Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда

Описаны конструкция и принцип работы источника эрозионной плазмы с трехступенчатой системой возбуждения вакуумно-дугового разряда. В качестве двух первых ступеней используется применяемая в штатных источниках плазмы установок «Булат» видоизмененная бесконтактная система запуска с плазменным инжектор...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Сысоев, Ю.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2013
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111553
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 154-157. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111553
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1115532017-01-11T03:03:06Z Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда Сысоев, Ю.А. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Описаны конструкция и принцип работы источника эрозионной плазмы с трехступенчатой системой возбуждения вакуумно-дугового разряда. В качестве двух первых ступеней используется применяемая в штатных источниках плазмы установок «Булат» видоизмененная бесконтактная система запуска с плазменным инжектором, работа третьей ступени запуска основана на переходе тлеющего разряда в дуговой. Согласованная работа ступеней запуска на различных этапах формирования покрытий обеспечивает существенное повышение ресурса и надежности системы инициирования вакуумно-дугового разряда и расширяет функциональные возможности источника плазмы. Описано конструкцію та принцип роботи джерела ерозійної плазми з триступінчатою системою збудження вакуумно-дугового розряду. В якості двох перших ступенів використовується застосовувана в штатних джерелах плазми установок «Булат» видозмінена безконтактна система запуску з плазмовим інжектором, робота третього ступеня запуску заснована на переході тліючого розряду в дуговий. Узгоджена робота ступенів запуску на різних етапах формування покриттів забезпечує істотне підвищення ресурсу та надійності системи ініціювання вакуумно-дугового розряду і розширює функціональні можливості джерела плазми. The construction and the operation principle of erosion plasma source with a three-stage system of vacuum-arc discharge excitation is described. As first two step was used the modified contactless start system with plasma injector, which was widely used in standard plasma sources of the “Bulat” systems. The operation principle of the third stage was based on the transition of glow discharge to arc discharge. Coordinated operation of three stages during various stages of coating deposition provided significant increasing of service life and reliability of the system of vacuum-arc discharge initiation and extended the functionality of the plasma source. 2013 Article Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 154-157. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111553 621.793 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
spellingShingle	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Сысоев, Ю.А. Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда Вопросы атомной науки и техники
description	Описаны конструкция и принцип работы источника эрозионной плазмы с трехступенчатой системой возбуждения вакуумно-дугового разряда. В качестве двух первых ступеней используется применяемая в штатных источниках плазмы установок «Булат» видоизмененная бесконтактная система запуска с плазменным инжектором, работа третьей ступени запуска основана на переходе тлеющего разряда в дуговой. Согласованная работа ступеней запуска на различных этапах формирования покрытий обеспечивает существенное повышение ресурса и надежности системы инициирования вакуумно-дугового разряда и расширяет функциональные возможности источника плазмы.
format	Article
author	Сысоев, Ю.А.
author_facet	Сысоев, Ю.А.
author_sort	Сысоев, Ю.А.
