Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий

Рассмотрен вопрос создания многокомпонентных газовых смесей (ГС), предназначенных для получения покрытий сложного состава в ионно-плазменных установках. Разработаны методы получения смесей газов, основанные на последовательной подаче порций газовых компонентов в смесительную камеру и обеспечивающие...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
1. Verfasser:	Сысоев, Ю.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2014
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79946
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 2. — С. 137-142. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-79946
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-799462015-04-10T03:02:05Z Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий Сысоев, Ю.А. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Рассмотрен вопрос создания многокомпонентных газовых смесей (ГС), предназначенных для получения покрытий сложного состава в ионно-плазменных установках. Разработаны методы получения смесей газов, основанные на последовательной подаче порций газовых компонентов в смесительную камеру и обеспечивающие заданный состав смеси с высокой точностью. Для реализации методов разработаны алгоритмы и на их основе микропроцессорная система управления созданного генератора газовых смесей. Разработанный генератор обеспечивает подготовку смесей из трех газов с возможностью изменения процентного содержания каждого газа в диапазоне 0…100% с шагом задания содержания компонента 1% и погрешностью не более 0,1% по каждому газу. Розглянуто питання створення багатокомпонентних газових сумішей (ГС), призначених для отримання покриттів в іонно-плазмових установках. Розроблені методи отримання ГС, засновані на послідовній подачі порцій газових компонентів у змішувальну камеру, що забезпечують заданий склад суміші з високою точністю. Для реалізації методів розроблені алгоритми і на їх основі створено мікропроцесорну систему керування створеного генератора сумішей газів. Розроблений генератор забезпечує підготовку сумішей з трьох газів з можливістю зміни процентного вмісту кожного газу в діапазоні 0…100% з кроком завдання змісту компонента 1% і похибкою не більше 0,1% з кожного газу. А considered question is multicomponent gas mixtures creation for production of complex composition coatings in ion-plasma technologies. The developed methods for producing gas mixtures are based on a serial supply of gas component portions into the mixing chamber which providing a predetermined mixture composition with high accuracy. For methods implementation has been developed algorithms and software for microprocessor control system of created gas mixtures generator. This generator provides training three gases mixture with changeability of each gas percentage in range from 0 to 100%, with working step of 1% component content and error isn't more 0.1% for each gas. 2014 Article Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 2. — С. 137-142. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79946 537.311.33 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. Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий Вопросы атомной науки и техники
description	Рассмотрен вопрос создания многокомпонентных газовых смесей (ГС), предназначенных для получения покрытий сложного состава в ионно-плазменных установках. Разработаны методы получения смесей газов, основанные на последовательной подаче порций газовых компонентов в смесительную камеру и обеспечивающие заданный состав смеси с высокой точностью. Для реализации методов разработаны алгоритмы и на их основе микропроцессорная система управления созданного генератора газовых смесей. Разработанный генератор обеспечивает подготовку смесей из трех газов с возможностью изменения процентного содержания каждого газа в диапазоне 0…100% с шагом задания содержания компонента 1% и погрешностью не более 0,1% по каждому газу.
format	Article
author	Сысоев, Ю.А.
author_facet	Сысоев, Ю.А.
author_sort	Сысоев, Ю.А.
