Вакуумнаяплазменная технология высоких энергий
Содержание
Введение
1.Вакуумнаяплазменнаятехнологиявысокихэнергий
2.Time and spatially resolved studies of an kHz-excited atmospheric pressureplasma jet for industrial applications
2.1Основные положения
2.2Общие наблюдения
2.2.1 Динамический реактивный поток
2.2.2Процессы распространения в реактивной зоне
2.3ICCD наблюдения
2.4Электрические исследования
2.5Реактивный поток в атмосфере гелия
2.6APPJ для смещения
Заключение
Списокиспользованных источников
Введение
В настоящее времявакуумная плазменная технология высоких энергий (ВПТВЭ) модифицированияповерхности изделий и получения специальных покрытий из высокоионизированныхпотоков «металлической» плазмы в атмосфере реакционных газов нашладостаточно широкое применение во всех экономически развитых странах мираблагодаря пионерским работам ученых СССР, выполненных в середине 70-х годов вобласти создания электродуговых генераторов и ускорителей таких потоков [1].
Работа этих устройствоснована на использовании так называемой «вакуумной» дуги катоднойформы, горящей в продуктах эрозии интегрально холодного катода и формирующейплазменные потоки, состоящие из атомов, ионов и микрокапель материала катода [2].При этом принципиально новым было то, что в компактном низковольтном вакуумномустройстве удалось получить интенсивные плазменные потоки металла с расходоммассы dm/dt=/iJ ((/х=0,4… 1,5)-10«7 кг/К — коэффициент электроэрозиикатода, J -ток дуги), содержащие (30… 80)% ионов различной кратностиионизации со средней кинетической энергией (30… 150) эВ. Поэтому техническиехарактеристики первых же образцов электродуговых ускорителей, получившихназвание „Пуск“ по первым буквам словосочетания „плазменный ускоритель“(разработчик МВТУ им. Баумана), и электродуговых генераторов, получившихназвание „Булат“ (разработчик Харьковский физико-техническийинститут), были принципиально не достижимы на разрабатываемых в тот период назападе устройствах, работающих на газовых разрядах.
Разработка плазменныхгенераторов и плазменных ускорителей для технологии обработки поверхностиизделий машиностроения базировалось на использовании результатов, полученныхпри создании электрореактивных ускорителей двигателей космических аппаратов,электродуговых аппаратов разделения изотопов и получения особо чистыхматериалов для атомной промышленности, электродуговых гетерных вакуумныхнасосов и вакуумных электродуговых переключателей электрических токов большойвеличины [1-3].
Достигнутые к концу 70-хгодов технические показатели оборудования для вакуумной плазменной технологиивысоких энергий, а также высокая адгезионная прочность покрытий и открытыйэффект получения покрытия из нитрида титана при температурах существенно болеенизких (300… 400 °С), чем температуры, вытекающие из законов равновеснойхимической термодинамики (800… 1000 °С) и предопределили интенсивноеразвитие этой технологии.
1. Вакуумнаяплазменная технология высоких энергий
Известная установка длявакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий, собранная на базе вакуумногопоста установки распыления материалов (УРМ 3.279.029) с электродуговымпринципом генерации плазмы металлов в вакуумной дуге катодной формы ихолловским ускорением плазменных потоков (так называемый холловский торцевойускоритель металлической плазмы) была модернизирована. И на основании этоймодернизации был создан торцевой холловский ускоритель с названием»Пуск-КуАИ" (рисунок 1.1) По сравнению с известными схемами торцевогохолловского ускорителя изменено геометрическое взаимоположение торцевойповерхности катода, соленоида и анода ускорителя. Профиль внутреннейповерхности выходного сечения анода (сопла) максимально приближен к профилюэквипотенциальной поверхности силовых линий магнитного поля в этом месте привеличине индукции магнитного поля (3,0… 4,5) мТл на оси соленоида околокатода. Изменены геометрические параметры катода и условия его охлаждения всоответствии с расчетами по минимизации микрокапельной фазы. Введен дополнительныйанод, создающий эффект электростатической линзы для ионного потока, чтопозволило реализовать три различных режима работы ускорителя. С целью снижениятемпературы нитридообразования и повышения стабильности горения вакуумной дугина малых токах подача реакционного газа осуществлена через зону генерации иускорения металлической плазмы. Выходное сечение ускорителя укомплектованожалюзями и кольцевой заслонкой для улавливания микрокапельной фазы. Дляповышения эффективности и скорости ионного травления регулируемое напряжениесмещения доведено до 2,5 кВ и существенно улучшена система защитывысоковольтного выпрямителя от возникновения или развития микродуговых привязокна детали. Созданный ускоритель обеспечивает уменьшение микрокапельной фазы, посравнению с известными схемами более чем 2-4 раза и на (20 — 30 %) увеличиваетстепень ионизации плазменного потока.
