Помощь студентам в учебе
ПОДАВЛЕНИЕ МАКРОЧАСТИЦ ВАКУУМНОЙ ДУГИ ПРИ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ ПОТЕНЦИАЛЕ СМЕЩЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ
МИКРОКАПЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ 14
1.1. Закономерности формирования потока макрочастиц при вакуумно
дуговом разряде 14
1.2. Управление потоком макрочастиц за счет свойств вакуумно-дугового
разряда 22
1.3. Поведение макрочастиц вакуумной дуги в плазме 24
1.4. Фильтрация макрочастиц в магнитных и электромагнитных системах 32
1.5. Влияние отрицательного потенциала мишени на накопление
макрочастиц 37
Выводы и постановка задачи исследования 40
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1. Экспериментальная установка 43
2.2. Высокочастотные короткоимпульсные генераторы напряжения 46
2.3. Подготовка поверхности образцов и измерение плотности макрочастиц
на поверхности мишени 47
2.4. Измерение температуры мишени 51
2.5. Измерение характеристик ионно-плазменного облучения, толщин осаждаемых покрытий и элементного состава приповерхностных слоев
мишени 52
Выводы 54
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ПОТЕНЦИАЛА СМЕЩЕНИЯ, ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ НА ДИНАМИКУ НАКОПЛЕНИЯ МАКРОЧАСТИЦ НА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ МИШЕНИ, ПОГРУЖЕННОЙ В ПЛАЗМУ ВАКУУМНОЙ ДУГИ 55
3.1. Накопление макрочастиц титана на мишени при осаждении вакуумнодуговой плазмы 55
3.2. Влияние параметров импульсного потенциала смещения на режим
ионно-плазменной обработки поверхности 58
3.3. Исследование влияния параметров потенциала смещения на
закономерности накопления макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в плазму 60
3.3.1. Влияние длительности импульса потенциала смещения на плотность
макрочастиц на поверхности мишени 60
3.3.2. Влияние амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения
на накопление макрочастиц на потенциальной поверхности 65
3.4. Влияние параметров плазмы титана на уменьшение количества
макрочастиц на потенциальной поверхности мишени 67
3.5. Влияние времени ионно-плазменной обработки на уменьшение количества макрочастиц на поверхности мишени, погруженной в
металлическую и газовую плазму 69
Выводы 71
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МАКРОЧАСТИЦ НА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ МИШЕНИ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОТЕНЦИАЛАХ СМЕЩЕНИЯ 73
4.1. Исследование механизмов и закономерностей отражения макрочастиц в слое разделения зарядов и их удаления с поверхности мишени 73
4.1.1. Накопление макрочастиц титана на мишени при наличии сеточного
электрода 73
4.1.2. Исследование влияния электрического поля слоя разделения зарядов
на накопление макрочастиц 75
4.1.3. Исследование влияния ионного распыления на накопление
макрочастиц 78
4.1.4. Исследование влияния поверхности потенциальной мишени на
накопление макрочастиц 82
4.1.5. Влияние температуры мишени на накопление макрочастиц титана . 92
4.2. Исследование закономерностей уменьшения плотности макрочастиц на
потенциальной поверхности в случае применения легкоплавкого материала катода вакуумной дуги 95
4.3. Оценка влияния параметров плазмы и потенциала смещения на
состояние макрочастиц в слое разделения зарядов и на потенциальной поверхности 99
4.4. Исследование возможности высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия в титан с использованием нефильтрованной вакуумно-дуговой плазмы алюминия . 108
Выводы 112
Заключение 115
Список литературы 119
ГЛАВА 1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ
МИКРОКАПЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ 14
1.1. Закономерности формирования потока макрочастиц при вакуумно
дуговом разряде 14
1.2. Управление потоком макрочастиц за счет свойств вакуумно-дугового
разряда 22
1.3. Поведение макрочастиц вакуумной дуги в плазме 24
1.4. Фильтрация макрочастиц в магнитных и электромагнитных системах 32
1.5. Влияние отрицательного потенциала мишени на накопление
макрочастиц 37
Выводы и постановка задачи исследования 40
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1. Экспериментальная установка 43
2.2. Высокочастотные короткоимпульсные генераторы напряжения 46
2.3. Подготовка поверхности образцов и измерение плотности макрочастиц
на поверхности мишени 47
2.4. Измерение температуры мишени 51
2.5. Измерение характеристик ионно-плазменного облучения, толщин осаждаемых покрытий и элементного состава приповерхностных слоев
мишени 52
Выводы 54
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ПОТЕНЦИАЛА СМЕЩЕНИЯ, ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ НА ДИНАМИКУ НАКОПЛЕНИЯ МАКРОЧАСТИЦ НА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ МИШЕНИ, ПОГРУЖЕННОЙ В ПЛАЗМУ ВАКУУМНОЙ ДУГИ 55
3.1. Накопление макрочастиц титана на мишени при осаждении вакуумнодуговой плазмы 55
3.2. Влияние параметров импульсного потенциала смещения на режим
ионно-плазменной обработки поверхности 58
3.3. Исследование влияния параметров потенциала смещения на
закономерности накопления макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в плазму 60
3.3.1. Влияние длительности импульса потенциала смещения на плотность
макрочастиц на поверхности мишени 60
3.3.2. Влияние амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения
на накопление макрочастиц на потенциальной поверхности 65
3.4. Влияние параметров плазмы титана на уменьшение количества
макрочастиц на потенциальной поверхности мишени 67
3.5. Влияние времени ионно-плазменной обработки на уменьшение количества макрочастиц на поверхности мишени, погруженной в
металлическую и газовую плазму 69
Выводы 71
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МАКРОЧАСТИЦ НА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ МИШЕНИ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОТЕНЦИАЛАХ СМЕЩЕНИЯ 73
4.1. Исследование механизмов и закономерностей отражения макрочастиц в слое разделения зарядов и их удаления с поверхности мишени 73
4.1.1. Накопление макрочастиц титана на мишени при наличии сеточного
электрода 73
4.1.2. Исследование влияния электрического поля слоя разделения зарядов
на накопление макрочастиц 75
4.1.3. Исследование влияния ионного распыления на накопление
макрочастиц 78
4.1.4. Исследование влияния поверхности потенциальной мишени на
накопление макрочастиц 82
4.1.5. Влияние температуры мишени на накопление макрочастиц титана . 92
4.2. Исследование закономерностей уменьшения плотности макрочастиц на
