4.4 Електронно-променеві випарники

Сучасні електронні гармати сягають потужностей на рівні 100 кВт із продукуванням близько 10 кг пари за годину. Основна складність полягає у створенні ефективного іонізатора пари до електронних гармат. Це завдання остаточно не вирішене до цього часу, проте існує вже декілька типів електронно-променевих випарників (рис. 1.11), які здебільшого використовуються в лабораторіях, а не у масовому виробництві.

У найпростіших з них електронна гармата (1), що формує електронний промінь (2), доповнюється термокатодом (4), який розміщений над заземленим тиглем-анодом (5), оточений екраном (3) та має від’ємний потенціал (рис. 1.11 а). Електронний потік здатний формувати й електричний розряд між газопотоковим порожнистим катодом (6) та допоміжним анодом (7) (рис. 1.11 б). Але обидва типи випарників з електророзрядними іонізаторами ефективні тільки для потужностей електронного променя до 10 кВт. Це обумовлено обмеженою емісійною здатністю термокатода та порожнистого катода. У них частіше за все термоемітером є вольфрам з емісійною продуктивністю при робочих температурах розжарення близько 1 А/см², а енергія пучка електронів становить близько 10 кВ.

Рисунок 1.11 - Електронно-променеві випарники (поперечне магнітне поле для відхилення променя не показане)

Серед електронно-променевих випарників найбільш досконалими є пучково-плазмові випарники (рис.1.11 в), у яких один і той самий потужний електронний промінь (пучок) (2) випаровує та іонізує пару робочої речовини шляхом запалювання пучково-плазмового розряду в повздовжньому до потоку пари магнітному полі соленоїда (9). Для розширення області іонізації використовується радіальне електричне поле додаткового позитивного електрода (8). Пучково-плазмовий розряд запалюється при тисках пари робочої речовини над тиглем (5) близько 1 Па. Спочатку пара іонізується безпосередньо ударом електронного променя (пучка) з атомом робочої речовини, коли утворюється низькоцентрована плазма пари робочої речовини з коефіцієнтом іонізації на рівні 1 %. Потім електронний промінь збуджує в цій плазмі НВЧ-коливання, які й спонукають розвиток пучково-плазмового розряду з коефіцієнтом іонізації до 100 %. Такі випарники були запропоновані Є.Т.Кучеренком та В.А.Саєнком у 1966 р (НЦ ІЯД, м. Київ). Здійснювалися спроби використати як іонізатор ВЧ- та НВЧ- розряди, але поки що вони безуспішні, як і застосування лазерного методу генерування плазми пари твердих тіл для технології якісних тонких плівок. Низьку якість лазерних плівок обумовлено термодинамічною нерівноважністю інтенсивного лазерного випаровування, що призводить, зокрема, до значної кількості крапель робочої речовини в потоці плазми на підкладку. Останнє належить і до вакуумно-плазмового напилення так званим методом провідників (дротинок), що вибухають у вакуумі при пропусканні великого струму.

Підсумовуючи, слід сказати, що плазмові випарники за методом випаровування електрода поділяються на дві основні категорії: вакуумно-дугові з локальним (контрагованим) випаровуванням інтегрально холодного катода у катодній плямі та інші випарники з однорідним (розосередженим) випаровуванням електрода у вакуумі. Однорідним називається таке випаровування, коли розміри робочої поверхні електрода, що випаровується, близькі до розмірів ділянки випаровування.

Перша категорія випарників конструктивно і технологічно найбільш проста, але генерує в потоці плазми краплі робочої речовини, які недопустимі в цілому ряді виробництв - мікро- та наноелектроніці, оптиці, мікромеханіці. Друга категорія випарників більш складна за конструкцією, містить гарячі елементи в пристроях, але не генерує крапель робочої речовини в плазмовому потоці. Вони використовуються не стільки в масовому, скільки в унікальному виробництві. У вакуумно-плазмовій технології тонких плівок ці випарники доповнюють один одного.

Параметри плазмових випарників наведені у таблиці 1.2, де використані такі позначення: D – діаметр плазмового потоку на відстані 15 см від тигля, – густина іонного струму насичення на підкладку; =jM(e)^-1 - коефіцієнт іонізації плазми в потоці ( – маса іона; - густина речовини в плівці; – заряд електрона;  - швидкість конденсації плівки). Наведені параметри випарників слід розглядати як орієнтовні, оскільки вони весь час поліпшуються. Випарники з випаровуванням анода поки що мають найменші  і використовуються для напилення високоадгезійних підшарів, які дорощуються до більших товщин за допомогою решти випарників. Однак і випарники з випаруванням анода найближчим часом будуть вдосконалені з метою їх використання не лише у мікроелектроніці чи оптиці, а й машинобудуванні.

Слід зауважити, що напилення з випарників, які мають однорідне випаровування електрода, частіше за все називають термоіонним, на відміну від вакуумно-дугового напилення з катодних плям. Розроблені термоіонні випарники в НЦ ІЯД НАН України.