/>
Рисунок 1.1 — Схемаплазменного ускорителя «Пуск-КуАИ»: 1 — катод; 2 — анод; 3 — соленоид; 4 — фланец крепления генератора к вакуумной камере; 5 -электродподжига дуги; б — система защиты от сброса дуги на боковую поверхность катода;7 — канал подачи реакционных газов; 8 — дополнительный анод; 9 — съемныйкольцевой экран. Пунктиром проведены силовые линии электрического и магнитногополя
В работах[4-6] приведенырезультаты теоретических и экспериментальных исследований и выбраны диапазонытехнологических режимов, при которых образования соединений происходит наповерхности конденсации в условиях эффективной динамической очистки поверхностироста покрытия; приведен механизм образования нитридов переходных металлов врезультате диссоциативной хемосорбции азота путем образования ковалентныхсвязей с металлом по схеме
N N
N2(газ) → N2(адс.) →І+ І
Ме Ме
И приведеныэнергетические условия протекания такой реакции, обеспечивающие достаточныеусловия образования соединения стехиометрического состава; приведены условияобеспечения высокой адгезионной прочности покрытия; приведены аналитическоесоотношение связывающие параметр шероховатости Ra с толщиной наращиваемогопокрытия в рамках теории флуктуации термодинамических величин в адсорбционномслое.
В работе [7] приведенырезультаты исследования свойств покрытий из титана, циркония, хрома, алюминия,молибдена и их нитридов и карбидов, а также покрытий из никеля иалмазоподобного углерода, исследованы их микроструктура, триботехническиехарактеристики, микротвердость, модули упругости, адгезионная и когезионнаяпрочность покрытий, а также остаточные напряжения в них. Предложена гипотеза омеханизмах самопроизвольного разрушения покрытий как на стадии роста, так ипоследующего остывания системы покрытие-основа, которая была доказанаэкспериментально и созданной математической моделью расчета остаточных ивременных напряжений, возникающих при наращивании покрытий [8,9]. В работе [10]приведены математические модели расчета температур в телах с изменяемойгеометрией применительно к наращиванию покрытий и аналитические методы решениятаких краевых задач для двухслойных систем с подвижными границами. На основаниирезультатов испытаний на схватывание материалов в вакууме выдвинута и нарассмотренном классе соединений подтверждена гипотеза о том, что соединения,имеющие конденсатный характер диссоциации в твердой фазе и, следовательно,обогащающие поверхность трения металлической компонентой, обладают большимикоэффициентами адгезионного схватывания по сравнению с соединениями, имеющимигазообразный характер диссоциации. Показано, что недефицитными и недорогимисоединениями с газообразным характером диссоциации и перспективными дляизносостойких покрытий в вакууме являются нитриды и карбонитриды титана ициркония. В то время как моно- и двойные окислы, нитриды, карбиды, оксинитридыи карбонитриды других металлов имеют конденсатный характер диссоциации, либодороги и дефицитны, либо нетехнологичны для получения износостойких покрытий.Установлено, что коэффициент адгезионного схватывания в выбранных перспективныхпокрытиях возрастает при их нестехиометрическом составе и наличии в нихмикрокапельной фазы металла, а износостойкость зависит от микрогеометрииповерхности основы, режимов ионного травления и остаточных напряжений в них.Показано, что во многом этими же причинами определяется износостойкость этихсистем при их трении и в условиях ограниченной смазки (режущий инструмент,высоконагруженные пары трения).
В работах установлено,что оптимальные покрытия из нитридов и карбонитридов титана и циркония обладаютвысокой износостойкостью (первый-второй класс износостойкости) при сухом трениив вакууме, высокой стойкостью к общей и контактной коррозии и стабильнымзначением коэффициента трения, который технологическим путем может быть измененот 0,08...0,12 (антифрикционные системы) до 0,18...0,26 (фрикционные системы).При использовании таких покрытий в парах трения с твердыми смазочнымипокрытиями слоистой структуры (типа дисульфида молибдена) и твердыми смазочнымипокрытиями со связующими (типа смазок ВНИИ НП) коэффициент трения уменьшаетсядо 0,04...0,06 при незначительном изменении интенсивности изнашивания.Исследование влияния покрытий на статическую и длительную прочность материалаосновы показало, что основными факторами, влияющими на эти параметры, являютсятемпература конденсации и время ионного травления поверхности, при выборекоторых меньше характерных для данного материала основы значений, пределтекучести, прочность на растяжение и предел выносливости материала основы спокрытием не уменьшаются и лежат в пределах допусков на эти материалы. В то жевремя, величина дисперсии этих показателей уменьшается до 3,5 раз по сравнениюс образцами без покрытий, что существенно повышает вероятность безотказнойработы узлов трения с такими покрытиями [2].
Для нанесения покрытий навнутреннюю поверхность малоразмерной цилиндрической полости необходимоприменять цилиндрический магнетрон, обладающий широкими функциональнымивозможностями (рисунок 1.2).