потенциальной поверхности в случае применения легкоплавкого материала катода вакуумной дуги 95
4.3. Оценка влияния параметров плазмы и потенциала смещения на
состояние макрочастиц в слое разделения зарядов и на потенциальной поверхности 99
4.4. Исследование возможности высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия в титан с использованием нефильтрованной вакуумно-дуговой плазмы алюминия . 108
Выводы 112
Заключение 115
Список литературы 119
Технологии, связанные с вакуумной дугой, широко востребованы в различных отраслях науки и техники. Наибольший интерес в современном мире представляет применение вакуумной дуги в плазменных технологиях для нанесения тонкопленочных покрытий различного вида и в ионной имплантации с использованием источников ионов металлов и газов [1-10]. Существует множество плазменных методов нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, но ни один из них не является идеальным, у каждого присутствуют свои достоинства и недостатки. Преимущества вакуумной дуги обусловлены высокой степенью ионизации материала катода и высоким зарядовым состоянием ионов в плазме [11, 12]. В тоже время вакуумная дуга имеет существенный недостаток. В результате взрывных процессов микроострий катода в плазме вакуумной дуги появляется значительное количество макрочастиц - капель, твердых осколков, которые снижают характеристики осажденных покрытий. Кроме того, макрочастицы являются причиной появления пористости и шероховатости покрытия [13, 14]. Наличие значительного количества макрочастиц в потоке
вакуумно-дуговой плазмы ограничивает возможность применения непрерывной вакуумной дуги для плазменной-иммерсионной имплантации ионов. Плазменноиммерсионная имплантация ионов как с импульсной, так и непрерывной газоразрядной плазмой хорошо развита в настоящее время и используется в различных технологиях модифицирования поверхностных свойств материалов ионами газов, преимущественно ионами азота [15]. Очистка металлической плазмы от макрочастиц с использованием различных плазменных фильтров [1622] приводит к значительному снижению плотности плазмы, что препятствует возможности реализации 3D технологий плазменно-иммерсионной имплантации ионов металлов, металлов и газов деталей и изделий сложной формы.
Имеется значительный объем научных публикаций, посвященных механизмам формирования макрочастиц при взрыве микроострий катода, обзор которых может быть найден в [1, 23]. Детально исследовано угловое распределение макрочастиц, влияние на их количество параметров импульсного и непрерывного вакуумно-дуговых разрядов, скорости перемещения катодного пятна и др. Ряд исследований был нацелен на подавление макрочастиц вакуумно - дугового разряда в потоке плазмы за счет их испарения [24, 25]. В работах [26-29] исследовалась возможность значительного уменьшения микрокапельной фракции в потоке вакуумно-дуговой плазмы за счет электростатического торможения и отражения в слое разделения зарядов вблизи мишени, погруженной в плазму, при постоянном отрицательном потенциале смещения. Применение постоянного потенциала ограничивало возможность варьирования потенциала смещения из-за возрастания вероятности появления катодных пятен на потенциальной поверхности мишени и возникновения пробоев, соответственно. Применение высокочастотных короткоимпульсных потенциалов открывает возможность управления параметрами импульсов смещения в широком диапазоне.
Совокупность известных экспериментальных исследований демонстрирует возможность уменьшения плотности потока макрочастиц в плазме и плотности макрочастиц на потенциальной поверхности мишени более чем на порядок. Это позволяет улучшить свойства формируемых покрытий при их ионно-плазменном осаждении. Однако это не решает проблему макрочастиц и не обеспечивает возможность реализации перспективного метода плазменно-иммерсионной имплантации ионов с использованием непрерывной плазмы вакуумной дуги. Следует отметить, что проблема подавления макрочастиц имеет фундаментальный характер и в случае применения мощных ионных и электронных пучков для модификации свойств материалов и/или осаждения покрытий [30-35].
Таким образом, экспериментальное исследование механизмов и закономерностей уменьшения плотности макрочастиц непрерывного вакуумнодугового разряда в слое разделения зарядов и на потенциальной поверхности мишени при высокочастотных короткоимпульсных потенциалах смещения, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей влияния параметров высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения, включая длительность импульса и его амплитуду, плотности плазмы, материала катода, времени ионно-плазменной обработки, температуры мишени на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и выявлении различных физических механизмов подавления макрочастиц и изменения их форм на поверхности.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1 Впервые выполнен комплекс экспериментальных исследований влияния параметров отрицательного импульсно-периодического потенциала смещения, плотности и состава вакуумно-дуговой плазмы, характеристик мишени, времени ионно-плазменной обработки на поверхностную плотность осажденных макрочастиц.
2. Определены вклады различных физических механизмов в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц, включая электростатическое торможение и отражение отрицательно заряжаемых в плазме макрочастиц в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени, ионное распыление, при высокочастотных короткоимпульсных потенциалах смещения.
3. Установлено, что предварительный нагрев мишени, нагрев мишени при импульсно-периодическом ионно-плазменном облучении и нагрев макрочастиц ионно-электронным потоком в слое разделения зарядов совместно обеспечивают возможность управления плотностью макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, их формой, скоростью ионного распыления и испарения.
4. Экспериментально показана возможность уменьшения плотности макрочастиц алюминия и титана на поверхности мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, более чем на 3 порядка при использовании высокочастотных короткоимпульсных потенциалов смещения отрицательной полярности.
5. Экспериментально показана возможность реализации метода высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия и титана из нефильтрованной от макрочастиц плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда и формирования ионно-легированных слоев микронных толщин.