title	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
title_short	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
title_full	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
title_fullStr	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
title_full_unstemmed	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
title_sort	создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79946
citation_txt	Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий / Ю.А. Сысоев // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 2. — С. 137-142. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT sysoevûa sozdaniemnogokomponentnyhgazovyhsmesejdlâionnoplazmennyhtehnologij
first_indexed	2025-07-06T03:52:11Z
last_indexed	2025-07-06T03:52:11Z
_version_	1836868102750470144
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) 137 УДК 537.311.33 СОЗДАНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Ю.А. Сысоев Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, Украина Рассмотрен вопрос создания многокомпонентных газовых смесей (ГС), предназначенных для получения покрытий сложного состава в ионно-плазменных установках. Разработаны методы получения смесей газов, основанные на последовательной подаче порций газовых компонентов в смесительную камеру и обеспечи- вающие заданный состав смеси с высокой точностью. Для реализации методов разработаны алгоритмы и на их основе микропроцессорная система управления созданного генератора газовых смесей. Разработанный генератор обеспечивает подготовку смесей из трех газов с возможностью изменения процентного содержа- ния каждого газа в диапазоне 0…100% с шагом задания содержания компонента 1% и погрешностью не более 0,1% по каждому газу. ВВЕДЕНИЕ Среди первых покрытий, синтезированных мето- дом конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ), были простые соединения на основе нитридов мо- либдена и титана, получившие практическое приме- нение для повышения стойкости режущего инстру- мента [1]. Их формирование происходило при опре- деленном давлении подаваемого в вакуумную каме- ру реакционного газа – азота. В дальнейшем, по ме- ре расширения круга задач, решаемых методами ионно-плазменных технологий, для создания по- крытий сложного состава начинают использовать газовые смеси (ГС): N2 + CH4 – для осаждения опти- ческих а-С:(Н,N)-покрытий [1]; N2 + C2H2 – для по- лучения карбонитридов титана [2]; H2S + N2 – для получения покрытий со смазкой Mo(S,N) [3]; N2 + Ar – для повышения микротвердости конденсатов системы Ti-Si-N [4]. При осаждении покрытий в работах [1-4] ис- пользовались бинарные смеси газов, полученные, как правило, путем последовательного напуска в рабочий баллон газов из отдельных баллонов с вы- соким давлением. Такой метод создания ГС харак- теризуется невысокой воспроизводимостью соот- ношения компонентов в смеси. Широкое применение ГС для получения покры- тий сложного состава в ионно-плазменных установ- ках предполагает наличие устройств – генераторов газовых смесей (ГГС), работающих в составе уста- новок и обеспечивающих создание многокомпо- нентных смесей газов с заданным соотношением компонентов в необходимом объеме и с возможно- стью достаточно оперативно менять состав смеси. В настоящий момент такие газосмешивающие систе- мы отсутствуют. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА К НАСТОЯЩЕМУ МОМЕНТУ Выпускаемые ГГС по точности соотношения компонентов в смеси можно разделить на прецизи- онные ГГС и промышленные газосмесители. Пер- вые служат для создания в сравнительно небольших объемах поверочных ГС, применяемых при метро- логическом обеспечении различных производств, и малопригодны для применения в процессах осажде- ния покрытий. Вторые, имея меньшую точность смешивания, характеризуются более высокой про- изводительностью и используются для получения ГС, применяемых в сварочном производстве, лазер- ной технике, медицине, при упаковке и хранении продуктов питания и т. п. Основной принцип, положенный в основу рабо- ты большинства промышленных ГГС, заключается в подмешивании одного газа к другому при условии выравнивания их давлений. При этом поступление компонентов смеси в блок смешивания осуществля- ется через калиброванные отверстия, размер кото- рых