/>
Рисунок 1.2 — Схемамагнетронной цилиндрической системы. 1- соленоид, 2 — водоохлаждаемый корпускамеры, 3 — анод, 4 — катод, 5 — защитный экран, б — отражатель электроновразряда, 7 — канал подачи газа
Цилиндрический магнетрон(рисунок 1.2) с диапазоном регулирования напряжения анод-катод +1,5кВ и токомразряда до 20А и возможностью работы в режиме прямого и обращенного магнетронаможет быть использован не только для нанесения покрытий, но и какширокоапертурный источник высокоинтенсивного потока газовой плазмы при работе врежиме аномального тлеющего разряда для процессов газового ионного травленияповерхностей и интенсификации процессов получения покрытий сложного состава приработе совместно с плазменным ускорителем.
В работах [2,12] приведенпроект нового электродугового ускорителя совмещенной металлической и газовойплазмы с магнитоэлектростатической ловушкой для электронов плазменного потока.Физическая суть такого ускорителя определяется следующими обстоятельствами.Замагниченные электроны плазменного потока проводят его доионизацию и сепарациюмикрокапельной фазы. Однако в существующих генераторах возможности поувеличению плотности замагниченных электродов около катода ограниченыдопустимым увеличением индукции магнитного поля, приводящим при значениях В> 4,5 мТл к перегреву центральной области катода и росту микрокапельной фазыиз-за локализации катодного пятна вакуумной дуги в этой области. Однако,увеличить плотность этих замагниченных электронов можно за счет созданияспециальной магни-тоэлектростатической ловушки электронов, которая реализованаследующим образом (рисунок 1.3). Внутренняя поверхность охлаждаемого анодавыполнена таким образом, чтобы копировать поверхность силовых линий магнитногополя, у которого величина индукции магнитного поля на оси около катодасоставлял 3 — 3,5 мТл, а на оси около критического сечения сопла анодасоставляла 10-14 мТл. При таком магнитном поле ионы плазменного потока являютсяпо-прежнему не замагниченными, а замагниченные электроны начинают совершатьосциллирующие движения отражаясь от сечения с максимальной величиной магнитногополя (вероятность отражения в этих условиях достигает 0,5) и от отрицательногокатода. Уход же электронов на анод ограничен параллельностью поверхности анодасиловым линиям магнитного поля.
В этих условиях повышениеплотности электронов в зоне магнитной ловушки стало таким, что при подаче черезнее реакционного газа происходило зажигание интенсивного несамостоятельногоразряда в этой области, горящего в смеси газа и металлической плазмы. Это всвою очередь приводило к дальнейшему росту плотности электронов. В результатечерез критическое сечение анода истекал смешанный поток газовой и металлическойплазмы, который дополнительно ускорялся в зоне холловского ускорения(расходящаяся часть сопла анода). В таком ускорителе было получено уменьшениемикрокапельной фазы более, чем в 20 раз даже по сравнению с ускорителем«Пуск-КуАИ» при существенном росте степени ионизации потока икинетической энергии ионов.
/>
Рисунок 1.3 — Схемаплазменного генератора с магнитной ловушкой электронов «Пуск-Мэл»: 1- катод; 2 — профилированный анод; 3.1 и 3.2 — соленоиды; 4 — фланец креплениягенератора к вакуумной камере; 5 — электрод поджига дуги; 7 — канал подачиреакционных газов. Пунктиром проведены силовыелинии электрического и магнитного поля.
2. Time andspatially resolved studies of an kHz-excited atmospheric pressure plasma jetfor industrial applications
2.1 Основные положения
APPJ — реактивный потокплазмы атмосферного давления;
ICCD — усиленная зарядка(нагрузка) соединительных устройств;
APGD — разгрузка жара(температуры) при атмосферном давлении.
На протяжении последнихлет холодная (нетепловая) плазма атмосферного давления получила значительныйимпульс в продвинутой обработке материалов. Корона и рассеиваниедиэлектрического барьера — вот признаки производящей схемы «самой старой»плазмы; а вообще при помощи молекулярных газов производят волокнистуюнеравновесную плазму. Типичные параметры разгрузки – температуры газов отнескольких десятков до 100/>. Плотность заряженных слоевтипична для неравновесной плазмы низкого давления.
Недавно же был предложенреактивный поток плазмы атмосферного давления (APPJ), что позволяет в местноммасштабе отделять область производства плазмы от основания (подложки), котороеи будет рассмотрено.
Это необходимо какусловие для продвинутых процессов плазмы атмосферного давления, особенно притонком смещении пленки. В настоящее время все еще нет никакого достаточногознания о динамике формирования плазменного потока, так же как и показательного(окна) процесса для более удобного способа разгрузки (выпуска) жара(температуры).
