4 Плазмові випарники
Плазмовими випарниками називаються джерела плазми пари твердого тіла. Класифікуються вони за типом електрода, що випаровується, а саме:
з випаровуванням матеріалу (робочої речовини) катода;
з випаровуванням матеріалу анода;
з випаровуванням матеріалу нейтрального електрода (електронно-променеві випарники).
Розглянемо кожен тип плазмових випарників.
4.1 Випарники з випаровуванням матеріалу катода
У цих випарниках катод виконує подвійну функцію: генерує пару робочої речовини (плівки) та емітує термоелектрони для підтримки електричного розряду. Нерідко додається ще й третя функція катода – керування плазмовим потоком пари. Це суттєво обмежує матеріали, які використовуються для конструювання катодів-тиглів, адже ними можуть бути лише термоемісійні матеріали, що не взаємодіють з робочою речовиною та добре обробляються для надання їм складної форми сопел. Здебільшого такими матеріалами є тантал, молібден, вольфрам, з яких випаровуються золото, срібло, мідь, барій, вісмут, олово, свинець, цезій, селен, стронцій, телур, цинк, ванадій та деякі інші речовини. Конкретні види аксіально симетричних випарників наведені на рисунку 1.9 (діаметральні перерізи).
Усі вони використовують дуговий розряд із порожнистим тиглем-катодом (2) та анодом (5).
Розміри завантажуваної робочою речовиною частини тигля-катода визначаються розмірами та товщиною плівки, яку потрібно одержати. Тигель-катод кріпиться на ніжці (1). Для зменшення теплових витрат він оточується екраном (3). Поблизу отвору витікання пари розміщується вольфрамове кільце-підігрівач (4), що емітує термоелектрони, які бомбардують тигель-катод і нагрівають його в цьому місці до робочої температури Тр, що забезпечує термоемісію з тигля-катода, рівну розрядному струму. За рахунок тепловідводу по ніжці (1) в місці розташування робочої речовини забезпечується температура випаровування Тв<Тр. Екран (3) та кільце-підігрівач (4) знаходяться під від’ємним потенціалом відносно заземленого тигля-катода. Тому вони бомбардуються іонами плазми робочої речовини, що проникають через отвір між тиглем-катодом та анодом. Щоб зменшити це бомбардування і перешкодити засміченню матеріалу плівки матеріалом екрана (3), останній прикривається заземленою діафрагмою Д, яка показана на рисунку 1.9. Підкладкотримач розміщений за анодом у потоці плазми робочої речовини (на рисунку не показано).
Найбільш простим за конструкцією тигля-катода є випарник із циліндричним катодом, показаний на рисунку 1.9 а. Більш вузьку діаграму спрямованості потоку плазми за кутами відхилення від осі випарника формують пристрої із соплом Лаваля (рис.1.9б). Вони здатні спрямовувати потік плазми не тільки вертикально вгору, як на рисунку 1.9 б, а й вертикально вниз (рис.1.9в) чи під кутом до вертикалі. Для розширення діаграми спрямованості випар
Рисунок 1.9 - Плазмові випарники з порожнистим катодом
ників, зображених на рисунку 1.9 а,б, та збільшення діаметра плівок, що одержуються, використовуються так звані випарники з подвійним розширенням плазми (рис.1.9г). Їх ще називають випарниками з центральною вставкою сопла та осьовим анодом, де розширення потоку плазми досягається за допомогою конструкції тигля-катода. Проте існують і електророзрядні методи збільшення ширини потоку плазми, один із яких наведено на рисунку 1.9 д. Тут потік плазми створюється коаксіальним тиглем-катодом, а розтягування іонної компоненти плазми досягається за допомогою схрещених полів, що створюються циліндром (6) та електромагнітом (7). Циліндр слугує допоміжним катодом додаткового розряду, який запалюється в потоці плазми між циліндром (6) та основним анодом (5). Цей додатковий розряд зменшує інтенсивність спаду плазмового потоку по радіусу випарника. Отже, плазмові випарники з випаровуванням катода дозволяють створювати плазмові потоки з керованою діаграмою спрямованості для досить широкого вибору робочих речовин хімічно не дуже активних, щоб не реагувати з розігрітим тиглем-катодом.