Научная и практическая значимость работы:
1. Экспериментально определен вклад физических механизмов в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц, связанных с их торможением и отражением в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и ионным распылением, при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения.
2. Определены закономерности уменьшения плотности макрочастиц титана и алюминия в зависимости от длительности импульса, амплитуды отрицательного потенциала смещения, плотности плазмы и характеристик мишени.
3. Показана возможность реализации плазменно-иммерсионной
имплантации ионов титана и алюминия в различные материалы при высокочастотных короткоимпульсных отрицательных потенциалах смещения на мишени, погруженной в предварительно нефильтрованную от макрочастиц плазму непрерывного вакуумно-дугового разряда.
4. Полученные в работе результаты могут быть использованы в работах по формированию покрытий с улучшенными свойствами за счет уменьшения количества макрочастиц, а также в работах по модификации поверхностных свойств различных материалов плазменно-иммерсионной имплантацией ионов металлов, металлов и газов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Экспериментально установлено, что при частоте следования импульсов отрицательного потенциала смещения 105 имп/с количество макрочастиц на мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, уменьшается с увеличением длительности импульса потенциала смещения от 2 мкс до 8 мкс, амплитуды от 850 В до 3200 В, плотности ионного тока насыщения из плазмы от 20 А/м2 до 200 А/м2 и зависит от материала катода и времени ионно-плазменной обработки. В случае титаново-аргоновой плазмы достигается уменьшение макрочастиц диаметром меньше 1,5 мкм в 1500 раз, макрочастиц диаметром больше 1,5 мкм в 10 раз при общем уменьшении плотности всех макрочастиц в 67 раз. В случае алюминиевой плазмы плотность макрочастиц на поверхности может быть уменьшена более чем в 1000 раз.
2. Применение дополнительного сеточного электрода, установленного вблизи мишени на расстоянии порядка ширины слоя разделения зарядов в плазме, обеспечивает возможность определения вклада различных физических механизмов в подавление макрочастиц.
3. Торможение и отражение отрицательно заряжаемых в титановой плазме макрочастиц в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени (<^см= -2000 В) при плотности ионного тока насыщения 44 А/м2, импульсно-периодическом отрицательном потенциале (f = 105 имп/с) уменьшает количество макрочастиц на мишени не более, чем на 10% и не зависит от времени ионно-плазменной обработки. Ионное распыление макрочастиц не является определяющим процессом в общей динамике изменения количества макрочастиц на мишени и возрастает от 0% до 18% при увеличении времени облучения до двух минут.
4. Применение отрицательного импульсно-периодического потенциала смещения обеспечивает возможность управления агрегатным состоянием макрочастиц вакуумно-дуговой плазмы вблизи потенциальной мишени, что позволяет изменять их форму и площадь контакта с поверхностью.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 132 страницы, работа содержит 71 рисунок. Список цитируемой литературы включает 134 источника.
В первой главе на основе обзора литературных данных представлены закономерности формирования и методы подавления микрокапельной фракции в плазме вакуумной дуги. Описаны особенности формирования макрочастиц вакуумно-дугового разряда. Рассмотрены возможности управления потоком макрочастиц за счет уменьшения температуры катода, увеличения скорости перемещения катодных пятен с помощью тангенциального к поверхности катода магнитного поля, уменьшения тока дуги, применения импульсного варианта вакуумно-дугового разряда и др. На основе опубликованных литературных данных, проанализированы факторы, влияющие на нагрев и испарение макрочастицы, летящей в вакуумно-дуговой плазме. Приведены результаты расчетов возможности нагрева и последующего испарения макрочастиц в плазме вакуумно-дугового разряда за счет введения в систему электронного пучка или использования сильноточного импульсного дугового разряда низкого давления. Кратко описана возможность существенного уменьшения потока макрочастиц в плотной импульсной плазме вакуумной дуги в сильном магнитном поле с дополнительным катодом. Рассмотрено подавление потока макрочастиц за счет использования различных магнитных и электромагнитных фильтрующих систем. Обсуждаются результаты экспериментальных и теоретических исследований уменьшения плотности макрочастиц на поверхности покрытий, полученных при постоянном и импульсно-периодическом отрицательном потенциале смещения на образце, погруженном в плазму вакуумной дуги.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методик исследования. Кратко описан вакуумно-дуговой генератор непрерывного действия с охлаждаемым катодом, являющийся источником плазмы и макрочастиц. Представлены параметры и характерные осциллограммы высокочастотных короткоимпульсных генераторов напряжения. Описана методика подготовки поверхности образцов к ионно-плазменной обработке и измерения плотности макрочастиц на поверхности мишени после осаждения плазмы и/или ионно-плазменной обработки. Также описана методика измерения температуры мишени с помощью пирометра. Приводятся данные измерения характеристик ионно-плазменного облучения, толщины осаждаемых покрытий и элементного состава приповерхностных слоев ионно-легированной мишени.
Глава третья посвящена исследованию влияния параметров импульсного потенциала смещения, плотности плазмы на динамику накопления титановых макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в плазму непрерывной вакуумной дуги. Экспериментально исследована динамика накопления макрочастиц титана на мишени с анодным потенциалом в условиях осаждения вакуумно-дуговой плазмы. Изучено влияние длительности импульса и амплитуды отрицательного потенциала смещения на формирование титанового покрытия. Показано, что при потенциале смещения -2000 В, частоте следования импульсов 105 имп/с покрытие формируется только при длительностях импульсов потенциала смещения, не превышающих 6,5 мкс. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния длительности импульса и амплитуды отрицательного потенциала смещения на закономерности накопления макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в плазму. Установлено, что увеличение амплитуды потенциала смещения, как и увеличение длительности импульса, приводит к уменьшению плотности макрочастиц. Приводятся результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих существенное влияние плотности ионного тока насыщения из титановой плазмы на динамику изменения количества макрочастиц на потенциальной поверхности мишени. Экспериментально установлено, что время ионно-плазменной обработки мишени также существенно влияет на уменьшение количества макрочастиц на её поверхности. Показано, что при малых временах облучения зависимость общей относительной плотности макрочастиц от времени облучения определяется мелкими макрочастицами, а при больших временах облучения (от 6 мин) определяющую роль начинают играть крупные макрочастицы.
