Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления

Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления

Работа посвящена изучению потоков частиц, генерируемых стационарными вакуумными дугами, горящими на катодах из алюминия и молибдена, резко отличающимися по температурам плавления. Показано, что содержание капель в потоках частиц, генерируемых вакуумной дугой, существенно отличается для тугоплавко...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2004
Автори: Хороших, В.М., Холомеев, М.Г.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2004
Назва видання:Физическая инженерия поверхности
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98485
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:Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления / В.М. Хороших, М.Г. Холомеев // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 24–27. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-98485
record_format dspace
spelling irk-123456789-984852016-04-16T03:01:55Z Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления Хороших, В.М. Холомеев, М.Г. Работа посвящена изучению потоков частиц, генерируемых стационарными вакуумными дугами, горящими на катодах из алюминия и молибдена, резко отличающимися по температурам плавления. Показано, что содержание капель в потоках частиц, генерируемых вакуумной дугой, существенно отличается для тугоплавкого и легкоплавкого металлов Так, для алюминия содержание капель в общем потоке конденсируемых частиц достигает 35,6%, в то время как для молибдена доля капельной фазы не превышает 1%. Заметное влияние на характер угловых распределений капель оказывает их взаимодействие с ионами плазмы. При анализе угловых распределений частиц следует учитывать их взаимодействие с поверхностью конденсации. Робота присвячена вивченню потоків частинок, генеруємих стаціонарними вакуумними дугами, які горять на катодах з алюмінію і молібдену, що різко відрізняються за температурами плавлення. Показано, що зміст крапель у потоках частинок, генерируємих вакуумною дугою, істотно відрізняється для тугоплавкого та легкоплавкого металів Так, для алюмінію зміст краплі в загальному потоці конденсуємих часттнок досягає 35,6%, у той час як для молібдену частка краплинної фази не перевищує 1%. Помітний вплив на характер кутових розподілів крапля робить їхня взаємодія зіонами плазми. При аналізі кутових розподілів часток варто враховувати їхня взаємодія з поверхнею конденсації. Work sacred to study of particles streams, generated by stationary vacuum arcs, burning on aluminium and molybdenum cathodes, sharp discrepant on melting temperatures. Shown, that maintenance drops in particles streams, generated by vacuum arc, essentiale differs for refractory and fusible metals. So, for aluminium maintenance drops in general stream of condensed particles reaches 35,6%, in then how for molybdenum part of drop phase does not exceed 1%. Noticeable influence on nature of angle distributions drops renders their interaction with plasma ions refractory. Attached to analysis of angle particles distributions follows to take into account their interaction with condensation surface. 2004 Article Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления / В.М. Хороших, М.Г. Холомеев // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 24–27. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98485 621.793:621.941.0257 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Работа посвящена изучению потоков частиц, генерируемых стационарными вакуумными дугами, горящими на катодах из алюминия и молибдена, резко отличающимися по температурам плавления. Показано, что содержание капель в потоках частиц, генерируемых вакуумной дугой, существенно отличается для тугоплавкого и легкоплавкого металлов Так, для алюминия содержание капель в общем потоке конденсируемых частиц достигает 35,6%, в то время как для молибдена доля капельной фазы не превышает 1%. Заметное влияние на характер угловых распределений капель оказывает их взаимодействие с ионами плазмы. При анализе угловых распределений частиц следует учитывать их взаимодействие с поверхностью конденсации.
format Article
author Хороших, В.М.
Холомеев, М.Г.
spellingShingle Хороших, В.М.
Холомеев, М.Г.
Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
Физическая инженерия поверхности
author_facet Хороших, В.М.