должен точно соответствовать типу компонента (газа) [5]. Такой способ позволяет достаточно точно дозировать пропорции компонентов смеси, однако ведет к значительному усложнению конструкции ГГС при широком спектре используемых газов и создании ГС из трех и более компонентов. Типичными представителями промышленных га- зосмесителей, работающих на принципе смешива- ния потоков газов, являются приборы фирмы WITT- GASETECHNIK (Германия) [6]. Данные устройства смешивают все технические газы, кроме токсичных или агрессивных. Диапазон смешивания газов опре- деляется типом прибора и, как правило, содержит две шкалы: 0…25 и 0…100%. Точность настройки процентного соотношения имеет значение ±1% для первой шкалы и ±2 % для второй при точности смешивания в обоих диапазонах не хуже ±1%. Та- ким образом, общая суммарная погрешность про- центного содержания отдельного газа в смеси в рас- сматриваемом классе устройств может достигать значений порядка ±(2…3)%. Такая точность газо- смешения во многих случаях недостаточна для при- менения в ионно-плазменных технологиях. Более высокая точность соотношения компонен- тов в смеси при количестве газов более трех дости- гается в устройстве, применяемом для эпитаксиаль- ного роста пленок с использованием металлоорга- нических соединений [7]. В основу работы этого устройства положены: метод, заключающийся в по- следовательной подаче ij дискретных порций j-го газа в предварительно откачанную смесительную камеру, и задание процентного содержания газа в 138 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) смеси с числом ij. Данным устройством создается требуемый технологией состав смеси из различных газов, в том числе и газообразных металлоорганиче- ских соединений, которая в дальнейшем подается в импульсный реактор, где и происходит рост пленок. Метод создания смеси газов путем подачи от- дельных порций газов в смесительную камеру пред- ставляется достаточно перспективным для примене- ния в процессах синтеза покрытий в ионно-плаз- менных установках. Вместе с тем, в том виде, в ко- тором он реализован в работе [7], его использова- нию применительно к получению покрытий слож- ного состава ионно-плазменными методами препят- ствуют: – недостаточно высокая точность соотношения газовых компонентов в создаваемой смеси по при- чине использования для смешивания порций газов, имеющих различные объемы и давления; – высокая сложность устройства из-за примене- ния дозаторов переменного объема, изготовление которых является достаточно сложной технической задачей; – недостаточная оперативность изменения соста- ва ГС в широком диапазоне ее вариации. Целью настоящей работы являеются разработка методов, обеспечивающих получение многокомпо- нентных ГС с высокой точностью соотношения ком- понентов, и создание на их основе ГГС для исполь- зования его в составе ионно-плазменных установок для синтеза покрытий сложного состава. 2. ПОДГОТОВКА СМЕСЕЙ ГАЗОВ С ЗАДАННЫМ СООТНОШЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ 2.1. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ ПОРЦИЙ ГАЗОВ В основу работы ГГС для процессов нанесения покрытий был положен метод создания ГС путем последовательной подачи порций газов в предвари- тельно откачанную смесительную камеру. При та- кой подаче газа изменение давления в смесительной камере происходит по закону: )VV/(V)pp(pp смгг1i.смг1i.cмi.см +−+= −− , (1) где pсм.i – давление в смесительной камере после подачи в нее i-й порции газа; pсм.i-1 – давление в смесительной камере после подачи в нее (i–1)-й порции газа; pг – начальное давление в дозирующей емкости; Vг – объем дозирующей емкости; Vсм – объем смесительной камеры. В выражении (1) второе слагаемое (обозначим его через Δpi) показывает прибавку в давлении в смесительной камере после подачи i-й порции газа. Параметр Δpi является определяющим, какое коли- чество молекул газа будет попадать в смесительную камеру после подачи каждой дискретной порции, поскольку nkTp= , где р – давление газа; n – его концентрация; k – постоянная Больцмана; Т – тем- пература газа. Чем сильнее разнится параметр Δpi, тем более разнится и количество молекул газа, поступающих в смесительную камеру от порции к порции. Отсюда следует, что точность получения заданного про- центного