Четвертая глава посвящена исследованию физических механизмов изменения плотности макрочастиц на потенциальной мишени при высокочастотных короткоимпульсных отрицательных потенциалах смещения. В основу экспериментальных исследований различных механизмов подавления макрочастиц положена схема с дополнительным сеточным электродом, установленным перед мишенью. Управление потенциалами смещения на сеточном электроде и мишени позволило выделить вклад отдельных механизмов
изменение динамики накопления макрочастиц. Установлено, что
электростатический механизм торможения и отражения отрицательно заряженных в плазме макрочастиц в слое разделения зарядов вблизи потенциальной мишени при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения уменьшает поверхностную плотность макрочастиц только на 10%. Экспериментально показано, что вклад ионного распыления в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц титана возрастает с увеличением времени ионно-плазменной обработки от 15 с до 2 мин, но в конечном итоге не превышает 18%. Установлено, что существенное влияние на уменьшение плотности макрочастиц оказывает непосредственно поверхность мишени. Исследовано влияние предварительного нагрева подложки на уменьшение количественной плотности макрочастиц при различных параметрах импульса потенциала смещения и времени обработки. Представлены результаты экспериментальных исследований уменьшения плотности макрочастиц на потенциальной поверхности в случае применения легкоплавкого материала катода вакуумной дуги - алюминия. Представлены экспериментальные результаты уменьшения плотности макрочастиц алюминия на потенциальной поверхности более чем на 3 порядка при увеличении времени ионно-плазменной обработки мишени до 3 мин. Проведена оценка возможности разогрева и испарения макрочастиц при конкретных параметрах ионно-плазменной обработки поверхности с использованием двухпотоковой ионно-электронной модели облучения макрочастицы. Отмечено, что наиболее значимыми компонентами в энергетическом балансе макрочастиц в слое разделения зарядов вблизи потенциальной мишени являются радиационное излучение макрочастицы, её разогрев ионами и вторичными электронами, ускоряемыми в слое разделения зарядов, и косвенным подогревом частиц за счет радиационного излучения поверхности мишени. Экспериментально показано, что уменьшение плотности титановых и алюминиевых макрочастиц на потенциальной подложке, погруженной в поток непрерывной плазмы вакуумной дуги, обеспечивает возможность реализации низкоэнергетической высокочастотной
короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов металлов.
В заключении кратко приводятся основные результаты работы, обосновывается достоверность полученных результатов исследований, отмечается личный вклад автора и выражается благодарность научному руководителю и сотрудникам лабораторий за помощь в работе.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на 7 Международном форуме по стратегическим технологиям (Томск, 2012); 3 Международной
конференции по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, 2012);10 Международной конференции студентов и молодых ученых: Перспективы развития фундаментальных наук (Томск, 2013);
11 Международной конференции по газоразрядной плазме и её применению (Томск, 2013); 18 Международной конференции по модификации поверхности ионными пучками (Кушадасы, Турция, 2013); Международном конгрессе по энергетическим потокам и радиационным эффектам (Томск, 2014); Международной конференции по инженерии поверхности для исследования и промышленного применения (Новосибирск, 2014), 7 Международной научно-практической конференции
Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине (Томск, 2015).
Материалы диссертационной работы изложены в 19 научных публикациях, докладах и тезисах, опубликованных в отечественной и зарубежной печати.
Результаты работы использовались при выполнении ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.В37.21.1654 от 01.10.2012); госзадания «Разработка научных основ ионной и плазменной модификации материалов, работающих при экстремальных нагрузках» № 1603.
вакуумно-дуговой плазмы ограничивает возможность применения непрерывной вакуумной дуги для плазменной-иммерсионной имплантации ионов. Плазменноиммерсионная имплантация ионов как с импульсной, так и непрерывной газоразрядной плазмой хорошо развита в настоящее время и используется в различных технологиях модифицирования поверхностных свойств материалов ионами газов, преимущественно ионами азота [15]. Очистка металлической плазмы от макрочастиц с использованием различных плазменных фильтров [1622] приводит к значительному снижению плотности плазмы, что препятствует возможности реализации 3D технологий плазменно-иммерсионной имплантации ионов металлов, металлов и газов деталей и изделий сложной формы.
Имеется значительный объем научных публикаций, посвященных механизмам формирования макрочастиц при взрыве микроострий катода, обзор которых может быть найден в [1, 23]. Детально исследовано угловое распределение макрочастиц, влияние на их количество параметров импульсного и непрерывного вакуумно-дуговых разрядов, скорости перемещения катодного пятна и др. Ряд исследований был нацелен на подавление макрочастиц вакуумно - дугового разряда в потоке плазмы за счет их испарения [24, 25]. В работах [26-29] исследовалась возможность значительного уменьшения микрокапельной фракции в потоке вакуумно-дуговой плазмы за счет электростатического торможения и отражения в слое разделения зарядов вблизи мишени, погруженной в плазму, при постоянном отрицательном потенциале смещения. Применение постоянного потенциала ограничивало возможность варьирования потенциала смещения из-за возрастания вероятности появления катодных пятен на потенциальной поверхности мишени и возникновения пробоев, соответственно. Применение высокочастотных короткоимпульсных потенциалов открывает возможность управления параметрами импульсов смещения в широком диапазоне.
Совокупность известных экспериментальных исследований демонстрирует возможность уменьшения плотности потока макрочастиц в плазме и плотности макрочастиц на потенциальной поверхности мишени более чем на порядок. Это позволяет улучшить свойства формируемых покрытий при их ионно-плазменном осаждении. Однако это не решает проблему макрочастиц и не обеспечивает возможность реализации перспективного метода плазменно-иммерсионной имплантации ионов с использованием непрерывной плазмы вакуумной дуги. Следует отметить, что проблема подавления макрочастиц имеет фундаментальный характер и в случае применения мощных ионных и электронных пучков для модификации свойств материалов и/или осаждения покрытий [30-35].