Холомеев, М.Г.
author_sort Хороших, В.М.
title Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
title_short Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
title_full Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
title_fullStr Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
title_full_unstemmed Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
title_sort пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate 2004
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98485
citation_txt Пространственное распределение потоков частиц в стационарном дуговом разряде низкого давления / В.М. Хороших, М.Г. Холомеев // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 24–27. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv AT horošihvm prostranstvennoeraspredeleniepotokovčasticvstacionarnomdugovomrazrâdenizkogodavleniâ
AT holomeevmg prostranstvennoeraspredeleniepotokovčasticvstacionarnomdugovomrazrâdenizkogodavleniâ
first_indexed 2025-07-07T06:38:36Z
last_indexed 2025-07-07T06:38:36Z
_version_ 1836969169796464640
fulltext ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 224 ВВЕДЕНИЕ Капельная фаза эрозии катода стационарной вакуумной дуги исследовалась ранее в работах [1, 2]. Изучено угловое распределение и рас- пределение по размерам для капель, генерируемых дугой с титановым катодом, горящей в высоком (~ 10 -3 Па) вакууме, а также в присутствии азота (до ~ 1 Па) в разрядном промежутке. Установлено, что перенос материала в капель- ной фазе для стационарной вакуумной дуги с ти- тановым катодом достигает ≈30 % от общего рас- хода массы катода. Максимальный диаметр капель составляет ≈40 мкм. Настоящая работа посвящена исследованию капель, генерируемых стационарными вакуумны- ми дугами, горящими на катодах из алюминия и молибдена. Данные материалы резко отличаются по температуре плавления, что позволяет выявить отличия в параметрах капельной фазы для катодов из легкоплавких и тугоплавких металлов. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Исследования проводили на установке, аналогич- ной используемой в работах [1, 2]. В качестве катодных материалов использовали алюминий АВ 0000 и молибден марки МЧВП. Продукты эрозии катода осаждались на образцы, располо- женные на расстоянии 85 мм от центра катода по окружности с центром, совпадающем с цент- ром рабочей поверхности катода и лежащей в плоскости, перпендикулярной этой поверхности. В процессе осаждения продуктов эрозии на образ- цы подавался отрицательный, относительно за- земленного анода разряда, потенциал; – 50 В для молибдена и- 150 В для алюминия. Данные значения потенциалов являются характерными для условий использования дуги в процессах осаждения различного рода покрытий [3]. Для изучения морфологии поверхности конденсатов использовали оптический микроскоп ММР-4 и растровый электронный микроскоп РЭМ-200. Скорость конденсации общего потока частиц (ионов и капель) определяли по толщине пленок, получаемых в течение определенного промежутка времени; толщина конденсатов измерялась интер- ферометром МИИ-4 по методу “теневых ножей”. Ток дугового разряда составлял 100 А для алюми- ния и 125 А для молибдена РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Изучение поверхности конденсатов под микро- скопом по методикам предложенным в работах [1, 2] показывает, что минимальные из обнаружи- ваемых капель имеют диаметр ~0,1 мкм; макси- мальный диаметр капель для алюминия состав- ляет ~45 мкм, для молибдена ~8 мкм. Распре- деление капель по размерам пред-ставлено на рис. 1. УДК 621.793:621.941.0257 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ В СТАЦИОНАРНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В.М. Хороших, М.