Исследование влияния магнитного поля и потенциала смещения на подавление медных макрочастиц вакуумно-дугового испарителя
|
Введение 10
Глава 1 Состояние исследований по подавлению микрокапельной фракции катодов вакуумно-дуговых испарителей 13
1.1 Процессы генерации макрочастиц 13
1.2 Поведение макрочастиц вакуумной дуги в плазме 18
1.3 Снижение генерации макрочастиц 23
1.3.1 Управление катодным пятном 25
1.3.2 Снижение интегральной температуры катода 27
1.3.3 Присутствие газа в разрядном промежутке 27
1.3.4 Снижение плотности тока 28
1.3.5 «Бескапельные» режимы дуги 28
1.3.6 Принцип действия и основные разновидности плазменных фильтров 30
Глава 2 Оборудование и методики исследований 42
2.1 Описание экспериментальной установки 42
2.2 Подготовка экспериментальных образцов 44
2.3 Оборудование для исследования свойств материалов и покрытий 46
Глава 3 Исследование закономерностей подавления микрокапельной фракции на потенциальном электроде 52
3.1 Влияние магнитного поля направленного нормально к поверхности катода 52
3.2 Влияние тангенциального магнитного поля катода на генерацию
макрочастиц 54
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение59
4.1 Предпроектный анализ 60
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 60
4.1.2 SWOT-анализ 61
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 64
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 64
4.2.2 Контрольные события проекта 65
4.2.3 План проекта 66
4.3 Бюджет научно-технического исследования 67
4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 67
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 69
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 70
4.3.4 Дополнительная заработная плата 71
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 72
4.3.6 Накладные расходы 72
4.3.7 Формирование бюджета научно-исследовательского проекта 73
4.4 Организационная структура проекта 74
4.5 Матрица ответственности 74
Глава 5 Социальная ответственность 76
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов при работе в
лаборатории 76
5.2 Организация работ на ПЭВМ и установке 78
5.2.1 Организационные мероприятия 78
5.2.2 Технические мероприятия 78
5.2.3 Условия безопасной работы 80
5.3 Электробезопасность 82
5.4 Пожарная и взрывная безопасность 84
Заключение 87
Список публикаций 88
Список использованных источников 89
Приложение А Вакуумно-дуговой испаритель 94
Приложение Б Macroparticle Generation of Plasma Arcs 95
Глава 1 Состояние исследований по подавлению микрокапельной фракции катодов вакуумно-дуговых испарителей 13
1.1 Процессы генерации макрочастиц 13
1.2 Поведение макрочастиц вакуумной дуги в плазме 18
1.3 Снижение генерации макрочастиц 23
1.3.1 Управление катодным пятном 25
1.3.2 Снижение интегральной температуры катода 27
1.3.3 Присутствие газа в разрядном промежутке 27
1.3.4 Снижение плотности тока 28
1.3.5 «Бескапельные» режимы дуги 28
1.3.6 Принцип действия и основные разновидности плазменных фильтров 30
Глава 2 Оборудование и методики исследований 42
2.1 Описание экспериментальной установки 42
2.2 Подготовка экспериментальных образцов 44
2.3 Оборудование для исследования свойств материалов и покрытий 46
Глава 3 Исследование закономерностей подавления микрокапельной фракции на потенциальном электроде 52
3.1 Влияние магнитного поля направленного нормально к поверхности катода 52
3.2 Влияние тангенциального магнитного поля катода на генерацию
макрочастиц 54
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение59
4.1 Предпроектный анализ 60
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 60
4.1.2 SWOT-анализ 61
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 64
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 64
4.2.2 Контрольные события проекта 65
4.2.3 План проекта 66
4.3 Бюджет научно-технического исследования 67
4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 67
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 69
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 70
4.3.4 Дополнительная заработная плата 71
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 72
4.3.6 Накладные расходы 72
4.3.7 Формирование бюджета научно-исследовательского проекта 73
4.4 Организационная структура проекта 74
4.5 Матрица ответственности 74
Глава 5 Социальная ответственность 76
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов при работе в
лаборатории 76
5.2 Организация работ на ПЭВМ и установке 78
5.2.1 Организационные мероприятия 78
5.2.2 Технические мероприятия 78
5.2.3 Условия безопасной работы 80
5.3 Электробезопасность 82
5.4 Пожарная и взрывная безопасность 84
Заключение 87
Список публикаций 88
Список использованных источников 89
Приложение А Вакуумно-дуговой испаритель 94
Приложение Б Macroparticle Generation of Plasma Arcs 95
Вакуумно-дуговой разряд, генерирующий потоки высокоионизированной плазмы, является эффективным инструментом для осаждения покрытий различного назначения. Поскольку в качестве катодного плазмообразующего материала могут служить практически любые металлы или сплавы, то вакуумно-дуговым методом могут быть получены покрытия разнообразного состава. Высокая степень ионизации, достигающая для некоторых материалов почти 100 %, позволяет с помощью магнитных и электрических полей управлять плазменным потоком, регулировать в широких пределах его энергосодержание, форму и направление движения. Это позволяет активно влиять на структурные характеристики получаемых конденсатов, обеспечивать возможность синтезировать покрытия с заданными физикомеханическими и служебными характеристиками. Широкие технологические возможности вакуумной дуги обусловили тот повышенный интерес к разряду этого типа, который отмечается в последние годы в связи с успехами в области наноструктурных материалов, нанопленочных покрытий.