Пространственно-временныеисследования частотно возбуждаемого APPJ показали, что поток – явление непостоянное. Вместо потока формировались так сказать плазменные «пули»,зависящие от времени и изменяющие, часто по синусоидальному закону, напряжениевозбуждения плазмы. В ходе измерения было установлено, что скорость этих пульсоставляет порядка нескольких десятков км/сек, в то время как скорость газовогопотока выше лишь нескольких м/сек. Кроме того направление испускания «пуль» вцилиндрическом потоке может быть изменено при полном изменении напряжениявозбуждения плазмы. В отношении этого было сделано интересное наблюдение, чтонаправление испускания потока может быть задано встречным газовым потоком. Витоге получается, что поток формируется главным образом под действием электрическогополя, а не тока.
Описанные выше наблюденияпроводились над чистым гелием. В то время как основная область потокапредставляет собой высоко возбужденные разновидности гелия, во внешнемокутывающем слое они смешиваются с окружающей атмосферой. Проведенные вовремени и пространстве исследования над оптической эмиссией могут так жеуспешно использоваться, что приведет к лучшему пониманию процессавзаимодействия потока благородного газа с молекулярным газом, необходимым длятехнических процессов.
В этом документерезультаты, полученные в ходе экспериментов с атомными (He, Ar) и молекулярными(N2, …) газами будут представлены и критически обсуждены с акцентом на 2D(двумерное) и 3D (трехмерное) промышленные применения.
Текущая тенденция впромышленной разработке плазмы – развитие плазмы атмосферного давления какисточника замены обработки плазмой в вакуумных системах. Эта замена желательнапри сложной обработке плазмой 3D-образцов, чтобы развить источники плазмы,работающие на расстоянии. Это означает, что там существует расстояние междузоной производства плазмы и зоной обработки. Многочисленные потоки плазмыатмосферного давления (APPJ) известны в течении нескольких лет, главным образомвключенных запасами (поставками) RF и работающий с газовыми потоками высокоготипа (нормы), чтобы вынести плазму из зоны ее производства [11].
APPJ, представленныйздесь, отнесен к упомянутым реактивным источникам. Тип газа, а следовательно иего скорость, низки, что характерно в диапазоне скоростей от 3 до 20 м/с,потоки включены с высоким напряжением (от 1 до 5 кВ) и низкой частотой (от 5 до50 КГц).
2.2 Общие наблюдения
Самый простой вид этогоAPPJ источника состоит из диэлектрической трубы с двумя трубчатымиметаллическими электродами и некоторого благородного газа (He, Ar),протекающего через нее. Для демонстрации того, что реактивный поток являетсяглавным образом электрическим явлением, а не единым потоком, он был отснят припомощи обычной цифровой (CCD) камеры со временем задержки в 1 секунду.(Смотрите рисунок 2.1). Для получения лучшего контраста при печати фотографиибыли конвертированы в черно-белые. В обоих случаях все параметры являлисьсхожими, кроме подключения электропитания к сети, как показано на рисунках.(Трубка изготовлена из кварцевого стекла с внутренним диаметром 4 мм,окруженная двумя алюминиевыми электродами длиной 5 см. Эти параметры неизменныдля всех фотографий, представленных здесь. Используемое напряжение являетсясинусоидальным с максимальным значением 7 кВ при частоте 13 кГц. Реактивный потокпотребляет электрическую мощность примерно в 4 Вт.) Если передний электродактивен, а задний заземлен, как показано на рисунке 2.1(а), то труба развиваетвнешний поток. Однако если источник подключен к питанию наоборот (переднийэлектрод заземлен), то внутренний реактивный поток формируется против газовогопотока (рисунок 2.1(б)). Это дает яркий признак того, что реактивный потокиспользует потенциальное различие для окружающей среды.
/>
Рисунок 2.1 — реактивныйпоток по направлению (а) и против направления (б) распространения газовогопотока
Другой интересный фактсостоит в зависимости длины реактивного потока от типа газа в потоке. Кто-либомог бы интуитивно предположить, что реактивный поток станет более длинным ипродолжительным с увеличением скорости газа. Но это верно только домаксимальных значений. На рисунке 2.2 эта зависимость была взята для простойгеометрии потока, описанной выше. Эта зависимость бралась при частоте 13 кГц, ипонятие «длина потока» описывает длину лишь видимого диапазона света(фотографии CCD камеры, представленные на рисунке 2.4, были отсняты для каждоготипа потока, после чего производилось их сравнение)./>Рисунок 2.2 — зависимость реактивной длины от типа газового потока
На данной диаграмме обекривые растянуты. Черная кривая, отмеченная квадратными символами, описываетзависимость газового потока, а серая показывает оптимальное пиковое значениеподанного напряжения, где в соответствии с типом потока была соблюденамаксимальная длина реактивного потока.
Длина реактивного потокаимеет максимум по типу потока в точке 13 1/min. Вне этой точки реактивный потокстановится все меньше и меньше, независимо от значения напряжения. Еще одноважное наблюдение заключается в том, что значение подводимого напряжения длядостижения максимальной длины реактивного потока становится меньшим поотношению к растущему типу газового потока.