Г. Холомеев Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт” Украина Поступила в редакцию 12.02.2004 Работа посвящена изучению потоков частиц, генерируемых стационарными вакуумными дугами, горящими на катодах из алюминия и молибдена, резко отличающимися по температурам плавления. Показано, что содержание капель в потоках частиц, генерируемых вакуумной дугой, существенно отличается для тугоплавкого и легкоплавкого металлов Так, для алюминия содержание капель в общем потоке конденсируемых частиц достигает 35,6%, в то время как для молибдена доля капельной фазы не превышает 1%. Заметное влияние на характер угловых распределений капель оказывает их взаимодействие с ионами плазмы. При анализе угловых распределений частиц следует учитывать их взаимодействие с поверхностью конденсации. Рис. 1. Распределение капель по размерам в максимумах их угловых распределений. ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 2 25 Также, как и для титана [2], распределение капель по размерам описывается функцией типа: ∆n = cDк –γ, (1) где ∆n, Dк – количество и диаметр капель со- ответственно; с, γ – постоянные, зависящие от материала катода. Для алюминия c ≅ 49, γ ≅ 1,56; для молибдена c ≅ 164, γ ≅ 3,41. Зависимости скорости осаждения суммарного потока частиц, генерируемых вакуумной дугой, капель и атомарных частиц (ионов и нейтральных атомов) от угла к оси разряда представлены на рис. 2 и 3. Атомарный поток определялся как разность суммарного потока частиц и капель. Рассчитан- ные из данных, приведенных на рис. 2 и 3, доли катодного материала, генерируемые в пределах данного телесного угла, приведены в табл. 1. Здесь же представлены отношения массы мате- риала, осаждаемого на внутреннюю поверхность полусферы диаметром 85 мм, к общей массе ис- паренного катодного материала. Расходы массы катодного материала рассчитаны из коэффициен- тов электропереноса, измеренных в работе [4]. Из табл. 1 следует, что основная количество катодного материала для дуги с алюминиевым и молибденовым катодами, генерируется в пределах телесного угла ~ 150°. Для алюминия поток частиц несколько уже, чем для молибдена. Причиной этого явления яв- ляется высокое содержание в молибденовой плаз- ме многозарядных ионов, обладающих высокой угловой расходимостью [5]. На внутреннюю поверхность полусферы ради- усом 85 мм, расположенную над плоскостью ка- тода (получено расчетным путем из рис. 2 и 3) осаждается 18,5 % испаренного материала молиб- денового и 9,5 % алюминиевого катода. Эти циф- ры являются значениями коэффициентов конден- сации для данных экспериментальных условий. Низкие значения коэффициентов конденсации связаны с высокой энергией ионов в плазме ваку- умной дуги, а также с наличием отрицательного потенциала на поверхности образцов многозаряд- ных ионов материала катода в данном типе раз- ряда. Основная часть потока капель, генерируе- мых дугой как с алюминиевым, так и с молибде- новым катодами движется в пределах угла 30 ÷70° к оси разряда (рис. 2 и 3). Относительное содержание капель в конден- сируемом потоке частиц для различных значений углов к оси разряда приведено в табл. 2. Рис. 2. Угловые распределения частиц, генерируемых ваку- умной дугой с алюминиевым катодом. Рис. 3. Угловые распределения частиц, генерируемых ваку- умной дугой с молибденовым катодом; (*для капель мас- штаб по оси Y увеличен в 100 раз); ввиду малого содержа- ния капель, суммарный и атомарный потоки практически совпадают. йынселеТ логу оньлетисонто адярзарисо -дотаковтсечилокеоньлетисонтО вогомеуриренег,алаиретамогон ,алгуогонселетогоннадхаледерп % oM lA °62 5,0 4,0 °25 4,5 4,5 °87 4,81 8,22 °201 4,64 1,35 °821 5,17 6,87 °451 09 1,49 -етамялоД ,адотакалаир огомеаджасо -хревопан -улопьтсон -уидарырефс мм58мос 5,81 5,9 Таблица 1 Относительное количество катодного материала, генерируемого в пределах заданных значений телесных углов к оси разряда В.