый ток

(величина тока, при достижении которой пятна начинают делиться). Для

обеспечения высокой производительности испарителя должно быть много

КП с малыми токами.

7. Количество и размеры капель снижаются при увеличении

скорости персмещения КП .

8. Количество и размеры капель увеличиваются с увеличением

температуры испаряемой поверхности.

5. Конструкции вакуумно-дуговых испарителей.

Существующие вакуумно-дуговые

испарительные устройства можно классифицировать по способу

удержания КП вакуумной дуги на поверхности испарения катода. В

основном применяются две разновидности испарительных устройств -

испарители с изолированными экранами и испарители с магнитным

удержанием КП.

Известна ещё одна разновидность исnарительных устройств, в

которых удержание КП nроизводится на участках nоверхности катода, на

которых напряжение существования дугового разряда меньше, чем на

остальных участках катода.

В отдельную групnу исnарительных устройств можно выделить

вакуумно-дуговые устройства с наnравленной траекторией движения КП.

Существующие в настоящее время вакуумно-дуговые

исnарительные устройства можно классифицировать:

а) no сnособу удержания КП вакуумной дуги на nоверхности

испарения катода;

б) по воздействию ва КП с целью nридания ему наnравленвой

скорости движения по оnределённой траектории.

К nервому, отмеченному выше типу, относятся:

- испарительные устройства, в которых удержание катодного пятна

на заданных участках катода осуществляется с помощью изолированных

экранов.

- испарители, у которых КП удерживаются на nоверхности

испарения катода с помощью ориентированных определёнвым образом по

отношению к поверхности катода внешних магнитных полей, создаваемых

с помощью электро- или постоянных магнитов;

испарители с удержанием катодного nятна на участках

поверхности катода, в которых напряжение дугового разряда меньше, чем

ва участках катода, на которых не должны перемешаться катодные пятна.

Исnарители с направленной траекторией движения КП можно

условно разделить на:

- испарители с возвратно-nоступательной траекторией движения

КП;

- испарители с замкнутой траекторией движения КП.

Необходимо отметить, что это чисто условная классификация

исnарительных устройств по преобладающему признаку. На самом деле, в

реальных конструкциях испарительных устройств могут встречаться

признаки, характерные для различных способов воздействия на КП. Так в

испарительных устройствах с магнитным у держанием КП очень часто для

надёжности удержания применяют электроизолированные экраны. Тоже

можно сказать об испарительных устройствах с направленной траекторией

движения КП

1.3.1. Испарители с изолированны.М11 экранами

Катод 1 из испаряемого металла, торец 2 которого является

поверхностью испарения, установлен на основании 3, имеющем полость 4,

в которую поступает охлаждающая катод вода. Катод и основание

герметизируются по периферии резиновым уплотнителем 5 и соединяются

вместе с помощью шпилек 6. Желательно, чтобы материал шпилек был

тот же, что и у катода. Катод и охлаждающее его основание со осех

сторон, кроме поверхности испарения, окружены цилиндрическим

экраном 7, прикреплённым к основанию на изоляторах 8. Зазор между

боковой nоверхностью катода и внутренней поверхностью экрана

составляет 1 .. . 3 мм. Стабильность разряда увеличивается при уменьшении

зазора, но увеличивается вероятность его замыкания через плёнку

испаренного металла. В центральной части основания расположен полый

токаподвод 9 к катоду. По нему поступает охлаждающая катод вода. Через

изолятор 10 катодный узел крепится во фланце 11. Возбуждение дугового

разряда осуществляется с помощью поджигающего устройства,

состоящего из изолированного ввода, пружинящей планки 13 и

керамической вставки 12. При подаче высоковольтного импульса

положительной полярности (до 1000 В) на поджигающий электрод

происходит высоковольтный пробой по металлической пленке,

осаждённой на поверхности керамической вставки в процессе работы

испарителя. В результате пробоя на поверхности катода формируется КП,

которое выходит на поверхность испарения катода и возбуждает дуговой

разряд между основными электродами испарительного устройства.