Источник эрозионной плазмы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси(73) Патентообладатель Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси(57) Источник эрозионной плазмы, содержащий диэлектрический корпус с двумя электродами, расположенными с противоположных сторон корпуса, и канал для прохождения разряда, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим с двумя электродными и одной разрядной камерами, канал для прохождения разряда выполнен трубчатым, коаксиально корпусу с, по меньшей мере, одним отверстием для прохождения плазмы в его боковой поверхности, при этом 142, где 1- площадь отверстия для прохождения плазмы 2- минимальная площадь сечения разрядного канала,а отношение минимальной площади сечения разрядного канала к площади сечения электродной камеры выбрано из условия 21,2 2/ 4 (э. к.э ) где эк- внутренний диаметр электродной камеры,э- диаметр электродов,кроме того, отношение длины разрядной камеры к к диаметру канала к задано соотношением к/к 3,5. 2643 1 1.Огурцова Н.Н., Подмошенский И.В. Иследование мощного импульсного разряда с ограниченным диаметром канала, оптика и спектроскопия. В 4 т. Т. 4, 1958. - С. 539 - 541. 2. А.с. СССР 537586, МПК Н 05 Н 1/00, 1978 (прототип). Изобретение относится к области физики плазмы и может быть использовано для получения спектрально чистой плазмы из диэлектрика, для изучения оптических и теплофизических свойств веществ при высоких температурах, а также для нанесения покрытий как на внешнюю, так и на внутреннюю поверхность деталей. Известен источник эрозионной плазмы 1, содержащий диэлектрическую пластину с отверстиями и два электрода, расположенные вне пластины. Недостаточная чистота плазмы получается в этом устройстве потому, что в нее попадают примеси плазмы материала электродов, которые недопустимы при нанесении покрытий на оптические детали и детали,используемые в микроэлектронике, где требуется особая чистота плазмы из диэлектриков. Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является источник эрозионной плазмы в вакууме 2, содержащий диэлектрическую пластину со сквозным отверстием и электроды,установленные с противоположных сторон внутри пластины изолированно от отверстия и имеющие плоские открытые рабочие поверхности, расположенные нормально по отношению к оси отверстия. Недостаточная чистота плазмы указанного устройства также не позволяет использовать его для нанесения покрытий на оптические детали и детали, используемые в микроэлектронике, где требуется высокая чистота плазмы из диэлектрика. Задачей данного изобретения является создание источника эрозионной плазмы, обеспечивающего получение спектрально чистой плазмы из диэлектрика для нанесения покрытий как на внешние, так и на внутренние поверхности деталей. Заявляемое устройство содержит диэлектрический корпус с электродами, расположенными с противоположных сторон этого корпуса, и канал для прохождения разряда. Согласно изобретению корпус выполнен цилиндрическим с двумя электродными и одной разрядной камерой, канал для прохождения разряда выполнен трубчатым, коаксиальным цилиндрическому корпусу с, по меньшей мере, одним отверстием в его боковой поверхности для прохождения плазмы, при этом 142, где 1 - площадь отверстий для прохождения плазмы, 2 - минимальная площадь сечения разрядного канала, а отношение минимальной площади сечения разрядного канала к площади сечения электродной камеры выбрано из условия 21,( / 4)( э.к . 2 э 2 ) где эк - внутренний диаметр электродной камеры,э - диаметр электродов,кроме того, отношение длины разрядной камеры 1 к к диаметру канала к задано соотношением 1 к/к 3,5 Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен общий вид предлагаемого устройства (фиг. 1). Устройство содержит полый цилиндрический диэлектрический корпус 1 с электродными 2 и разрядной 3 камерами, два электрода 4, расположенные с противоположных сторон устройства, канал для прохождения разряда 5 и отверстие в боковой поверхности для прохождения плазмы 6. Из фиг. 1 видно, что трубчатый канал,расположенный между электродами 4, в общем случае имеет два сечения, помеченные на фиг.1 цифрами 3 и 5,причем минимальная площадь сечения разрядного канала помечена цифрой 5, а сечение разрядной камеры цифрой 3. Устройство работает следующим образом. Электрический разряд осуществляется между двумя электродами. Разряд проходит по каналу и образующаяся плазма истекает через