М. ХОРОШИХ, М.Г. ХОЛОМЕЕВ ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 226 Зависимость потока атомарных частиц алю- миния от угловой координаты имеет максимум, совпадающий с максимумом аналогичной кривой для потока капель (рис. 2). Данное обстоятельст- во может быть связано либо с распылением кон- денсата ионами, имеющими максимум в приосе- вой зоне разряда, либо с тем, что некоторая часть ато-марных частиц образуется за счет испарения капель, движущихся под малыми углами к плос- кости катода и нагреваемых ионами плазмы. Расчеты изменения размера капель за счет испарения для дуги с титановым катодом про- ведены в работе [5]. Теоретическая модель, ис- пользуемая в данной работе, учитывает столк- новения капель с ионами и электронами, а также потери энергии за счет излучения и испарения. Выражение для расчета изменения радиуса капли R в зависимости от расстояния, пройденного ей от поверхности катода до подложки r, учиты- вающее вышеперечисленные факторы, имеет следующий вид: 0 3 ( ) ( ) dR dr Cv T R r = × ⋅ρ ⋅ υ 4 ( ) 2 ( ) am T r k T r ⎤× − α⋅ σ⋅ ⎦π ⋅ ⋅ . (2) Здесь Cv – удельная теплоемкость, ρ – плотность материала капли; υ0 – начальная скорость капли, ϕf – плавающий потенциал; ϕк – средняя кинети- ческая энергия ионов, ϕv – энергия конденсации, ϕi – потенциал ионизации ионов плазмы, k – пос- тоянная Больцмана, Те – температура электронов, Je – плотность электронного тока, a – энтальпия парообразования, р0 – давление насыщенного па- ра, ma – масса атома материала катода, Т – темпе- ратура капли, α – излучательная способность, σ – постоянная Стефана-Больцмана. Для стационарной дуги с алюминиевым като- дом в наших экспериментальных условиях (kTe=kTi=2 эВ, скорость ионов 104 м·с-1, расстоя- ние от катода до подложки 85 мм, начальная ско- рость капли 4м·с–1 [6], плавающий потенциал – 12 В, энтальпия парообразования а = 10,6ґ 106 Дж·кг-1) выражение (2) записывается в сле- дующем виде: 10 6 0,5 01,136 10 6,903 10e dR J p T dr − − −= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ . (3) Как следует из проведенных расчетов (рис. 4), при пролете участка от катода до поверхности конденсации радиусы капель уменьшаются. При этом радиус малых капель уменьшается на 25 %, что соответствует 40 % уменьшения объема. Однако, крупные капли радиусом более 10 мкм теряют всего несколько процентов своего объема (рис. 5). Оценки, проведенные с учетом того обстоя- тельства, что основной расход катодного материа- ла для дуги с алюминиевым катодом происходит за счет крупных капель (рис. 2) показывают, что суммарные потери объема капель покидающих катод при их движении до подложки не превы- шают 5 %. логУ адярзарисок еинажредосеоньлетисонтО %,етаснедноквьлепак oM lA °0 14,0 8,11 °31 51,0 21 °62 2,0 8,52 °93 67,0 9,33 °25 98,0 2,22 °56 28,0 4,22 °87 29,0 6,84 -етамялоД ,адотакалаир -еуриренег едиввогом ьлепак 38,0 6,53 Таблица 2 Относительное содержание капель в конденсируемом потоке частиц при различных углах к оси разряда Рис. 4. Изменение относительного размера капель в зависи- мости от пройденного расстояния для капель с различными начальными радиусами. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ В СТАЦИОНАРНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 2 27 плавких металлов. При анализе пространствен- ных распределений потоков частиц в объеме следует учитывать характер взаимодействия ис- следуемых частиц с поверхностью конденсации. Взаимодействие ионов с каплями оказывает за- метное влияние на характер угловых распреде- лений частиц в объеме вакуумно-дугового раз- ряда. ЛИТЕРАТУРA 1. Аксенов И.И., Коновалов И.И. и др. Исследование капельной фазы эрозии катода стационарной вакуумной дуги // ЖТФ. – 1984. – Т. 54, № 8. – С. 1530 - 1533. 