Таким образом, экспериментальное исследование механизмов и закономерностей уменьшения плотности макрочастиц непрерывного вакуумнодугового разряда в слое разделения зарядов и на потенциальной поверхности мишени при высокочастотных короткоимпульсных потенциалах смещения, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей влияния параметров высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения, включая длительность импульса и его амплитуду, плотности плазмы, материала катода, времени ионно-плазменной обработки, температуры мишени на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и выявлении различных физических механизмов подавления макрочастиц и изменения их форм на поверхности.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1 Впервые выполнен комплекс экспериментальных исследований влияния параметров отрицательного импульсно-периодического потенциала смещения, плотности и состава вакуумно-дуговой плазмы, характеристик мишени, времени ионно-плазменной обработки на поверхностную плотность осажденных макрочастиц.
2. Определены вклады различных физических механизмов в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц, включая электростатическое торможение и отражение отрицательно заряжаемых в плазме макрочастиц в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени, ионное распыление, при высокочастотных короткоимпульсных потенциалах смещения.
3. Установлено, что предварительный нагрев мишени, нагрев мишени при импульсно-периодическом ионно-плазменном облучении и нагрев макрочастиц ионно-электронным потоком в слое разделения зарядов совместно обеспечивают возможность управления плотностью макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, их формой, скоростью ионного распыления и испарения.
4. Экспериментально показана возможность уменьшения плотности макрочастиц алюминия и титана на поверхности мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, более чем на 3 порядка при использовании высокочастотных короткоимпульсных потенциалов смещения отрицательной полярности.
5. Экспериментально показана возможность реализации метода высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия и титана из нефильтрованной от макрочастиц плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда и формирования ионно-легированных слоев микронных толщин.
Научная и практическая значимость работы:
1. Экспериментально определен вклад физических механизмов в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц, связанных с их торможением и отражением в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и ионным распылением, при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения.
2. Определены закономерности уменьшения плотности макрочастиц титана и алюминия в зависимости от длительности импульса, амплитуды отрицательного потенциала смещения, плотности плазмы и характеристик мишени.
3. Показана возможность реализации плазменно-иммерсионной
имплантации ионов титана и алюминия в различные материалы при высокочастотных короткоимпульсных отрицательных потенциалах смещения на мишени, погруженной в предварительно нефильтрованную от макрочастиц плазму непрерывного вакуумно-дугового разряда.
4. Полученные в работе результаты могут быть использованы в работах по формированию покрытий с улучшенными свойствами за счет уменьшения количества макрочастиц, а также в работах по модификации поверхностных свойств различных материалов плазменно-иммерсионной имплантацией ионов металлов, металлов и газов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Экспериментально установлено, что при частоте следования импульсов отрицательного потенциала смещения 105 имп/с количество макрочастиц на мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, уменьшается с увеличением длительности импульса потенциала смещения от 2 мкс до 8 мкс, амплитуды от 850 В до 3200 В, плотности ионного тока насыщения из плазмы от 20 А/м2 до 200 А/м2 и зависит от материала катода и времени ионно-плазменной обработки. В случае титаново-аргоновой плазмы достигается уменьшение макрочастиц диаметром меньше 1,5 мкм в 1500 раз, макрочастиц диаметром больше 1,5 мкм в 10 раз при общем уменьшении плотности всех макрочастиц в 67 раз. В случае алюминиевой плазмы плотность макрочастиц на поверхности может быть уменьшена более чем в 1000 раз.
2. Применение дополнительного сеточного электрода, установленного вблизи мишени на расстоянии порядка ширины слоя разделения зарядов в плазме, обеспечивает возможность определения вклада различных физических механизмов в подавление макрочастиц.
3. Торможение и отражение отрицательно заряжаемых в титановой плазме макрочастиц в электрическом поле слоя разделения зарядов вблизи потенциальной мишени (<^см= -2000 В) при плотности ионного тока насыщения 44 А/м2, импульсно-периодическом отрицательном потенциале (f = 105 имп/с) уменьшает количество макрочастиц на мишени не более, чем на 10% и не зависит от времени ионно-плазменной обработки. Ионное распыление макрочастиц не является определяющим процессом в общей динамике изменения количества макрочастиц на мишени и возрастает от 0% до 18% при увеличении времени облучения до двух минут.
4. Применение отрицательного импульсно-периодического потенциала смещения обеспечивает возможность управления агрегатным состоянием макрочастиц вакуумно-дуговой плазмы вблизи потенциальной мишени, что позволяет изменять их форму и площадь контакта с поверхностью.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 132 страницы, работа содержит 71 рисунок. Список цитируемой литературы включает 134 источника.
В первой главе на основе обзора литературных данных представлены закономерности формирования и методы подавления микрокапельной фракции в плазме вакуумной дуги. Описаны особенности формирования макрочастиц вакуумно-дугового разряда. Рассмотрены возможности управления потоком макрочастиц за счет уменьшения температуры катода, увеличения скорости перемещения катодных пятен с помощью тангенциального к поверхности катода магнитного поля, уменьшения тока дуги, применения импульсного варианта вакуумно-дугового разряда и др. На основе опубликованных литературных данных, проанализированы факторы, влияющие на нагрев и испарение макрочастицы, летящей в вакуумно-дуговой плазме. Приведены результаты расчетов возможности нагрева и последующего испарения макрочастиц в плазме вакуумно-дугового разряда за счет введения в систему электронного пучка или использования сильноточного импульсного дугового разряда низкого давления. Кратко описана возможность существенного уменьшения потока макрочастиц в плотной импульсной плазме вакуумной дуги в сильном магнитном поле с дополнительным катодом. Рассмотрено подавление потока макрочастиц за счет использования различных магнитных и электромагнитных фильтрующих систем. Обсуждаются результаты экспериментальных и теоретических исследований уменьшения плотности макрочастиц на поверхности покрытий, полученных при постоянном и импульсно-периодическом отрицательном потенциале смещения на образце, погруженном в плазму вакуумной дуги.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методик исследования. Кратко описан вакуумно-дуговой генератор непрерывного действия с охлаждаемым катодом, являющийся источником плазмы и макрочастиц. Представлены параметры и характерные осциллограммы высокочастотных короткоимпульсных генераторов напряжения. Описана методика подготовки поверхности образцов к ионно-плазменной обработке и измерения плотности макрочастиц на поверхности мишени после осаждения плазмы и/или ионно-плазменной обработки. Также описана методика измерения температуры мишени с помощью пирометра. Приводятся данные измерения характеристик ионно-плазменного облучения, толщины осаждаемых покрытий и элементного состава приповерхностных слоев ионно-легированной мишени.