Какова же причина для этойзависимости от типа потока? В литературе важную роль в метастабильном состояниииграют атомы и молекулы, необходимые для того, чтобы выдержать APP при данном«способе накала (жара)», что описывает графа [11]. Плазма, о которой мыговорим, и есть плазма при данном способе накала. Это может быть замечено изтекущей характеристики напряжения, показанной на рисунке 2.3, взятой измультиреактивного источника, который будет описан позже. Принцип его работы тотже, но он содержит в себе множество отдельных реактивных источников, работающихпараллельно так, что пиковое значение потока iпик не совпадает с номерамиреактивных потоков./>
Рисунок 2.3 — характеристика импеданса реактивного источника
Из этой характеристикиполного сопротивления ясно, что это плазма, работающая при методе накала, а нев виде потока [11]. Плазма при методе накала пространственна и способнаразлаживаться на зоны, в которых присутствуют лишь слабые электрические поля.Но они могут существовать лишь при определенных условиях. Например, очень важноизбегать контакта с кислородом, потому что молекулы кислорода очень эффективноподавляют метастабильные возбужденные атомы гелия [11]. Отсюда вытекает вопрос:«Где область высокой чистоты гелия?». Действительно ли реактивная зона – этозона, где присутствует высокая концентрация гелия?
Чтобы пролить свет наэтот вопрос, мы должны приблизительно представить динамический поток (i),состоящий из благородного газа (например гелия), текущий в окружающую воздушнуюсреду, и процессы распространения (ii), создающие перенос воздуха (особенномолекул кислорода) в зоны гелия.
2.2.1 Динамическийреактивный поток
На рисунке 2.4 показаныдве перевернутые фотографии реактивной струи для различных типов потока./>
Рисунок 2.4 — ламинарный(а) и бурный (б) отток, поляризация электродов подобно рисунку 2.1(а)
Рисунок 2.4(а) был взятпри 11 1/min (что соответствует средней газовой скорости 14,6 м/с), а рисунок2.4(б) при 21 1/min (что соответствует средней газовой скорости 27,9 м/с).Очевидно, что структура газовых потоков является полностью различной.
Механика потокахарактеризуется двумя способами оттока газа: бурным и ламинарным (пластинчатым)способом. При ламинарном способе оттока векторы газовой скорости частицысонаправлены с вектором газового потока. При бурном способе они могут иметьразличные направления. На рисунке 2.5 показан типичный профиль оттока [11].
/>
Рисунок 2.5 — профильгазового выхода
Дело в том, что всегдасуществует область, где не было никакого плавного смешивания газа с окружающимвоздухом, за исключением смешивания, вызванного процессами распространения. Этуобласть называют «основной зоной» ее длина Хр существенно отличается для двухспособов оттока. Если в воздух проникают вентиляционные струи, то эта длинаможет быть представлена как Хр=d/m, где d – диаметр выхода, а m – параметр,который изменяется от 0,1 для полностью ламинарного оттока до 0,3 для бурногооттока. Для оттока газа, который имеет другой состав по отношению к окружающемугазу (например гелий в воздух) значение m может быть различно, вследствие чегодолжно быть проведено моделирование течения.
2.2.2 Процессыраспространения в реактивной зоне
Для того, чтобы показать,что основная область является областью высокой чистоты гелия, необходимооценить процессы распространения. Это возможно при помощи второго закона распространенияФика. Для трехмерного случая он может быть записан как:
/>,
где D – постояннаяраспространения, с – местная концентрация.
Для двумерных и трехмерныхслучаев не существует никакого простого аналитического решения данногоуравнения, но для одномерного случая:
/>.
Этого достаточно дляпредварительной оценки этих процессов. Рисунок 2.6 описывает ситуацию.
/>
Рисунок 2.6 — оценкапроцессов распространения в границах APPJ
Гелий вытекает из трубы,производящей в окружающем воздухе конусовидную основную зону, наподобиеописанной прежде. Если из основной зоны выделить маленький диск, тоцилиндрический объем гелия будет окружен воздушной оболочкой. Конечно, вдействительности эта ситуация является очень динамической, т. к. объем гелияпостоянно изменяется. Но если объем гелия не будет изменяться все время, то этобудет описано в терминах процессов распространения. Если эта ситуацияпостоянного гелия не является критической, то реальный процесс не будеткритическим так или иначе.
Поскольку длина распространенияобоих газов (
Для с0=100%, DHe-O2=0,45см2/сек и с(2мм, t5%)=1% мы получаем t1%=26мсек. Это означает, что если всегазовые скорости равны нулю, то на это потребуется 26 мсек, пока концентрациягелия в средней линии цилиндра гелия (средняя линия реактивного потока) неупала до 99%.
Теперь же если мывернемся к реальной ситуации и примем во внимание то, что обычно частицы гелияперемещаются со скоростью 10 м/с, то газовые частицы займут расстояние в 30 смвокруг! Это означает, что процессами распространения можно пренебречь посравнению с процессами потока, протекающими здесь.