соотношения компонентов в смеси будет, наряду с другими факторами, определяться также последовательностью подачи порции отдельных газов в смесительную камеру. Было найдено, что максимальная точность полу- чения заданного соотношения компонентов в смеси обеспечивается при определении последовательно- сти подачи дискретных порций каждого газа в цикле из условия [8]: === ∑∑ ... i p i p 2 i 1 i 1 i 1 i 2 2 1 1 ΔΔ j j i 1 i k i p j j = ∑Δ , (2) где jipΔ – изменение давления в смесительной каме- ре после подачи в нее i-й порции j-го газа; kj – ми- нимальное значение, которое может быть получено при временном распределении числа ij в цикле под- готовки при условии k1 = k2 = … = kj с точностью, определяемой заданной точностью соотношения компонентов в смеси и регулируемой соотношением Vij / Vсм, где Vij – объем i-й порции j-го газа, Vсм – объем смесительной камеры. При прочих равных условиях, чем меньше соот- ношение объемов порции газа и смесительной ка- меры (Vг/Vсм), тем с большей точностью можно регу- лировать состав газов в смеси. Расчеты показывают, что при значениях Vг/Vсм порядка 5·10-4, при соот- ветствующем распределении подачи порций от- дельных газов во времени, равенстве входных дав- лений газов и объеме дозирующих емкостей воз- можно обеспечение точности задаваемого процент- ного соотношения в ГС не хуже 0,01%. Для выполнения условия (2) необходима мини- мизация параметра Δpi. Выполнение данного крите- рия возможно путем циклического формирования смеси газов, когда в одном цикле порциями подают- ся все газовые составляющие смеси, а затем в сле- дующем цикле процесс повторяется. Это позволяет обеспечивать минимальное значение усредненного параметра Δpi в цикле, а значит, и максимальную точность получения заданного соотношения компо- нентов в смеси. Для выполнения данного критерия число порций в цикле должно стремиться к мини- муму. Реализация выполнения условия (2) на практике требует для каждого заданного соотношения ком- понентов в смеси нахождения временной последо- вательности подачи порций составляющих газов. При работе устройства, создающего смесь из трех газов с дискретой задания каждого компонента 1%, количество возможных последовательностей со- ставляет 104. Поскольку опробованные известные методы (метод цифровых дифференциальных ана- лизаторов (ЦДА) и некоторые др.) не позволяют установить оптимальные временные последователь- ности во всем диапазоне изменения состава смеси, то для их нахождения был разработан алгоритм и на его основе создана программа, итерационным путем определяющая для заданных процентных соотноше- ний и точности соотношения необходимую времен- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) 139 ную последовательность подачи порций газовых компонентов [9]. 2.2. МЕТОД СОЗДАНИЯ ЗАДАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ Для создания смеси газов без ухудшения метро- логических характеристик был разработан более простой алгоритм работы системы управления, ос- нованный на следующем. Задание процентного со- держания газов в смеси однозначно, в соответствии с законом Дальтона, определяет парциальное давле- ние каждого из j газов в смеси: смпарj2пар1пар pррр =+⋅⋅⋅++ , (3) где рсм – давление в смесительной камере после окончания приготовления смеси газов. Очевидно, что при приготовлении смеси газов подачей порций должно выполняться условие jпар i 1 i pp j j =∑Δ . (4) Поскольку получить заданное рпарj мы можем с определенной заданной точностью, то предыдущее условие в уточненном виде соответствует выраже- нию jjпар i 1 i k5,0pp j j ±=∑Δ , (5) где kj – допуск на отклонение содержания j-го газа в смеси от заданного значения. Суть метода создания заданных значений парци- альных давлений газов поясняется рис. 1, где пока- заны возможные случаи изменения парциального давления газа Р пар.j после подачи порции газа jipΔ – с попаданием в поле допуска (случай 2) или непопа- данием (случай 1 или случай 3). Рис. 1. Возможные случаи изменения парциального давления j-го газа Рпар.j при подаче очередной порции газа В данном методе перед подачей каждой порции газа проверяется условие jjпарi 1i 1 1i k5,0p<pp j j j +Δ+Δ∑ − − . (6) Выполнение условия (6) означает, что при пода- че порции газа Δрij будет реализовываться