Глава третья посвящена исследованию влияния параметров импульсного потенциала смещения, плотности плазмы на динамику накопления титановых макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в плазму непрерывной вакуумной дуги. Экспериментально исследована динамика накопления макрочастиц титана на мишени с анодным потенциалом в условиях осаждения вакуумно-дуговой плазмы. Изучено влияние длительности импульса и амплитуды отрицательного потенциала смещения на формирование титанового покрытия. Показано, что при потенциале смещения -2000 В, частоте следования импульсов 105 имп/с покрытие формируется только при длительностях импульсов потенциала смещения, не превышающих 6,5 мкс. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния длительности импульса и амплитуды отрицательного потенциала смещения на закономерности накопления макрочастиц на потенциальной поверхности мишени, погруженной в плазму. Установлено, что увеличение амплитуды потенциала смещения, как и увеличение длительности импульса, приводит к уменьшению плотности макрочастиц. Приводятся результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих существенное влияние плотности ионного тока насыщения из титановой плазмы на динамику изменения количества макрочастиц на потенциальной поверхности мишени. Экспериментально установлено, что время ионно-плазменной обработки мишени также существенно влияет на уменьшение количества макрочастиц на её поверхности. Показано, что при малых временах облучения зависимость общей относительной плотности макрочастиц от времени облучения определяется мелкими макрочастицами, а при больших временах облучения (от 6 мин) определяющую роль начинают играть крупные макрочастицы.
Четвертая глава посвящена исследованию физических механизмов изменения плотности макрочастиц на потенциальной мишени при высокочастотных короткоимпульсных отрицательных потенциалах смещения. В основу экспериментальных исследований различных механизмов подавления макрочастиц положена схема с дополнительным сеточным электродом, установленным перед мишенью. Управление потенциалами смещения на сеточном электроде и мишени позволило выделить вклад отдельных механизмов
изменение динамики накопления макрочастиц. Установлено, что
электростатический механизм торможения и отражения отрицательно заряженных в плазме макрочастиц в слое разделения зарядов вблизи потенциальной мишени при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения уменьшает поверхностную плотность макрочастиц только на 10%. Экспериментально показано, что вклад ионного распыления в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц титана возрастает с увеличением времени ионно-плазменной обработки от 15 с до 2 мин, но в конечном итоге не превышает 18%. Установлено, что существенное влияние на уменьшение плотности макрочастиц оказывает непосредственно поверхность мишени. Исследовано влияние предварительного нагрева подложки на уменьшение количественной плотности макрочастиц при различных параметрах импульса потенциала смещения и времени обработки. Представлены результаты экспериментальных исследований уменьшения плотности макрочастиц на потенциальной поверхности в случае применения легкоплавкого материала катода вакуумной дуги - алюминия. Представлены экспериментальные результаты уменьшения плотности макрочастиц алюминия на потенциальной поверхности более чем на 3 порядка при увеличении времени ионно-плазменной обработки мишени до 3 мин. Проведена оценка возможности разогрева и испарения макрочастиц при конкретных параметрах ионно-плазменной обработки поверхности с использованием двухпотоковой ионно-электронной модели облучения макрочастицы. Отмечено, что наиболее значимыми компонентами в энергетическом балансе макрочастиц в слое разделения зарядов вблизи потенциальной мишени являются радиационное излучение макрочастицы, её разогрев ионами и вторичными электронами, ускоряемыми в слое разделения зарядов, и косвенным подогревом частиц за счет радиационного излучения поверхности мишени. Экспериментально показано, что уменьшение плотности титановых и алюминиевых макрочастиц на потенциальной подложке, погруженной в поток непрерывной плазмы вакуумной дуги, обеспечивает возможность реализации низкоэнергетической высокочастотной
короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов металлов.
В заключении кратко приводятся основные результаты работы, обосновывается достоверность полученных результатов исследований, отмечается личный вклад автора и выражается благодарность научному руководителю и сотрудникам лабораторий за помощь в работе.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на 7 Международном форуме по стратегическим технологиям (Томск, 2012); 3 Международной
конференции по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, 2012);10 Международной конференции студентов и молодых ученых: Перспективы развития фундаментальных наук (Томск, 2013);
11 Международной конференции по газоразрядной плазме и её применению (Томск, 2013); 18 Международной конференции по модификации поверхности ионными пучками (Кушадасы, Турция, 2013); Международном конгрессе по энергетическим потокам и радиационным эффектам (Томск, 2014); Международной конференции по инженерии поверхности для исследования и промышленного применения (Новосибирск, 2014), 7 Международной научно-практической конференции
Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине (Томск, 2015).
Материалы диссертационной работы изложены в 19 научных публикациях, докладах и тезисах, опубликованных в отечественной и зарубежной печати.
Результаты работы использовались при выполнении ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.В37.21.1654 от 01.10.2012); госзадания «Разработка научных основ ионной и плазменной модификации материалов, работающих при экстремальных нагрузках» № 1603.
Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей влияния параметров высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения, включая длительность импульса и его амплитуду, плотности плазмы, материала катода, времени ионно-плазменной обработки, температуры мишени на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и выявление различных физических механизмов подавления макрочастиц и изменения их форм на поверхности.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Показано, что зависимость поверхностной плотности макрочастиц при обычном осаждении вакуумно-дуговой плазмы носит динамический характер с эффектом насыщения по максимальной плотности при толщинах покрытий, сравнимых с максимальным размером макрочастиц.
2. Экспериментально показано, что при частоте следования импульсов потенциала смещения 105 имп/с, амплитуде отрицательного потенциала смещения 2000 В и длительности импульса более 6,5 мкс ионно-плазменная обработка поверхности образца, погруженного в титановую вакуумно-дуговую плазму, не сопровождается формированием покрытия из-за превалирования ионного распыления над плазменным осаждением покрытия.
3. Экспериментально установлено, что применение высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения обеспечивает возможность многократного уменьшения поверхностной плотности макрочастиц на мишени, погруженной в плазму:
- увеличение амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения от 0 В до 3200 В приводит к снижению поверхностной плотности макрочастиц на мишени, погруженной в плазму с плотностью ионного тока насыщения 44 А/м2 почти в 7,7 раза (f = 105 имп/с, т = 3 мкс) после трехминутного ионноплазменного облучения;
- увеличение длительности импульса потенциала смещения от 2 мкс до 8 мкс приводит к уменьшению относительной плотности макрочастиц: при -850 В от 0,62 до 0,43; при -2000 В от 0,36 до 0,26 при общей плотности ионного тока вблизи поверхности мишени 58 А/м2.
4. Показано, что наибольший вклад в уменьшение плотности макрочастиц на потенциальном электроде, погруженном в плазму, вносят макрочастицы с диаметром меньше 0,65 мкм. Количество макрочастиц титана диаметром менее 1,5 мкм уменьшается в 4 раза при ионно-плазменной обработке мишени в течение 1 мин, тогда как количество крупных макрочастиц с диаметром больше 1,5 мкм при том же времени облучения практически не изменяется.
5. Установлено, что увеличение плотности ионного тока насыщения из плазмы от 20 A/м2 до 200 A/м2 у поверхности образца существенно изменяет плотность макрочастиц титана (в 6 раз) даже при малом времени ионно- плазменной обработки поверхности мишени (0,5 мин).
6. Время ионно-плазменной обработки существенно влияет на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения. Увеличение времени ионно-плазменной обработки мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму титана, до 18 мин обеспечило уменьшение поверхностной плотности мелких макрочастиц с диаметром меньше 1,5 мкм в 1500 раз, крупных макрочастиц с диаметром больше 1,5 мкм в 10 раз при общем уменьшении плотности всех макрочастиц в 67 раз.
7. В экспериментах с дополнительным сеточным вольфрамовым электродом при плотности ионного тока насыщения из титановой плазмы 44 А/м2, прозрачности сетки 0,56, частоте следования импульсов потенциала смещения 105 имп/с, длительности импульсов 7 мкс, амплитуде отрицательного потенциала смещения 2000 В установлено, что уменьшение количества макрочастиц плазмы вакуумной дуги на потенциальной поверхности мишени определяется комплексом различных механизмов, включая:
- электростатический механизм торможения и отражения макрочастиц в слое разделения зарядов, который уменьшает поверхностную плотность макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в титановую плазму вакуумной дуги, на ~10%;
- ионное распыление, вклад которого в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц зависит от времени ионно-плазменной обработки мишени. Относительная плотность макрочастиц уменьшается от 0,98 до 0,83 при изменении времени ионно-плазменной обработки от 0,25 мин до 2 мин;
- непосредственное взаимодействие макрочастиц с потенциальным образцом в условиях высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения, приводящее к значительному уменьшению плотности макрочастиц (в 5 раз) при двухминутной ионно-плазменной обработке. Эффект многократного подавления макрочастиц нивелируется в случае диэлектрической мишени.
8. Эффективность подавления макрочастиц и их форма на потенциальной поверхности определяется параметрами плазмы, потенциала смещения, временем ионно-плазменной обработки мишени и её предварительным нагревом. Применение высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения обеспечивает возможность изменять агрегатное состояние титановых макрочастиц в слое разделения зарядов и управлять их формой на потенциальной поверхности. Предварительный нагрев мишени, погруженной в титановую вакуумно-дуговую плазму, до 900 оС не влияет на динамику накопления и форму макрочастиц при осаждении плазмы на мишень с анодным потенциалом.
9. Применение высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения в случае легкоплавкого материала катода (алюминиевый катод) обеспечивает уменьшение поверхностной плотности макрочастиц более чем в 1000 раз после трехминутной ионно-плазменной обработки поверхности мишени. Разогрев потенциальной мишени и макрочастиц до температуры, превышающей температуру плавления материала катода, в слое разделения зарядов приводит к усилению раскатывания макрочастиц на мишени в тонкую пленку, и, как следствие, к увеличению эффективности удаления макрочастиц за счет ионного распыления. Удалению крупных макрочастиц из легкоплавкого материала способствует их испарение с поверхности, разогретой до температуры, превышающей температуру плавления материала катода.
10. Экспериментально показана возможность реализации метода высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия и титана из нефильтрованной от макрочастиц плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, сопоставлением результатов экспериментов с проведенными оценками, а также сравнением полученных экспериментальных данных с результатами других исследователей как в России, так и за рубежом.
Личный вклад автора состоит в разработке методик количественного анализа изменения поверхностной плотности макрочастиц, методик проведения исследований, участие в экспериментальных исследованиях, в обработке и анализе экспериментальных данных.
Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по результатам исследования. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов осуществлялось совместно с научным руководителем и соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору А.И. Рябчикову за постановку задач исследования, многочисленные полезные обсуждения.