Эти простые вычисленияпоказали, что основная зона на рисунке 2.5 является зоной высокой чистотыгелия, где атомы гелия могут существовать в метастабильных состояниях, чтобыучаствовать в плазменных процессах. Разгрузка жара (накала, температуры) игенерация заряженных частиц, описанные позже, далеки от зоны производстваплазмы, что возможно рассмотреть как APPJ явление, описанное здесь.
2.3 ICCD наблюдения
Существует не так многометодов проведения диагностики APP (плазмы атмосферного давления). Один оченьмощный инструмент – это ICCD-камера (усиленная нагрузка соединительныхустройств). При помощи такой камеры возможно произвести высокоскоростноефотографирование со временем задержки, стремящимся к диапазону наносекунды.Если фотографии реактивного потока выполнены со временем задержки порядка 10-2– 10-3 секунды, подобно рисунку 2.1 и рисунку 2.4, то и плазма в трубе, иреактивный поток покажутся гомогенными. Это иллюзия. На рисунке 2.7представлены фотографии со временем задержки 100 наносекунд.
/>
Рисунок 2.7 — ICCDфотографии боковой стороны APPJ (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входноенапряжение)
Из-за низкойинтенсивности реактивного потока для получения одной фотографии былискомбинированы 1000 отдельных снимков. Каждый отдельный снимок былсинхронизирован с поданным напряжением. Это было возможно из-за периодическогохарактера реактивного потока, и это реальный отдельный снимок, сделанный длявсех фотографий на рисунке 2.7, кроме увеличения (zoomed) один.
На рисунке черныепунктирные линии отмечают границы источника. Источник прозрачен по всей своейдлине. Это возможно, если сделать разрез в параллели электродов к газовомунаправлению потока. Влияние на внутреннее поддерживаемое распределение незначительно.Может быть замечено, что реактивный поток не постоянен во времени. Фактически,это «плазменная пуля», выстрелянная из трубы со скоростью, которая намногопревышает газовую скорость. На рисунке 2.7 «пуля» проходит расстояние в 7,5 смза 5мсек. Это соответствует скорости 15 км/сек. В среднем расчетная газоваяскорость составляет 16,5 м/сек. Вот еще один дополнительный аргумент дляутверждения, что это не явление потока.
«Пуля» всегда появляетсяпри повышении наклона кривой поданного напряжения. Еще одно важное открытиесостоит в том, что полное истечение времени реактивного распространенияявляется почти независимым от частоты и формы кривой поданного напряжения висследованном диапазоне (1..50 кГц, синусоидальная, прямоугольная и треугольнаяформа кривой напряжения). «Пуля» вылетает в течении нескольких микросекунд водной и той же точке на стадии каждого периода.
Структура «пули» неявляется строго эллипсоидальной, как кто-либо мог бы предположить по отснятымфотографиям рисунка 2.7. Это явление не является строго периодическим(увеличенная часть рисунка 2.7). То, что является реальным отдельным выстрелом(снимком), обнаруживает ореол сформированной структуры. Но для настоящегооткрытия нужно больше. Рисунок 2.8 показывает фронтальный вид «плазменной пули»при различных позициях относительно источника.
/>
Рисунок 2.8 — ICCDфотографии фронтального вида APPJ (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входноенапряжение)
На рисунке представлены фотографиисо временем задержки 1000*100 нсек. Для получения этих снимков центральнаяточка (фокус) камеры была совмещена с точной позицией пули. Это было нелегко,так как диафрагма линзы всегда должна быть полностью открыта, и как следствиеглубина центра (фокуса) становится очень маленькой, иногда даже меньшей 1 ммпри макросъемке.
Если «пуля» располагаетсявне источника (рисунок 2.8(1)), то картина состоит из интенсивного свечения вцентре и более слабого, кольцевой формы свечения вокруг него. Если цветныефотографии представляют сторону реактивного потока, то они сделаны при помощистандартной камеры (с высоким временем задержки) по аналогии с рисунком 2.1 ирисунком 2.4, всегда тонкая красноватая линия в центре blueish (если blue ish –то синий выход) реактивного потока может быть соблюдена. Это кажется синейточкой, наблюдаемой на переднем плане. Это мог быть жар (свет, излучение)гелия, а кольцо вокруг него могло быть жаром (светом) азота. Для подтвержденияданного утверждения (тезиса) должно быть проведено дополнительноеспектроскопическое исследование.
На выходе источника(рисунок 2.8(2)) структура «пули» не очень ясна. Было замечено слабоеразбросанное свечение. Позади переднего электрода, но все еще в источнике(рисунок 2.8(3)), структура очень ясная и точная. Там «пуля» видна как яркая,светящаяся точка. Между электродами (рисунок 2.8(4)) близлежащая структура таже самая, но в дополнение стены источника освещаются.
На рисунке 2.9представлены две фотографии плазменной «пули» при ее рассмотрении на подлете кповерхности.
/>
Рисунок 2.9 — ICCDфотографии «плазменной пули», рассмотрение поверхности (7,5 кВ, 10кГц,синусоидальное входное напряжение)
Исследуемый материал былукрепленной стекловолокнистой пластмассой (GPR). Изображение показывает, чтосветящаяся зона не является гомогенной, но кольцевой. Жар (свет, температура)этого кольца поддерживается до 5 мс.