случай 1 или 2, и тогда порцию газа можно подавать, и она подается. Далее проверкой условия jjпарi 1i 1 1i k5,0p>pp j j j −Δ+Δ∑ − − (7) происходит уточнение наступления события: случай 1 или 2. Выполнение (7) означает, что заданное пар- циальное давление данного газа с заданным допус- ком достигнуто (при подаче порции газа произошел случай 2), вследствие чего блок управления прекра- щает подачу порций этого газа. Невыполнение условия (7) при выполнении (6) означает наступление случая 1, и можно осуществ- лять подачу этой порции и приступать к исследова- нию возможности подачи следующей порции газа данного вида, предварительно повторив цикл прове- рок условий (6) и (7). Невыполнение условия (6) означает, что подача в данный момент порции этого газа невозможна, так как при подаче порции наступит случай 3 – превы- шение величины заданного парциального давления данного газа с заданным допуском. При этом про- верка условия (7) не выполняется. В этой ситуации блок управления переходит к подаче порции сле- дующего j-го газа, осуществляя аналогично все про- верки. Подача порций каждого газа производится до тех пор, пока не будут выполнены одновременно условия (6) и (7) для каждого газа, что соответствует достижению заданного компонентного состава сме- си. Для реализации предложенного метода необхо- димо, чтобы количество порций jipΔ , соответст- вующих условию jipΔ ≤ kj, было не менее одной для каждого газа. Это достигается предварительным расчетом Δрi и рпарj при заданных процентном соот- ношении газов и точности содержания компонента в ГС. Приготовление смеси газов в соответствии с данным способом делает очередность подачи пор- ций газов совершенно несущественной, так как по- стоянно выполняемая проверка условий попадания в заданный допуск позволяет достигать необходимого процентного соотношения с требуемой точностью независимо от очередности подачи порций газов, входящих в состав смеси. Этим самым достигается упрощение процесса приготовления смеси, посколь- ку не требуется нахождения очередности подачи порций газов. 2.3. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА СМЕСЕЙ ГАЗОВ Структурная схема разработанного на изложен- ных принципах ГГС показана на рис. 2. Прибор состоит из трех каналов, по которым в ГГС происходит подача и движение исходных газов: А, В и С. В блоках стабилизации входного давления А1, В1 и С1 происходит стабилизация и выравнива- ние давления каждого из газов методом дозирован- ной подачи во входные емкости. Формирование порций газов одинакового объема происходит в блоках А2, В2 и С2 (блок клапанов), откуда они по- ступают в смесительную камеру СМ. Подготовлен- ная ГС поступает в бустерную емкость БЕ, из кото- рой обеспечивается непрерывный отбор ГС при ра- боте ГГС в составе установки для нанесения покры- тий. Предварительно все емкости для обеспечения максимальной точности получения заданного соста- ва смеси откачиваются при помощи форвакуумного насоса ФН. Управляет работой ГГС микропроцес- сорная система управления СУ при помощи блока контроля давления СКД. Питание узлов ГГС осуще- ствляется блоком питания БП. 140 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) Рис. 2. Блок-схема ГГС для создания смеси из трех газов Конструктивное исполнение узлов ГГС показано на рис. 3–5. Рис. 3. Вид ГГС спереди со снятой панелью В блоке клапанов ГГС были применены трехли- нейные пневмораспределители с электромагнитным управлением типа П-РЭ3/2,5, имеющие ресурс 25·106 срабатываний. В качестве датчиков давления использовались датчики МРХ фирмы «Motorola». Рис. 4. Вид ГГС сбоку со снятой панелью Система управления была спроектирована на двух микропроцессорах, из которых первый (PIC 16F84A) управлял работой клавиатуры и индикаци- ей состава смеси, а второй (PIC 16F873A) по разра- ботанной программе осуществлял процесс приго- товления ГС. Рис. 5. Панель управления ГГС В ходе разработки ГГС были решены две основ- ные задачи по обеспечению точности получения заданного соотношения компонентов в смеси. Пер- вая задача состояла в создании равных давлений смешиваемых газов во входных емкостях А1, В1 и С1. Для ее решения необходимо с высокой точно- стью определять давление в указанных емкостях. С этой целью была разработана многоканальная