отверстие в боковой стенке цилиндрического корпуса, при этом наносится покрытие на внутреннюю поверхность изделия. Для локального нанесения покрытия может применяться одно или несколько отверстий, количество которых изменяется в зависимости от назначения. Для получения кольцевого покрытия количество отверстий нужно увеличить до получения кольцевого отверстия. На графике, приведенном на фиг. 2, отмечены экспериментальные точки для различного количества отверстий в разрядной камере. Во время разряда за счет образовавшейся плазмы и протекающего разрядного тока суммарное газокинетическое (Рг) и магнитное (Рм) давление внутри разрядного объема сильно возрастает и выталкивает образовавшуюся плазму в отверстия. При этом давление на боковую стенку цилиндра будет равно разности газокинетического и магнитного давлений Р 1 Рг - Рм,а вдоль оси системы их сумме Р 2 РгРм. 2 2643 1 Размеры разрядного устройства варьировались в следующих пределах диаметр электродов э 5 - 20 мм,длина разрядной камеры 1 к 30 - 150 мм,диаметр отверстия в стенке разрядной камеры отв 5 - 20 мм,внутренний диаметр разрядной камеры к 10 - 40 мм,наружный диаметр разрядной камеры н 15 - 100 мм. Начальные параметры разряда начальное напряжение 01 - 5 кВ,емкость конденсаторной батареи С 024 мкФ. Разрядный ток составлял 1 - 20 кА. Исходя из экспериментальных данных для нормального функционирования, получено следующее соотношение размеров цилиндрического корпуса и канала для прохождения разряда 10 н/к 1,5. Обоснование граничных условий При размерах разрядного устройства э 5 мм. 1 к 30 мм, отв 5 мм, к 10 мм, н 15 мм ресурс работы устройства за счет эрозии боковой стенки сравнительно небольшой. Эродирующую за один разряд массу диэлектрика можно оценить по формуле 1 эл 01 эл 002/2,где- количество вещества, эродируемого с единицы длины диэлектрического корпуса в расчете на один джоуль 1 - длина рабочего канала (в нашем случае 11 к), эл - электрический КПД, учитывающий потери энергии на паразитных сопротивлениях контура 0 энергия, запасаемая в конденсаторной батарее. Для цилиндрического корпуса из фторопласта 10-5 г/Джсм. Для интересующего нас случая, полагая эл 0,5 и 0300 Дж, имеем 10-530,5300 г 4,510-3 г. Толщина уносимого за один разряд слоя диэлектрика (при удельном весе фторопласта р 2,3 г/см) составляет 210-4 см. Стенка данного устройства разрушится за счет эрозии примерно через 1,35103 разрядов. С увеличением запасаемой энергии на два порядка (т.е. до 3104 Дж) количество разрядов до разрушения стенки за счет эрозии уменьшится приблизительно до десятка разрядов. При размерах разрядного устройства э 20 мм, 1 к 150 мм, отв 20 мм, к 40 мм, н 100 мм ресурс работы возрастает до 58103 разрядов (0300 Дж), т.е. примерно на полтора порядка, однако, в процессе работы устройства разрядный объем внутри корпуса возрастает более, чем на полпорядка, что приводит к многократному уменьшению плотности плазмы внутри корпуса и снижению эффективности устройства по сравнению с первоначальной. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы расход массы через отверстие в боковой стенке был не менее или близок к расходу массы через оба минимальные сечения канала разряда, расположенные вблизи электродов. Течение плазмы через минимальные отверстия близко к изотермическому, поскольку здесь протекает разрядный ток, а через отверстие в боковой стенке к изоэнтропийному. В таких условиях скорость в случае изотермического течения примерно вдвое больше максимальной скорости, соответствующей изоэнтропийному течению. С учетом сказанного, считая плотностьплазмы в объеме корпуса приблизительно одинаковой, имеем для примерно равного расхода масс выражение 2221,где- скорость истечения плазмы через боковое отверстие. Поскольку расход масс через отверстие площадью 1 должен быть не менее или близок к расходу массы через два отверстия 2, то имеем 421 . При этом плазма электродных факелов, истекающая перпепдикулярно оси системы, практически не попадает в разрядный объем внутри корпуса. Для экспериментального уточнения приводится график зависимости отношения интенсивностей (выраженных в относительных единицах) спектральных линий атомов 324,7 нм и Н 486 нм от отношения площади отверстий для истечения плазмы 1 к минимальной площади сечения разрядного канала 2 (фиг. 2). Спектральные линии атома меди представляют материал электродов, а атома водорода - диэлектрика. Следует отметить, что график