При изучении материаластановится видно, что зона обработки становится намного меньшей, пунктуальна(точна во времени) и не смеет форму кольца. Это сводится к предположению, чтореактивный поток переносит заряд (нагрузку), так как заряд (нагрузка),депонированный на поверхности диэлектрика, впоследствии участвует после заряда(нагрузки и распространяет реактивный поток.
Это не было очевидным,так как на реактивный поток нельзя влиять при помощи магнитных полей. Причинойтому может послужить тот факт, что плазма способна перемещаться только в тонкойосновной зоне реактивного потока, где присутствует гелий высокой чистоты.
2.4 Электрическиеисследования
Как доказать, чтореактивный поток несет некоторый заряд (нагрузку)? Это значит, как измерить еготок? Каждое измерение вблизи реактивного потока влияло бы на распространениеэлектрического поля и скорости газа в сторону их увеличения. Решение проблемы –это измерение разности токов, протекающих от источника и к источнику. Нарисунке 2.10 представлены некоторые результаты.
/>
Рисунок 2.10 — электрические токи реактивного потока(серая кривая-разность токов, чернаякривая-напряжение источника) и ICCD фотографии, синхронизированные с текущейразностью потенциалов
Здесь была измерена исинхронизированна разность токов (серая кривая) были сделаны ICCD-фотографии(отдельные снимки со временем задержки 100 нсек). Кривая содержитсинусоидальные реактивные токи, состоящие в суперпозиции с одним илинесколькими текущими максимумами, в зависимости от рассматриваемой плазмы. Натекущей кривой отмечены токи, зафиксированные при спуске затвора ICCD-камеры.
Участку от пункта 1 допункта 2 на рисунке 2.10 соответствует отрезок времени 1мсек, а между пунктами2 и 3 лишь 0,5 мсек. Это означает, что скорость «пули» не постоянна на ее путиот источника. Близко от выхода скорость будет намного меньше (приблизительно 3км/сек), чем в удалении от него (приблизительно 70 км/сек).
Положение и величинаплазменной «пули» очень ясно характеризуют разность токов. Если «пуля»располагается очень близко к выходу, то у нее будет относительно большойразмер, вследствие чего поток повышается. Если она далеко от выхода и намногоменьше, то поток понижается.
В большинстве случаевтекущий сигнал имеет различные максимумы (пики), но только один максимум (пик)соответствует «пуле» вне трубы. Существуют различные способы (по различнымпиковым значениям поданного напряжения), при которых может быть сохраненустойчивый реактивный поток. Эти способы различаются по оптическомупредставлению реактивного потока. Например, существует способ, при которомможет быть сохранен только реактивный поток, без плазмы между электродами. Вэтом случае может быть измерен только один максимум (пик) тока в разноститоков, вследствие чего потребление мощности реактивного потока будетзначительно уменьшено.
2.5 Реактивный поток ватмосфере гелия
Если реактивный потокдействительно чисто реактивное явление, то в атмосфере гелия оно должнопроисходить без всякого движения газа. Для того, чтобы проверить это, выходAPPJ-источника был помещен в запечатанную коробку, изготовленную из пластика. Втаком случае вся система была изолирована и заполнена гелием до атмосферногодавления. После того, как давление достигло атмосферного, газовый поток былостановлен и включены электроды. Результат опыта представлен на рисунке 2.11.
/>
Рисунок 2.11 — APPJ ватмосфере гелия
Это стандартная(перевернутая) фотография, взятая со временем задержки 1 сек. В настоящее времятакое явление стабильно в течении лишь нескольких секунд, причиной чему служитплохая изоляция в системе, что приводит к загрязнению атмосферы гелиямолекулярными газами из окружающего воздуха.
Итак, реактивный потокдействительно является чисто электрическим явлением, которое происходит приначальных состояниях потока в чистой атмосфере гелия.
Как и ожидалось, здесьбудет присутствовать только тонкая красноватая линия, всегда наблюдаемая вцентре реактивного потока в воздухе. Но это не факт. Близко от выходараспространения потока при открытой освещаемой зоне на расстоянии несколькихсантиметров от нее может быть замечена красная линия, неподалеку от стенки, внаправлении которой распространяется реактивный поток.
Другой интересный факт –регулировка реактивного потока при помощи магнитных или электрических полей.Как оказалось, реактивный поток вносит заряд на стенки диэлектрика. Если этогоизбегают, охватывая стенку металлической лентой, то реактивный поток становитсяболее тонким и более устойчивым. В противном случае реактивный поток имееттенденцию «танцевать», если поданное напряжение становится высоким, чтоозначает, что его конец спрыгивает с одной точки на другую, предпочитая углыкоробки.