Однако, известная проблема наличия в потоке вакуумно-дуговой плазмы микрокапельной фракции, существенно ограничивает использование непрерывных вакуумных дуг в высокотехнологичных областях, предъявляющих повышенные требования к качеству поверхностей. Для решения проблемы ухудшения свойств формируемых покрытий предложен целый ряд модификаций плазменных фильтров, однако, не смотря на высокую степень очистки от макрочастиц, эффективность прохождения плазмы через такие системы мала.
В ряде работ теоретически рассмотрена принципиальная возможность уменьшения количества капель в плазменном потоке вакуумной дуги за счет их испарения под действием потоков заряженных частиц в пространстве массопереноса [1]. В работе [2] рассмотрен вариант применения инфракрасных лазеров для прямого разогрева частиц, однако на сегодняшний день, использование подобного метода не представляется экономически целесообразным.
Интересный эффект уменьшения числа капель на поверхности при приложении к мишени отрицательных смещений наблюдалось экспериментально и описано в [3, 4]. Авторы работы наблюдали 3-4 кратное снижение плотности макрочастиц при приложении отрицательного потенциала смещения исм = -1000 В к подложке, погруженной в плазму вакуумной дуги. Изучая результаты, было получено объяснение наблюдаемого эффекта. Авторы высказали предположение, что отражение отрицательно заряженных частиц связано с электростатическим отталкиванием экранирующего электрического поля вблизи потенциальной поверхности.
Можно заметить, что в большинстве работ выполненных к настоящему моменту использовались постоянные потенциалы смещения, однако в [5] показано, что приложение коротко-импульсного высокочастотного потенциала смещения значительно снижает поверхностную плотность макрочастиц на мишени, погруженной в алюминиевую и титановую плазму. В связи с этим, дальнейшее исследование процессов происходящих на поверхности мишени погруженной в плазму вакуумно-дугового разряда при приложении к ней высокочастотных коротко-импульсных потенциалов смещения отрицательной полярности и в слое пространственного разделения заряда представляется актуальным.
Цель работы состояла в исследовании закономерностей формирования потока микрокапельной фракции вакуумно-дугового испарителя и увеличении эффективности подавления макрочастиц при использовании магнитного поля и приложении к потенциальной мишени высокочастотного коротко-импульсного потенциала смещения.
Задачи:
1. Подготовить обзор литературы посвященной процессам формирования потока микрокапельной фракции вакуумно-дугового разряда,способам фильтрации плазмы и снижения числа макрочастиц на поверхности образца.
2. Ознакомиться с оборудованием для ионно-плазменной обработки материалов, исследования поверхности экспериментальных образцов и методами расчета поверхностной плотности макрочастиц.
3. Изучить влияние тангенциального к поверхности катода магнитного поля на формирования потока макрочастиц и плазмы в вакуумнодуговом испарители с перемещающейся магнитной системой.
4. Исследовать влияние высокочастотного коротко-импульсного потенциала смещения отрицательной полярности на накопление макрочастиц на поверхности образца, погруженного в титановую вакуумно-дуговую плазму.
5. Обработать образцы, набрать достаточную для получения достоверных результатов статистику, представить полученные данные.
Однако, известная проблема наличия в потоке вакуумно-дуговой плазмы микрокапельной фракции, существенно ограничивает использование непрерывных вакуумных дуг в высокотехнологичных областях, предъявляющих повышенные требования к качеству поверхностей. Для решения проблемы ухудшения свойств формируемых покрытий предложен целый ряд модификаций плазменных фильтров, однако, не смотря на высокую степень очистки от макрочастиц, эффективность прохождения плазмы через такие системы мала.