получен из спектрограмм, усредненных по 20 - 60 разрядам каждая и является не скорректированным по спектральной чувствительности фотоэмульсии (учет спектральной чувствительности приводит лишь к уменьшению масштаба относительных интенсивностей примерно в полтора раза). При 1/211 и 22 линии атома меди не зафиксированы, что указывает на существенное уменьшение их интенсивности. Пример конкретной реализации Диаметр сечения электродной камеры в пределе примем равным н (исключая толщину стенки электродной камеры). Электродные камеры помечены на фиг. 1 цифрой 2. Площадь сечения электродной камеры равна площади, расположенной между внутренней поверхностью электродной камеры и внешней поверхностью электрода, т.е.( / 4)( эк 2 э 2 ) минимальная площадь сечения разрядного канала больше или равна площади сечения электродной камеры, что приводит к прямому попаданию плазмы материала электродов в эрозионную плазму из материала диэлектрика. образующуюся в разрядной камере, из которой происходит истечение струи, и т.о. загрязняет ее. Например, плазма, образующаяся в электродном пятне и истекающая перпендикулярно поверхности электрода, отражается от стенки электродной камеры и через минимальное сечение 5 разрядного канала попадает а эрозионную плазму, образующуюся в разрядной камере. При 1, плазма материала электродов не попадает непосредственно в эрозионную плазму, образующуюся в разрядной камере, а задерживается в электродной камере вследствие экранирующего действия торцевой части внутренней поверхности электродной камеры. В нашем случае указанное отношение примерно 0,04. Попадание атомных частиц материала электродов в истекающую струю возможно диффузионным путем. Если в плазме имеется разность давлений, она будет выравниваться (в отсутствие других сил) со скоростью звука с 2/, где- показатель адиабаты,- газовая постоянная, Т - температура, М -средняя масса атома. В рассматриваемом источнике разность давлений создается отверстием в разрядной камере. Вдоль камеры за время разрядавыравнивание давления будет распространено на расстояние Хпс, которое будет максимальным для атома водорода. На длине, больше указанной. возмущение, вызванное наличием отверстия, не будет передаваться в электродную камеру и влиять на течение плазмы с примесью материала электродов из электродной камеры в разрядную. Поскольку в настоящем разрядном устройстве имеются две симметрично расположенные относительно центра электродные камеры, то источников возмущения будет два и каждому возмущению необходимо пройти примерно половину длины разрядной камеры (от минимального сечения разрядного канала 5, фиг. 1, до отверстия 6 в боковой поверхности). Поэтому время для выравнивания давления уменьшается примерно в два раза (с точностью до размеров отверстия), т.к. нужно пройти только половину длины разрядной камеры. Это равноценно тому, что для сохранения прежнего эффекта (в отсутствие отверстий) длину камеры необходимо увеличить примерно в два раза, т.е. 1 к 2 Хп 2(/Мн)1/2 ,где Мн - масса атома водорода (самый легкий элемент), для которого скорость с максимальна. Эту длину следует принимать за минимальную. Максимальное расстояние поперек разрядной камеры, на котором происходит выравнивание давления,можно оценить, если принять, что электроды выполнены из угля. При этом не учитывается длина разрядной камеры, а это значит, что в разрядную камеру может попадать плазма из материала электродов. В предельном случае можно считать, что плазма в разрядной камере состоит,в основном, из материала электродов. Самым легким проводником электричества, из которого можно изготовить электрод, является углерод (символ С). Время выравнивания давления в разрядной камере вдоль диаметра (от стенки к стенке, случай одного отверстия) будет пропорционально величине диаметра. В случае двух отверстий (с протовоположных сторон диаметра разрядной камеры) или кольцевого отверстия время выравнивания уменьшается по отношению к предыдущему в два раза. Для сохранения прежнего эффекта величину диаметра необходимо увеличить в два раза, т.е. к 2 Х 2(/Мс)1/2,где Мс - атомная масса углерода (Мс 12). На основании изложенного В условиях нашего эксперимента 1 к/к 100/156,7. Оценим теперь характерное время обычной диффузии. Уравнение диффузии имеет вид/2/х 2,где- плотность диффундирующей газовой компоненты.- коэффициент диффузии.