2. Аксенов И.И., Кудрявцева Е.Е. и др. Исследование влияния давления газа в объеме на параметры капельной фазы эрозии катода стационарной вакуумной дуги//Препринт ХФТИ 84-18, -М.: ЦНИИатоминформ, 1984. – 17 с. 3. Толок В.Т., Падалка В.Г. Методы плазменной тех- нологии высоких энергий// Атомная энергия.– 1978. – T. 44. – C. 476 - 479. 4. Аксенов И.И., Коновалов И.И. и др. Об эрозии катода дуги низкого давления//ТВТ.– 1988. – Т. 26, № 3. – С. 441 - 444. 5. Хороших В.М., Аксенов И.И. и др. О структуре плазменных струй, генерируемых стационарной вакуумной дугой // ЖТФ. – 1988. – Т. 58, № 6. – С. 1220 - 1221. 6. Zhongyuan Cheng, Min Wang, Jiyan Zou. Thermal analysis of macroparticles during vacuum arc depo- sition of TiN // Surface & Coating Technology. – Vol. 92. – 1997. – P. 50 - 55. 7. Кудрявцева Е.Е., Осипов В.А., Хороших В.М. Из- мерение скорости капель, генерируемых катод- ным пятном вакуумной дуги // Ионно-плазменные установки для технологических целей. – Харьков: Изд. ХАИ, 1988. – С. 11 - 16. Таким образом, испарение капель не может обеспечить наблюдаемое экспериментально 15 % повышение величины потоков атомарных частиц алюминия, наблюдаемое в области максимумов капельных потоков. Следовательно, небольшой “провал” на графике зависимости интенсивности потоков атомарных частиц алюминия от угловой координаты, наблюдаемый в области малых углов к оси системы, связан с распылением конденсата ионами, максимум содержания которых находится в данной области разряда [4]. Небольшое повышение потока капель в при- осевой области разряда, наблюдаемое для дуги с молибденовым катодом, может быть связано с увлечением части капель малых размеров ионами, имеющими максимальную концентрацию вдоль оси разряда. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, проведенные исследования ука- зывают на то, что содержание и размеры капель в потоках частиц, генерируемых вакуумной ду- гой, резко отличается для легкоплавких и туго- Рис. 5. Относительное изменение объема капель в зависимости от начального радиуса. В.М. ХОРОШИХ, М.Г. ХОЛОМЕЕВ ПРОСТОРОВИЙ РОЗПОДІЛ ПОТОКІВ ЧАСТИНОК У СТАЦІОНАРНОМУ ДУГОВОМУ РОЗРЯДІ НИЗЬКОГО ТИСКУ В.М. Хороших, М.Г. Холомєєв Робота присвячена вивченню потоків частинок, гене- руємих стаціонарними вакуумними дугами, які горять на катодах з алюмінію і молібдену, що різко відрізня- ються за температурами плавлення. Показано, що зміст крапель у потоках частинок, генерируємих вакуумною дугою, істотно відрізняється для тугоплавкого та легко- плавкого металів Так, для алюмінію зміст краплі в зага- льному потоці конденсуємих часттнок досягає 35,6%, у той час як для молібдену частка краплинної фази не перевищує 1%. Помітний вплив на характер кутових розподілів крапля робить їхня взаємодія з іонами плазми. При аналізі кутових розподілів часток варто враховувати їхня взаємодія з поверхнею конденсації. SPATIAL PARTICLES STREAMS DISTRIBUTION IN STATIONARY ARC DISCHARGE OF LOW PRESSURE V.M. Khoroshikh, M.G. Kholomeyev Work sacred to study of particles streams, generated by stationary vacuum arcs, burning on aluminium and molyb- denum cathodes, sharp discrepant on melting tempera- tures. Shown, that maintenance drops in particles streams, generated by vacuum arc, essentiale differs for refractory and fusible metals. So, for aluminium maintenance drops in general stream of condensed particles reaches 35,6%, in then how for molybdenum part of drop phase does not exceed 1%. Noticeable influence on nature of angle dis- tributions drops renders their interaction with plasma ions refractory. Attached to analysis of angle particles dis- tributions follows to take into account their interaction with condensation surface.

Схожі ресурси