сис- тема динамической калибровки датчиков давления, схема которой показана на рис. 6. Система калибровки датчиков давления, встро- енная в ГГС (см. рис. 5 – калибровку датчиков), по- зволяет за счет сведения к минимуму разброса в показаниях датчиков давления Sa, Sb и Sc обеспе- чить с достаточной точностью равенство давлений газов А, В и С в емкостях А1, В1 и С1 (см. рис. 3 – емкости равного давления). Суть ее работы заклю- чается в одновременном измерении давления в од- ной емкости (см. в данном случае А1, рис. 6) всеми датчиками давления с последующим учетом разбро- са выходного сигнала датчиков путем сохранения их показаний во флэш-памяти микропроцессора. При- менение такой системы калибровки необходимо при первоначальном запуске генератора, при замене од- ного из датчиков и позволяет учитывать эффект «старения» датчиков. Рис. 6. Схема многоканальной системы калибровки датчиков давления: V1–V5 – управляемые клапаны; VDa – дозирующий клапан Датчики давления Плата системы управления Давление смеси газов Калибровка датчиков Клавиатура задания состава ГС Индикация состава ГС Панель индикации состояния клапанов Смесительная камера Блок клапанов Емкости равного давления А1, В1, С1 Выход ГС Подача газов А, В, С ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) 141 Решение второй задачи заключалось в нахожде- нии поправочных коэффициентов для объемов до- зирующих емкостей. С этой целью на стенде (рис. 7) предварительно откалиброванной барботажным ме- тодом (точность 0,05% [10]) емкости SC с помощью системы управления (CS) определялся поправочный коэффициент для каждой дозирующей емкости VDA–VDC. Рис. 7. Стенд для определения поправочных коэффициентов дозирующих емкостей: VA–VC, V – управляемые клапаны Определение поправочных коэффициентов для дозирующих объемов построено на том, что количе- ство порций газа, необходимых для достижения за- данного давления (определяемого уровнем срабаты- вания датчика S) в образцовой емкости SC, зависит, при прочих равных условиях, от соотношения объе- мов дозирующей и образцовой емкостей. При дос- тижении заданного уровня давления система управ- ления CS прекращает подачу порций газа в образцо- вую емкость SC. При этом в ее памяти сохраняется число поданных порций N1. В памяти CS также име- ется число N, соответствующее количеству подан- ных порций при принятом объеме дозирующей ем- кости (величина объема дозирующей емкости без погрешности). Если N1 > N, то действительный объ- ем дозирующей емкости меньше принятого. В этом случае CS начинает высчитывать поправочный ко- эффициент для данной дозирующей емкости, про- водя итерационный процесс путем постепенного незначительного (в пятом или более высоком знаке после запятой) повышения объема дозирующей ем- кости. Если N1 < N, то итерация происходит в об- ратном порядке. Таким образом вычисляются по- правочные коэффициенты для всех дозирующих емкостей. Разработанный ГГС обеспечивает подготовку смесей из трех газов с возможностью изменения процентного содержания каждого газа в диапазоне 0…100% с шагом задания содержания компонента 1% и погрешностью не более 0,1% по каждому газу. На ГГС данной конструкции получен патент Украи- ны на промышленный образец [11]. Генератор ГС может работать в нескольких ре- жимах. При работе в автономном режиме приготов- ленные ГС заданного состава из смесительной каме- ры поступают в сменные бустерные емкости. Затем эти емкости с ГС могут использоваться в различных ионно-плазменных установках для получения по- крытий требуемого состава. При работе в составе отдельной установки конструкция ГГС может быть упрощена за счет исключения из нее форвакуумного насоса и бустерной емкости. В этом случае предва- рительная откачка емкостей ГГС осуществляется форвакуумным насосом установки, а ГС в вакуум- ную камеру подается непосредственно из смеси- тельной камеры. Разработанный ГГС был испытан при работе в составе установки «Булат-6». Созданная с помощью ГГС смесь из трех газов (азота – 50%, ацетилена – 25%, аргона – 25%) использовалась при формирова- нии покрытий из карбонитрида титана на сверлах из стали Р6М5, показавших высокую стойкость к изно- су [12]. ВЫВОДЫ 1. Выполнен анализ известных способов созда- ния ГС по возможности их применимости в процес- сах формирования покрытий ионно-плазменными методами, позволивший за основу разработанных методов принять способ смешивания газов путем последовательной подачи порций газов в предвари- тельно откачанную смесительную камеру. 