оказывается порядка 102 или 103 см 2/с. Из уравнения диффузии, используя анализ размерностей, получаем//(х)2,2 откуда/, где х - характерная длина устройства.- характерное время диффузии на этой длине. 4 2643 1 Примем за характерное время диффузии величину порядка длительности разрядного тока(в условиях нашего эксперимента 3510-6 с). За это время атомные частицы путем диффузии распространяются на длину х 1/2(103 м 2)1/231,51/2 см,где- в секундах. Учитывая инерцию источника (в условиях нашего эксперимента длительность фоторазвертки 6010-6 с) длину целесообразно умножить на коэффициент порядка 2. Расстояние от электрода до края отверстия должно быть не менее 2 х 231,51/2631/2, что вместе с диаметром отверстия составляет расстояние между электродами (длину разрядной камеры) 1 к 1261/2 отв. Таким образом. отношение длины разрядной камеры к диаметру отверстия составляет не менее 1 к/отв(1261/2 отв)/ отв 11261/2/ отв,где- в секундах, отв - в сантиметрах. В условиях нашего эксперимента 1 к/отв 100/812,5. Сравнительные экспериментальные исследования эрозионного источника плазмы трубчатой и цилиндрической геометрии при одинаковых условиях (С 24 мкФ,5 кВ, Р 103 мм рт.ст., наружный диаметр разрядного устройства н 20 мм, наружный диаметр канала разряда вблизи отверстия к 15 мм, диаметр отверстия отв 8 мм, материал диэлектрика - плексиглас, электродов - медь, 17 мкс с начала свечения разряда) показали в случае трубчатой геометрии разрядного устройства скорость истечения плазмы на срезе сопла, измеренная по прерывистой структуре скоростных щелевых фоторазверток, составляет 7 км/с, а на удалении от среза сопла 10 мм скорость 15,5 км/с и остается практически постоянной. В исследуемых условиях наличие центрального диэлектрического стержня приводит к возрастанию скорости движения плазмы после выхода из сопла в случае цилиндрической геометрии разрядного устройства скорость истечения плазмы на срезе сопла,измеренная по слабо выраженной прерывистой структуре щелевых фоторазверток, составляет 8 км/с (18 мкс) и с удалением от среза сопла остается практически постоянной. Эксперименты показали, что наличие центрального диэлектрического стержня приводит к улучшению динамических свойств истекающей плазменной струи в процессе движения. Определение основных параметров плазмы спектроскопическими методами по интегральным спектрам для различных отношений наружного диаметра разрядной камеры к диаметру канала (при постоянном диаметре канала к 15 мм) дало следующие результаты. Когда наружный диаметр разрядной камеры н 20 мм температура электронов, измеренная по отношению интенсивностей спектральных линий однократно заряженного иона кислорода 416,92 нм и 418.98 нм. составляет Т е 21,510 3 К концентрация электронов, измеренная по штарковскому уширению линии иона кислорода 416,92 нм, составляет 51017 см-3 (5 кВ, срез сопла). Следует напомнить, что максимальная скорость движения плазмы 15,5 км/с (5 кВ, 17 мкс). Когда наружный диаметр разрядной камеры н 50 мм температура электронов Те 26,1103 К концентрация электронов,71018 см-3, т.е. приблизительно в три раза выше. Максимальная скорость движения плазмы 10 км/с. В пределах погрешностей ( 25 для Те и 40 для ) температура электронов практически не меняется по сравнению с предыдущим случаем, однако концентрация электронов существенно возрастает, а максимальная скорость заметно падает. Такие значения указанных параметров связаны, по-видимому, с существенным влиянием центрального диэлектрического стержня. Когда наружный диаметр разрядной камеры н 100 мм в этих условиях использовавшиеся ранее для диагностики спектральные линии иона кислородапрактически не наблюдаются, что указывает на существенное изменение температуры. Грубые измерения параметров плазмы производились с использованием спектральной линии атома водорода. Температура электронов Те 7103 К концентрация электронов 1017 см-3 (полуширина спектральной линии 4 нм,3 кВ, срез сопла). Скорость плазмы на срезе сопла(7-9 км/с,3-5 кВ) и с удалением от среза практически не изменяется. В этих условиях влияние центрального диэлектрического стержня существенно ослабевает. Скорость истечения плазмы через минимальное сечение канала разряда вблизи анода, измеренная по щелевым фоторазверткам (прерывистость выражена очень слабо), составляет 11 км/с, а из отверстия в разрядной камере 6 км/с (н 50 мм,5 кВ,17 мкс). Эти значения не исключают грубых оценок при модельных предположениях. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.