title	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
title_short	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
title_full	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
title_fullStr	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
title_full_unstemmed	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
title_sort	технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111553
citation_txt	Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 5. — С. 154-157. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT sysoevûa tehnologičeskijistočnikplazmyskombinirovannojsistemojvozbuždeniâvakuumnodugovogorazrâda
first_indexed	2025-07-08T02:19:41Z
last_indexed	2025-07-08T02:19:41Z
_version_	1837043476664942592
fulltext	154 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) УДК 621.793 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА Ю.А. Сысоев Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, Украина Описаны конструкция и принцип работы источника эрозионной плазмы с трехступенчатой системой возбуждения вакуумно-дугового разряда. В качестве двух первых ступеней используется применяемая в штатных источниках плазмы установок «Булат» видоизмененная бесконтактная система запуска с плазмен- ным инжектором, работа третьей ступени запуска основана на переходе тлеющего разряда в дуговой. Согла- сованная работа ступеней запуска на различных этапах формирования покрытий обеспечивает существен- ное повышение ресурса и надежности системы инициирования вакуумно-дугового разряда и расширяет функциональные возможности источника плазмы. ВВЕДЕНИЕ Одними из наиболее важных характеристик тех- нологических источников плазмы на основе ваку- умно-дугового разряда являются надежность и ре- сурс его системы поджига (СП) дуги, поскольку именно они в основном определяют аналогичные параметры источника плазмы в целом. Работы по совершенствованию СП вакуумно-дугового разряда, вызванные требованиями к повышению надежности источников плазмы и расширению диапазона их работы в сторону импульсных режимов при одно- временном обеспечении достаточной простоты как изготовления, так и эксплуатации СП, выполняются с момента создания первых конструкций источни- ков плазмы. Исследования по возбуждению дугового разряда и его стабилизации в вакуумно-дуговых устройст- вах, начатые в середине 70-х годов в Харьковском физико-техническом институте, привели к созданию достаточно надежно работающих в стационарном режиме источников плазмы с автостабилизацией и магнитным удержанием катодного пятна (КП) [1]. Однако проблема создания СП вакуумно-дугового разряда, обеспечивающих надежную работу источ- ников плазмы в импульсном режиме с ресурсом бо- лее 106…107 срабатываний, что необходимо при реализации ряда перспективных технологических процессов, осталась нерешенной. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА К НАСТОЯЩЕМУ МОМЕНТУ Разработанная в [2] и широко применяемая в на- стоящее время бесконтактная СП вакуумно-дугово- го разряда в технологических источниках плазмы, по сути, является двухступенчатой. В ней роль пер- вой ступени выполняет плазменный инжектор, ге- нерирующий при срабатывании начальный сгусток плазмы, возбуждающий сильноточный разряд во второй ступени, разрядный промежуток которой об- разован дополнительным электродом и катодом. В дальнейшем возникшее катодное пятно (КП) дуго- вого разряда магнитным полем выводится на рабо- чую поверхность катода. Характеристики такой СП определяются в пер- вую очередь надежностью и ресурсом работы плаз- менного инжектора. Применение в качестве запол- нителей разрядного промежутка различных сортов керамики (22ХС, М-7 и др.) обеспечивает, при при- емлемой вероятности (надежности) запуска источ- ника плазмы, ресурс инжектора, не превышающий 104…105 срабатываний, который увеличивается до 106 при использовании вместо керамики специально разработанных композиционных материалов [3–5]. Достигнутый ресурс СП обеспечивает достаточ- ную для практических целей надежность работы источников плазмы с автостабилизацией и магнит- ным удержанием КП в стационарном режиме при нанесении покрытий в широком диапазоне рабочих давлений, в том числе и в режимах с частыми вклю- чениями–отключениями дуги (например, в режиме ионной очистки). Однако в импульсном режиме при длительности импульсов дуги менее нескольких сотен миллисекунд такие источники неработоспо- собны. Связано это с тем, что возбуждение КП в них происходит в районе боковой, нерабочей поверхно- сти катода. При этом для равномерной выработки катода необходимо, чтобы КП, как минимум, дости- гало центра