В расчёте использовались гидродинамические уравнения. Расчёт останавливался на таком расстоянии от катода, на котором вследствие расширения струи концентрация падала на столько, что длина свободного пробега частиц становилась сравнимой с диаметром струи. Граница струи с вакуумом формировалась собственным магнитным полем протекающего в струе тока.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Параметры плазмы в межэлектродном промежутке.
Исследовались преимущественно длинные дуги при геометрии электродов, характерной для установок для напыления различных покрытий. Ионы в плазме межэлектродного промежутка движутся по траекториям, близким к прямолинейным. Некоторое фокусирующее воздействие на них оказывает радиальное электрическое поле с напряжённостью Er ~ 10-1 В/см. Концентрация плазмы в ВД с током ~ 100 А вблизи катода на оси n ~ 1012 см-3 и монотонно падает к аноду до n ~ 1010 см-3. При увеличении тока концентрация растёт по линейному закону. Электроны (с энергией < 10 эВ) имеют Максвелловское распределение по скоростям. Температура электронов Te ~ 1 - 2 эВ. В плазме с такими параметрами в основной части промежутка электроны находятся в бесстолкновительном режиме. Вопрос о формировании функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в таких условиях является сложным. Один из вариантов, обсуждавшихся в литературе, состоит в том, что в основной части межэлектродного промежутка выполнено условие возбуждения неустойчивости Бунемана, которая является мощным средством преобразования энергии направленного движения электронов в тепловую. Неустойчивость Бунемана развивается в плазме в условиях, когда токовая скорость электронов становится близка к тепловой. Развитие этой неустойчивости было обнаружено в экспериментах с длинными ВД. Отметим, что обсуждавшийся выше расчёт показал, что на расстоянии в несколько десятков радиусов струи в критическом сечении (а этот радиус не слишком сильно отличается от радиуса КП), т.е. на расстоянии менее миллиметра от поверхности катода, вследствие расширения струи тепловой (хаотический) ток электронов в плазме становится близок к проходящему в струе току. Иначе говоря, дрейфовая (токовая) скорость электронов близка к тепловой. Это значит, что в самой струе катодного пятна при её расширении в вакуум уже на относительно небольших расстояниях от катода возникает кризисная ситуация – концентрация плазмы, определяемая скоростью эрозии, оказывается недостаточна для стационарного прохождения тока. Для стационарного прохождения тока нужны дополнительные источники плазмы. К этому вопросу мы вернёмся при рассмотрении сильноточных дуг.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Влияние внешнего аксиального магнитного поля.
Исследования ведутся в связи с проблемой повышения эффективности источников металлических ионов. Магнитное поле с индукцией B ≤ 1 Т существенно повышает средний заряд ионов в потоке, генерируемом ВД. Предполагается, что такое магнитное поле оказывает существенное влияние на параметры в катодной струе ещё в области, где существует ионизационное равновесие. Поэтому в переходной области, где ионизационное равновесие нарушается и замораживается зарядовый состав струи, температура плазмы оказывается выше. Соответственно, выше и средний заряд.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Влияние давления газа.
Влияние давления газа наиболее подробно исследовано для азота в дуге с катодом из Ti. Такие дуги используются в технике для нанесения покрытий из нитрида титана (упрочняющие покрытия). Напуск азота уменьшает скорость эрозии катода и ионный ток, генерируемый ВД . Эффект объясняется образованием на поверхности катода нитрида титана TiN, который отличается по сравнению с чистым Ti более низкой скоростью испарения и более высокой температурой плавления. Снижение скорости эрозии происходит, в основном, за счёт уменьшения паровой и капельной эрозии. Доля ионной компоненты в эрозии растёт, но абсолютное значение ионного тока, генерируемого дугой, существенно уменьшается. В разрядном промежутке (в таких дугах – длинном) имеют место процессы перезарядки ионов Ti на молекулах азота с образованием молекулярных ионов азота N2+, которые играют важную роль в процессе связывания азота в покрытии. Столкновения электронов с молекулами азота приводят к колебательному и вращательному возбуждению молекул. Это также играет роль в процессе формирования покрытия и отражается на его свойствах, в первую очередь, на микротвёрдости.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.