1.5 Источники плазмы для вакуумной
ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
1.5.1 Разряды, используемые в источниках плазмы
Основной способ получения плазмы в установках для вакуумной ионно-плазменной обработки – перевод вещества в плазменное состояние посредством различного рода электрических разрядов.
Разряд – это процесс протекания электрического тока через среду.
Разряды можно классифицировать:
I. По способу поддержания разряды делят на самостоятельные и несамостоятельные.
Самостоятельный разряд горит в отсутствие внешнего источника ионизации, ионизация осуществляется за счет электрического поля.
В несамостоятельном разряде ионизация осуществляется за счет внешнего источника (излучение, быстрые электроны, вспомогательное внешнее переменное электрическое поле)
II. По способу генерации рабочей среды разряды делят на горящие в парах материала электродов и в парах принудительно подаваемого вещества.
В разряде, горящем в парах материала электродов, рабочей средой для протекания разряда являются пары металла, испаренные из диффузионных пятен, горящих либо на катоде, либо на аноде, либо и на катоде, и на аноде.
В разряде, горящем в парах принудительно подаваемого рабочего вещества рабочей средой служит, как правило, газ, который может подаваться либо через катод, либо через анод, либо в стороне от электродов.
III. По вольт-амперным характеристикам различают следующие основные виды разрядов: 1) тлеющий; 2) дуговой; 3) темный таунсендовский разряд; 4) коронный разряд; 5) искровой разряд. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) различных видов разрядов при давлении 133 Па приведена на рис. 1. Для источников плазмы для вакуумной ионно-плазменной обработки наибольшее значение имеют тлеющий разряд и вакуумно-дуговой разряд.
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики различных видов разрядов в неоне
1 – темный или таунсендовский разряд; 2 – переход к тлеющему разряду;
3 – нормальный тлеющий разряд; 4 – аномальный тлеющий разряд;
5 – переход к дуге; 6 – дуговой разряд
Тлеющим разрядом называется самостоятельный разряд в газах с холодными электродами при небольшой силе тока (10-5 – 100 А) и высоким падением напряжения вблизи катода (102-103 В). Визуально он представляется как чередование темных и светлых участков различного цвета и интенсивности свечения между электродами.
ВАХ тлеющего разряда есть прямая, параллельная оси тока, то есть напряжение между электродами не зависит от силы тока. Это объясняется тем, что разрядом покрывается лишь часть поверхности катода, и с увеличением силы тока возрастает ее площадь, так что плотность тока остается постоянной.
В дуговом разряде катодное падение потенциала мало и составляет несколько десятков вольт, сила тока велика – 101-103 А. ВАХ разряда падающая.
Тлеющий и дуговой разряды различаются не только по величинам тока и напряжения. В них существенно различны механизмы электронной эмиссии с катода, без которой не мог бы течь постоянный ток. В тлеющем разряде происходит вторичная эмиссия: электроны выбиваются с поверхности холодного металла ударами положительных ионов или световыми квантами. в дуговом разряде из-за сильного тока катод разогревается до высокой температуры и электроны как бы «испаряются» с его поверхности – происходит термоэлектронная эмиссия.
Существование дугового разряда обеспечивается электронами, эмитируемыми катодом при его бомбардировке положительными ионами, которые ускоряются сильным полем вблизи катода, а также за счет фотоэффекта благодаря излучению атомов в разряде. Эти электроны, ускоряясь в электрическом поле при движении к аноду, производят ионизацию атомов, чем рождают новые электроны по направлению к аноду и ионы, бомбардирующие катод и усиливающие эмиссию.
IV. По типу катодов различают разряды в режиме с горячим катодом и в режиме с холодным катодом, а также разряды с накаленным катодом.
Дуговой разряд с горячим катодом реализуется при использовании термоэмиссионного катода, изготовляемого, как правило, из тугоплавких материалов (например W, Ta) и нагреваемого в разряде до высоких температур. На разогретом катоде перенос тока осуществляется в области неподвижного диффузионного пятна, плотность тока в котором для вакуумных дуговых разрядов, в зависимости от условий, может меняться в пределах 101-103 А/см2, а температура – в пределах 1000-4000 К.
При холодном режиме катода средняя по его поверхности температура недостаточна для обеспечения протекающего между электродами тока в результате термоэмиссии. В этом режиме эмиссионными центрами являются катодные пятна, образующиеся на поверхности катода. Катодные пятна состоят, в свою очередь, из отдельных элементарных ячеек, каждая из которых обладает конечным временем жизни, т.е. при постоянном токе дуги на холодном катоде происходит непрерывный процесс самопроизвольного распада катодных ячеек и образование новых ячеек в результате деления старых.
Свойства пятен зависят от многих факторов, таких как вид материала, сила тока разряда и даже время его горения. Катодные пятна характеризуются очень высокой плотностью тока (до 108 А/см2). Температура материала катода в зоне пятна, как правило, превышает температуру кипения материала катода.
Накаленный катод осуществляет термоэмиссию электронов в результате его резистивного нагрева проходящим током.
Вакуумной дугой называется сильноточный разряд при низких давлениях, горящий исключительно в парах материала катода, поставляемых в результате эрозии из области катодных пятен. Она может устойчиво существовать в токовом диапазоне от десятков до сотен ампер при величине напряжения 10-50 В, практически не зависящей от разрядного тока.