рабочей поверхности катода, что обес- печивается длительностью (импульсом) горения дуги не менее нескольких сотен миллисекунд. При меньшей длительности горения вакуумно-дугового разряда эрозия катода будет неравномерной и про- исходить в большей части на нерабочей поверхно- сти катода. Чем меньше длительность импульса, тем больше эта неравномерность, которая в итоге (при длительной работе в режиме коротких импульсов) приводит к образованию кольцеобразной выемки на боковой поверхности катода и отказу источника плазмы из-за невозможности вывода КП на рабочую поверхность катода даже при переходе в стационар- ный режим. Следует также отметить, что стабильная работа пускового инжектора с заполнением разрядного промежутка керамикой возможна только в условиях, когда между очередными срабатываниями инжекто- ра происходит восстановление проводящей пленки в его разрядном промежутке. Поэтому длительная ра- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) 155 бота источника плазмы в режимах с частыми пога- саниями дуги приводит к снижению надежности срабатывания первой ступени запуска. Предложен- ный в [6] способ применения пусковых импульсов с высоковольтным пиком вначале не всегда дает по- ложительный результат. Более совершенны в отношении импульсных ре- жимов работы источники плазмы, запуск которых осуществляется с помощью тлеющего разряда в сис- теме электродов пеннинговского или полокатодного типов [1, 3]. При запуске источников переходом тле- ющего разряда в дуговой (ПТД) КП образуется не- посредственно на рабочей поверхности катода, с равной вероятностью возникновения в любой точке его поверхности. Такая особенность инициирования КП снимает все ограничения по длительности им- пульса вакуумно-дугового разряда, поскольку рав- номерная эрозия катода будет обеспечиваться при сколь угодно малых временах горения дуги. Особенно эффективно СП на основе ПТД рабо- тают при наличии на катоде диэлектрических сти- муляторов. В качестве таких стимуляторов могут выступать образующиеся на поверхности катода пленки из соединений материала катода с реакцион- ными газами [1, 3]. Создание первоначальной плазмы в СП рассмат- риваемого типа тлеющим разрядом, существующим в системе электродов достаточно больших размеров, обеспечивает им высокий ресурс работы. Однако су- щественный недостаток, ограничивающий примене- ние вакуумно-дуговых устройств с запуском тлею- щим разрядом, заключается в том, что они практи- чески неработоспособны при пониженных давлени- ях (менее 5·10-2 Па) [3]. Целью настоящей работы является разработка и исследование технологического источника плазмы с комбинированной СП, рациональным образом соче- тающей преимущества каждого из рассмотренных выше способов возбуждения вакуумно-дугового разряда. 2. УСТРОЙСТВО ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ СП В разработанном источнике плазмы с комбини- рованной СП, схема которого показана на рис. 1, применена трехступенчатая система возбуждения вакуумно-дугового разряда. В качестве двух первых ступеней используется применяемая в штатных ис- точниках плазмы установок «Булат» бесконтактная система запуска, работа третьей ступени запуска основана на переходе тлеющего разряда в дуговой. Первой ступенью запуска в источнике плазмы является пусковой инжектор. Поскольку данный узел – наиболее ненадежное место СП, в данном источнике установлены две первые ступени запуска (два инжектора), образованные поджигающими электродами 6 и 8, образующими разрядный проме- жуток с элементом (кольцом) 5 дополнительного электрода. Разрядный промежуток инжектора может быть заполнен как керамикой, так и композицион- ным материалом [4, 5]. Рис. 1. Схема вакуумно-дугового источника плазмы с комбинированной СП: 1 – анод; 2 – катод; 3 – фланец; 4,5 – элементы дополнительного электрода; 6,8 – поджигающий электрод; 7,9 – диэлектрик; 10 – токовводы; 11,12 – блок питания первой ступени запуска; 13 – блок питания второй ступени запуска; 14 – корпус с полостью 15; 16 – соленоид; 17 – изолятор; 18 – пусковой электрод; 19 – блок питания третьей ступени запуска; 20 – камера; 21 – датчик давления; 22 – источник питания дуги; 23 – датчик тока дуги; 24 – блок управления; 25 – обрабатываемые изделия Вторая ступень запуска была видоизменена по сравнению с [2] и образована в источнике элемен- том дополнительного электрода 6, выполненным в виде усеченной конусообразной спирали, прикреп- ленной меньшим основанием к элементу 5, и като- дом 2. Питание на вторую ступень запуска подается через виток наибольшего диаметра, расположенный вблизи рабочей поверхности катода [7]. Третья ступень