В ряде работ теоретически рассмотрена принципиальная возможность уменьшения количества капель в плазменном потоке вакуумной дуги за счет их испарения под действием потоков заряженных частиц в пространстве массопереноса [1]. В работе [2] рассмотрен вариант применения инфракрасных лазеров для прямого разогрева частиц, однако на сегодняшний день, использование подобного метода не представляется экономически целесообразным.
Интересный эффект уменьшения числа капель на поверхности при приложении к мишени отрицательных смещений наблюдалось экспериментально и описано в [3, 4]. Авторы работы наблюдали 3-4 кратное снижение плотности макрочастиц при приложении отрицательного потенциала смещения исм = -1000 В к подложке, погруженной в плазму вакуумной дуги. Изучая результаты, было получено объяснение наблюдаемого эффекта. Авторы высказали предположение, что отражение отрицательно заряженных частиц связано с электростатическим отталкиванием экранирующего электрического поля вблизи потенциальной поверхности.
Можно заметить, что в большинстве работ выполненных к настоящему моменту использовались постоянные потенциалы смещения, однако в [5] показано, что приложение коротко-импульсного высокочастотного потенциала смещения значительно снижает поверхностную плотность макрочастиц на мишени, погруженной в алюминиевую и титановую плазму. В связи с этим, дальнейшее исследование процессов происходящих на поверхности мишени погруженной в плазму вакуумно-дугового разряда при приложении к ней высокочастотных коротко-импульсных потенциалов смещения отрицательной полярности и в слое пространственного разделения заряда представляется актуальным.
Цель работы состояла в исследовании закономерностей формирования потока микрокапельной фракции вакуумно-дугового испарителя и увеличении эффективности подавления макрочастиц при использовании магнитного поля и приложении к потенциальной мишени высокочастотного коротко-импульсного потенциала смещения.
Задачи:
1. Подготовить обзор литературы посвященной процессам формирования потока микрокапельной фракции вакуумно-дугового разряда,способам фильтрации плазмы и снижения числа макрочастиц на поверхности образца.
2. Ознакомиться с оборудованием для ионно-плазменной обработки материалов, исследования поверхности экспериментальных образцов и методами расчета поверхностной плотности макрочастиц.
3. Изучить влияние тангенциального к поверхности катода магнитного поля на формирования потока макрочастиц и плазмы в вакуумнодуговом испарители с перемещающейся магнитной системой.
4. Исследовать влияние высокочастотного коротко-импульсного потенциала смещения отрицательной полярности на накопление макрочастиц на поверхности образца, погруженного в титановую вакуумно-дуговую плазму.
5. Обработать образцы, набрать достаточную для получения достоверных результатов статистику, представить полученные данные.
Совместное применение тангенциального магнитного поля катода и высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения обеспечивает значительное (на несколько порядков) снижение плотности макрочастиц на поверхности образца, погруженного в медную плазму постоянного тока вакуумной дуги. Использование тангенциального магнитного поля уменьшает генерацию макрочастиц в 5 раз. Подавление большого количества капель повышает эффективность снижения количества макрочастиц на поверхности образца с отрицательным короткоимпульсным потенциалом смещения.
В случае нормально к поверхности катода магнитного поля отрицательный потенциал смещения позволяет снизить плотность макрочастиц на подложке в 40 раз по сравнению с традиционным вакуумно-дуговым плазменным осаждением. Применяя тангенциальное поле и отрицательный короткоимпульсный потенциал смещения увеличивается общая эффективность сокращения количества макрочастиц до 400 раз и до 8000 раз мелких макрочастиц, после 6 минут обработки, по сравнению с использованием для плазменного напыления осесимметричного испарителя вакуумной дуги.
Данные результаты показывают, возможность постоянного применения вакуумно-дуговой плазменной ионной имплантации со значительным подавлении макрочастиц на поверхности подложки без снижения плазменных и ионных плотностей тока.
В случае нормально к поверхности катода магнитного поля отрицательный потенциал смещения позволяет снизить плотность макрочастиц на подложке в 40 раз по сравнению с традиционным вакуумно-дуговым плазменным осаждением. Применяя тангенциальное поле и отрицательный короткоимпульсный потенциал смещения увеличивается общая эффективность сокращения количества макрочастиц до 400 раз и до 8000 раз мелких макрочастиц, после 6 минут обработки, по сравнению с использованием для плазменного напыления осесимметричного испарителя вакуумной дуги.
Данные результаты показывают, возможность постоянного применения вакуумно-дуговой плазменной ионной имплантации со значительным подавлении макрочастиц на поверхности подложки без снижения плазменных и ионных плотностей тока.