Автор благодарит кандидата технических наук Д.О. Сивина, кандидата физико-математических наук И.А. Шулепова, кандидата физико-математических наук П.С. Ананьина за полезные обсуждения и помощь в проведении экспериментов.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Показано, что зависимость поверхностной плотности макрочастиц при обычном осаждении вакуумно-дуговой плазмы носит динамический характер с эффектом насыщения по максимальной плотности при толщинах покрытий, сравнимых с максимальным размером макрочастиц.
2. Экспериментально показано, что при частоте следования импульсов потенциала смещения 105 имп/с, амплитуде отрицательного потенциала смещения 2000 В и длительности импульса более 6,5 мкс ионно-плазменная обработка поверхности образца, погруженного в титановую вакуумно-дуговую плазму, не сопровождается формированием покрытия из-за превалирования ионного распыления над плазменным осаждением покрытия.
3. Экспериментально установлено, что применение высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения обеспечивает возможность многократного уменьшения поверхностной плотности макрочастиц на мишени, погруженной в плазму:
- увеличение амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения от 0 В до 3200 В приводит к снижению поверхностной плотности макрочастиц на мишени, погруженной в плазму с плотностью ионного тока насыщения 44 А/м2 почти в 7,7 раза (f = 105 имп/с, т = 3 мкс) после трехминутного ионноплазменного облучения;
- увеличение длительности импульса потенциала смещения от 2 мкс до 8 мкс приводит к уменьшению относительной плотности макрочастиц: при -850 В от 0,62 до 0,43; при -2000 В от 0,36 до 0,26 при общей плотности ионного тока вблизи поверхности мишени 58 А/м2.
4. Показано, что наибольший вклад в уменьшение плотности макрочастиц на потенциальном электроде, погруженном в плазму, вносят макрочастицы с диаметром меньше 0,65 мкм. Количество макрочастиц титана диаметром менее 1,5 мкм уменьшается в 4 раза при ионно-плазменной обработке мишени в течение 1 мин, тогда как количество крупных макрочастиц с диаметром больше 1,5 мкм при том же времени облучения практически не изменяется.
5. Установлено, что увеличение плотности ионного тока насыщения из плазмы от 20 A/м2 до 200 A/м2 у поверхности образца существенно изменяет плотность макрочастиц титана (в 6 раз) даже при малом времени ионно- плазменной обработки поверхности мишени (0,5 мин).
6. Время ионно-плазменной обработки существенно влияет на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени при высокочастотном короткоимпульсном потенциале смещения. Увеличение времени ионно-плазменной обработки мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму титана, до 18 мин обеспечило уменьшение поверхностной плотности мелких макрочастиц с диаметром меньше 1,5 мкм в 1500 раз, крупных макрочастиц с диаметром больше 1,5 мкм в 10 раз при общем уменьшении плотности всех макрочастиц в 67 раз.
7. В экспериментах с дополнительным сеточным вольфрамовым электродом при плотности ионного тока насыщения из титановой плазмы 44 А/м2, прозрачности сетки 0,56, частоте следования импульсов потенциала смещения 105 имп/с, длительности импульсов 7 мкс, амплитуде отрицательного потенциала смещения 2000 В установлено, что уменьшение количества макрочастиц плазмы вакуумной дуги на потенциальной поверхности мишени определяется комплексом различных механизмов, включая:
- электростатический механизм торможения и отражения макрочастиц в слое разделения зарядов, который уменьшает поверхностную плотность макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в титановую плазму вакуумной дуги, на ~10%;
- ионное распыление, вклад которого в уменьшение поверхностной плотности макрочастиц зависит от времени ионно-плазменной обработки мишени. Относительная плотность макрочастиц уменьшается от 0,98 до 0,83 при изменении времени ионно-плазменной обработки от 0,25 мин до 2 мин;
- непосредственное взаимодействие макрочастиц с потенциальным образцом в условиях высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения, приводящее к значительному уменьшению плотности макрочастиц (в 5 раз) при двухминутной ионно-плазменной обработке. Эффект многократного подавления макрочастиц нивелируется в случае диэлектрической мишени.
8. Эффективность подавления макрочастиц и их форма на потенциальной поверхности определяется параметрами плазмы, потенциала смещения, временем ионно-плазменной обработки мишени и её предварительным нагревом. Применение высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения обеспечивает возможность изменять агрегатное состояние титановых макрочастиц в слое разделения зарядов и управлять их формой на потенциальной поверхности. Предварительный нагрев мишени, погруженной в титановую вакуумно-дуговую плазму, до 900 оС не влияет на динамику накопления и форму макрочастиц при осаждении плазмы на мишень с анодным потенциалом.
9. Применение высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения в случае легкоплавкого материала катода (алюминиевый катод) обеспечивает уменьшение поверхностной плотности макрочастиц более чем в 1000 раз после трехминутной ионно-плазменной обработки поверхности мишени. Разогрев потенциальной мишени и макрочастиц до температуры, превышающей температуру плавления материала катода, в слое разделения зарядов приводит к усилению раскатывания макрочастиц на мишени в тонкую пленку, и, как следствие, к увеличению эффективности удаления макрочастиц за счет ионного распыления. Удалению крупных макрочастиц из легкоплавкого материала способствует их испарение с поверхности, разогретой до температуры, превышающей температуру плавления материала катода.
10. Экспериментально показана возможность реализации метода высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия и титана из нефильтрованной от макрочастиц плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, сопоставлением результатов экспериментов с проведенными оценками, а также сравнением полученных экспериментальных данных с результатами других исследователей как в России, так и за рубежом.
Личный вклад автора состоит в разработке методик количественного анализа изменения поверхностной плотности макрочастиц, методик проведения исследований, участие в экспериментальных исследованиях, в обработке и анализе экспериментальных данных.
Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по результатам исследования. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов осуществлялось совместно с научным руководителем и соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору А.И. Рябчикову за постановку задач исследования, многочисленные полезные обсуждения.
Автор благодарит кандидата технических наук Д.О. Сивина, кандидата физико-математических наук И.А. Шулепова, кандидата физико-математических наук П.С. Ананьина за полезные обсуждения и помощь в проведении экспериментов.