запуска образована пусковым электродом 18 (анод) и разнопотенциальными элек- тродами 1 и 2 (анод и катод источника плазмы), об- разующими полокатодную систему. Питание ступеней запуска и основного вакуум- но-дугового разряда осуществляется от соответст- вующих блоков, подключенных согласно схеме (см. рис. 1). Включение блоков питания осуществ- ляется блоком управления 24, вырабатывающим сигналы включения–отключения блоков питания ступеней запуска по сигналам, поступающим от датчика давления 21 и датчика тока дуги 23. Ос- тальные элементы (см. рис. 1) имеют общепринятое назначение. В варианте источника плазмы с комбинирован- ной СП (рис. 2) пусковой электрод третьей ступени размещен между катодом и анодом устройства, при- чем функции анода здесь выполняет вакуумная ка- мера. При таком расположении электродов при по- даче на пусковой электрод пускового импульса в системе электродов при наличии магнитного поля возникает тлеющий разряд пеннинговского типа, переходящий в дуговой с образованием КП на рабо- чей поверхности катода устройства. Данное реше- ние упрощает конструкцию вакуумно-дугового уст- ройства для нанесения покрытий при сохранении всех его рабочих функций. 156 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) Рис. 2. Вариант конструктивного исполнения источника плазмы с комбинированной СП, позиции соответствуют позициям на рис. 1 3. РАБОТА ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ СП Работа источника плазмы разработанной конст- рукции имеет ряд особенностей. При работе на низ- ких давлениях (менее·10-2 Па), например, при ион- ной очистке, когда эффективность третьей ступени запуска низка, возбуждение дугового разряда осу- ществляется первой и второй ступенями запуска. При этом, поскольку устройство содержит две пер- вые ступени запуска, то осуществляется поочеред- ное срабатывание каждой по сигналам от блока управления. Отказ одной из них не скажется на ра- боте источника плазмы, поскольку будет продол- жать работу другая. В общем случае, такое резерви- рование позволяет в N раз повысить ресурс работы первой ступени, где N – количество первых ступе- ней. Одновременно при этом повышается надеж- ность срабатывания первых ступеней, поскольку в N раз будет увеличиваться и время между срабатыва- ниями конкретной первой ступени, что улучшает условия по формированию проводящей пленки в ее разрядном промежутке. При переходе в режим нанесения покрытия дав- ление в рабочем объеме повышается за счет напуска реакционных газов или их смесей. В этом режиме, при погасании дуги, блок управления по сигналам датчика тока и датчика давления запускает в работу блоки питания третьей и второй ступени запуска. Таким согласованным режимом обеспечивается на- дежная работа источника плазмы с разработанной СП в течение всего цикла нанесения покрытия. Его ресурс при этом значительно увеличивается, так как при ионной очистке (среднее время проведения по- рядка 3…5 мин) работают только первая и вторая ступени запуска, а при нанесении покрытия (среднее время проведения 2…40 мин) – только третья и вто- рая ступени. Такая поочередная работа ступеней, как минимум, в два раза повышает ресурс источника плазмы с комбинированной системой запуска. Работа СП вакуумно-дуговых устройств на осно- ве ПТД в системе электродов полокатодного и пен- нинговского типов ранее исследовалась в [1, 3] и здесь не рассматривается. Особенностью запуска ис- точников плазмы с комбинированной СП является то, что одновременно с третьей ступенью, работаю- щей на основе ПТД, включается и вторая ступень запуска. В этом случае наличие витка дополнитель- ного электрода второй ступени, расположенного вблизи рабочей поверхности катода и находящегося под положительным потенциалом относительно катода, способствует формированию КП вакуумно- дугового разряда. Данное обстоятельство играет тем более важную роль, чем дальше расположен анод источника плазмы от катода (например, в конструк- ции источника плазмы исполнения по варианту на рис. 2). Имеет значение и то, что после запуска ис- точника вторая ступень запуска отключается. Этим самым обеспечивается отсутствие тока в цепи до- полнительный электрод–катод после запуска источ- ника, что повышает коэффициент использования плазмообразующего материала катода. Испытания источника плазмы с комбинирован- ной СП (вариант исполнения по рис. 1) в режиме нанесения покрытий, показали, что надежность за- пуска устройства третьей ступенью при включенной в этот момент второй ступени запуска, определяе- мая вероятностью зажигания вакуумно-дугового разряда, в диапазоне давлений 10-2…5 Па, при нали- чии