2.6 APPJ для смещения
В сотрудничестве скомпанией JE PlasmaConsult, fmt был развит новый вид APPJ, которыйсоответствует более сложным поверхностным обработкам, подобно смещению тонкихпленок. Цель исследований заключается в том, чтобы примешать мономеры кпереносимой смеси (He, Ar или N2), не выпуская реактивную длину, это означаетне слишком сокращая глубину отдаленной зоны. Кроме того, нужно избежатьсмещения самого источника. Эта новая концепция спроектирована на рисунке 2.12.
/>
Рисунок 2.12 — новаякоцепция «трубка в трубке»
Хитрость состоит в том,чтобы разделить мономер и переносимую смесь, и в максимально возможной степениуменьшить смешивание обоих газов в отдаленной зоне. Лучшее условие для этогосостоит в том, чтобы гарантировать ламинарный отток с равными скоростями обоихгазов. Если это достигнуто, то никакие процессы внутри трубок невозможны исмешивание обоих газов происходит в непосредственной близости от поверхностицели.
Сейчас эта концепцияработает с He, Ar и N2 как с переносимыми газами. Однако чтобы работать с N2,должны быть проведены некоторые усовершенствования из-за времени жизни газа,изолированного в гранях электрода, не достаточно устойчивых в настоящее время.
Для распространения зоныобработки эта система была присоединена к мультиреактивному источнику,изображенному на рисунке 2.13.
/>
Рисунок 2.13 — мультиреактивный источник
Он состоит из 14реактивных источников, собранных воедино по принципу «трубка в трубке», ипотребляет мощность 60 Вт.
Заключение
Решенные со временем исследованиядоказали, что кГц-диапазон APPJ-формирования приводит к ограниченной плазменнойэмиссии «пули». В соответствии с нашими знаниями это явление было впервыеописано в нашей работе. В заключение вот по крайней мере два основных вывода:
1). APPJ-динамикадопускает детальное изучение взаимодействия возбужденного первичного газа типагелия или аргона с молекулярным газом процесса. Она может быть представлена какфункция времени и координаты, которая поможет нам шагнуть по пути к лучшемупониманию большого объема материала по разгрузке жара (температуры)атмосферного давления (APGD) с существенной долей молекулярных газов.
2). Периодическоеформирование плазменной «пули» позволяет проводить гораздо более точнуюповерхностную модификацию или смещение тонкой пленки, просто считая количество«пуль», взаимодействующих с данным основанием (подложкой).
Список использованныхисточников
1.Плазменные ускорители. Под общейредакцией акад.Л.А.Арцимовича, -М.: Машиностроение, 1972. -312с.
Барвинок В.А., Богданович В.И.Физические основы и математическое моделирование процессов вакуумногоионно-плазменного напыления: Монография. — М.: Машиностроение, 1999.-309с.
2.Богданович В.И., Дородное A.M.Некоторые применения плазменных ускорителей в технологии // В кн.: Прогрессивныеметоды сварки инанесение покрытий в ПЛА. Сб.науч.трудов- Куйбышев: КуАИ, 1987.-С.11-16.
3.Богданович В.И., Барвинок В.А. идр. Основные закономерности получения вакуумных покрытий // Ракетно-космическаятехника. — М.: ЦНТИ«Поиск», 1985. -Сер.8. -Вып. 1. -С.21-26.
4.Богданович В.И., Барвинок В.А.Основы управления технологическим процессом нанесения покрытий в вакууме // Вкн.: Прогрессивные методы в технологии производства двигателей ЛА: Труды КуАИ — Куйбышев: КуАИ, 1984.-С.76-84.
5.Барвинок В.А., Богданович В.И.,Митин Б.С. и др. Закономерностиформирования покрытий в вакууме // Физика ихимия обработки материалов, 1986. — №5. — С.92-97.
6.Барвинок В.А., Богданович В.И.,Козлов Г.М. Определение остаточных напряжений в многослойных кольцах // Изв. ВУЗ:Машиностроение,1980.-№4-С.31-35.
7.Барвинок В.А., Богданович В.И.Расчет остаточных напряжений впокрытиях с учетом наращивания слоев // Физика ихимия обработки материалов-АН СССР, 1981.-№4. -С.95-101.
8.П.Богданович В.И., Барвинок В.А.,Козлов Г.М. и др. Исследование износостойкости покрытий плазменного вакуумногонапыления // Ракетно-космическая техника. — М.: ЦНТИ «Поиск», 1985.-Сер.8. -Вып.1. — С.11-16.
9.Богданович В.И., Корнилов В.Б.,Касперов В.Ф., Плотников А.Н.Исследование механизма возникновения отслаивающихнапряжений в покрытиях // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. Теория итехникаантенн, 1990. -Вып.2(45).-С.57-61.
10.Богданович В.И. Кинетикагетерогенного плазмохимического синтеза нитридных покрытий // “Проблемымашиностроения и автоматизации”,1999.-№1.-С.65-71.
11. Time and spatiallyresolved studies of an kHz-excited atmospheric pressure plasma jet forindustrial applications