магнитного поля величиной 104…105 А/м и ам- плитуде пусковых импульсов 1,5…2,0 кВ, близка к 100 %. При нанесении покрытий в импульсных ре- жимах (tи = 100 мкс и tи = 1 мс, скважность импуль- сов равнялась двум) эрозия рабочей поверхности катода равномерна независимо от режима. ВЫВОДЫ Разработана конструкция технологического ис- точника плазмы с комбинированной трехступенча- той СП, которая обеспечивает повышение надежно- сти и ресурса его работы, а также работу в импульс- ных режимах при нанесении покрытий с любой дли- тельностью импульсов. В предложенной конструкции в качестве двух первых ступеней СП используется применяемая в штатных источниках плазмы установок «Булат» видоизмененная бесконтактная система запуска с плазменным инжектором. Работа третьей ступени запуска в данной СП основана на переходе тлеюще- го разряда в дуговой. Согласованная работа ступе- ней запуска на различных этапах формирования по- крытий, обеспечиваемая блоком управления по сиг- налам датчиков давления и тока, приводит, как ми- нимум, к двухкратному повышение ресурса. Одно- временно происходит существенное увеличение надежности комбинированной СП вакуумно- дугового разряда как за счет использования двух первых ступеней запуска, так и за счет применения ПТД в третьей. Кроме того, расширяются функцио- нальные возможности источника плазмы в результа- те его работы в импульсном режиме при нанесении покрытий. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. И.И. Аксенов, А.А. Андреев, В.А. Белоус, В.Е. Стрельницкий, В.М. Хороших. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхно- стное модифицирование. Киев: «Наукова думка», 2012, 727 с. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №5(87) 157 2. И.И. Аксенов, В.А. Белоус. Зажигание ваку- умной дуги в стационарных источниках металличе- ской плазмы от автономного плазменного инжекто- ра // ПТЭ. 1979, №3, с. 160-162. 3. Ю.А. Сысоев. Инициирование вакуумно- дугового разряда в технологических источниках плазмы // Сб. науч. тр. «Вопр. проектир. и произ- водства деталей констр. летат. аппар.». Спец. вып. «Новые технол. в машиностр.». Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2010, в. 3(63), с. 280-295. 4. Ю.А. Сысоев. Высокоресурсные пусковые инжекторы для источников плазмы электротехноло- гических установок. Новые электро- технологические процессы в машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. семин. Кишинев: Кишинев. политех. ин-т, 1990, с. 99-100. 5. А.Н. Григорьев, А.К. Турчина. Пусковое уст- ройство для источника металлической плазмы // ПТЭ. 2008, №1, с. 147-148. 6. И.И. Аксенов, В.Г. Брень, С.П. Попова, В.М. Хороших. Пусковое устройство вакуумного электродугового плазменного ускорителя // Источ- ники и ускорители плазмы. Харьков: ХАИ, 1981, с. 50-55. 7. А.с. 1558284 СССР. Вакуумно-дуговое плаз- менное устройство / Ю.А. Сысоев, Г.И. Костюк, И.И. Аксенов // Открытия. Изобретения.1988. Статья поступила в редакцию 18.01.2013 г. ТЕХНОЛОГІЧНЕ ДЖЕРЕЛО ПЛАЗМИ З КОМБІНОВАНОЮ СИСТЕМОЮ ЗБУДЖЕННЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РОЗРЯДУ Ю.О. Сисоєв Описано конструкцію та принцип роботи джерела ерозійної плазми з триступінчатою системою збу- дження вакуумно-дугового розряду. В якості двох перших ступенів використовується застосовувана в штат- них джерелах плазми установок «Булат» видозмінена безконтактна система запуску з плазмовим інжекто- ром, робота третього ступеня запуску заснована на переході тліючого розряду в дуговий. Узгоджена робота ступенів запуску на різних етапах формування покриттів забезпечує істотне підвищення ресурсу та надійно- сті системи ініціювання вакуумно-дугового розряду і розширює функціональні можливості джерела плазми. TECHNOLOGICAL PLASMA SOURCE EQUIPPED WITH COMBINED SYSTEM OF VACUUM-ARC DISCHARGE INITIATION Yu.О. Sysoiev The construction and the operation principle of erosion plasma source with a three-stage system of vacuum-arc discharge excitation is described. As first two step was used the modified contactless start system with plasma injec- tor, which was widely used in standard plasma sources of the “Bulat” systems. The operation principle of the third stage was based on the transition of glow discharge to arc discharge. Coordinated operation of three stages during various stages of coating deposition provided significant increasing of service life and reliability of the system of vacuum-arc discharge initiation and extended the functionality of the plasma source.

Технологический источник плазмы с комбинированной системой возбуждения вакуумно-дугового разряда

Репозитарії

Схожі ресурси