2. На принципе смешивания газов последова- тельной подачей порций в смесительную камеру разработаны новые методы организации подачи порций газов при формировании ГС заданного со- става, обеспечивающие высокую точность соотно- шения компонентов. 3. Для реализации предложенных методов созда- ны система калибровки датчиков давления, стенд для определения поправочных коэффициентов дози- рующих объемов, алгоритмы и программное обеспе- чение для микропроцессорной системы управления. 4. Спроектирован и изготовлен ГГС, обеспечи- вающий подготовку ГС из трех газов с возможно- стью изменения содержания каждого газа в диапа- зоне 0…100%, с шагом задания содержания компо- нента 1% и погрешностью не более 0,1% по каждо- му газу. 5. Показана возможность работы ГГС в составе установки «Булат-6» при формировании карбонит- ридных 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. 2. В.В. Кунченко, А.А. Андреев. Карбонитриды титана, полученные вакуумно-дуговым осаждением. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физи- ка радиационных повреждений и радиационное ма- териаловедение». 2001, №2, с. 116-120. 3. А.А. Андреев, Л.П. Саблев, С.Н. Григорьев, В.М. Шулаев. Вакуумно-дуговые устройства и по- крытия. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005, 236 с. 4. В.А. Белоус, Ю.А. Заднепровский, Н.С. Ло- мино, О.В. Соболь. Роль аргона в газовой смеси с азотом при получении нитридных конденсатов сис- 142 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №2(90) темы Ti-Si-N в вакуумно-дуговых процессах осаж- дения // ЖТФ. 2013, т. 83, в. 7, с. 69-76. 5. В. Райский. Приборы для получения смесей сварочных защитных газов // Оборудование: рынок, предложения, цены. 2003, №3, с. 3. 6. WITT-GASETECHNIK. Каталог продукции [Электронный ресурс] / Режим доступа http:// www.wittgas.com/RUS/mixers_metering_panels_russia n_downloads.html, свободный. 12.05.13. 7. W. van Sark et al. Computer automation of the Palse Reactor, a pulse operated low-pressure metal or- ganic vapor phase epitaxy machine // Rev. Sci. Instrum. 1990, v. 61, №1, р. 146-157. 8. Пат. України № 85625, МПК В01 3/00. Спосіб підготовки суміші газів заданого відсоткового складу для технологічних установок і пристрій для його реалізації / Ю.О. Сисоєв, Г.І. Костюк, А.Ю. Сисоєв, Ю.С. Євко. Бюл. 2009, №3, 11 с. 9. Свід. про реєстрацію авторського права на твір №36416. Розрахунок послідовності надходжен- ня імпульсів відкриття дозуючих клапанів для забез- печення створення суміші газів заданого відсотко- вого складу / Ю.О. Сисоєв, Г.І. Костюк, А.Ю. Сисоєв та ін. 05.01.2011. 10. Н.А. Можегов. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материа- лов. М.: «Энергоатомиздат», 1990, 120 с. 11. Заявка на видачу патенту на промисловий зразок №s201201239 від 19.09.12. Генератор сумі- шей газів / Ю.О. Сисоєв, Г.І. Костюк. Рішення про видачу патенту 24.04.13. 12. Ю.А. Сысоев, Г.И. Костюк, А.Ю. Сысоев. Применение генератора смесей газов для получения сложнокомпозиционных покрытий // Вісник інже- нерної академії України. 2011, в. 3, с. 198-201. Статья поступила в редакцию 21.06.2013 г. СТВОРЕННЯ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ГАЗОВИХ СУМІШЕЙ ДЛЯ ІОННО-ПЛАЗМОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ Ю.О. Сисоєв Розглянуто питання створення багатокомпонентних газових сумішей (ГС), призначених для отримання покриттів в іонно-плазмових установках. Розроблені методи отримання ГС, засновані на послідовній подачі порцій газових компонентів у змішувальну камеру, що забезпечують заданий склад суміші з високою точні- стю. Для реалізації методів розроблені алгоритми і на їх основі створено мікропроцесорну систему керуван- ня створеного генератора сумішей газів. Розроблений генератор забезпечує підготовку сумішей з трьох газів з можливістю зміни процентного вмісту кожного газу в діапазоні 0…100% з кроком завдання змісту компо- нента 1% і похибкою не більше 0,1% з кожного газу. THE CREATION OF MULTI-COMPONENT GAS MIXTURES FOR ION-PLASMA TECHNOLOGIES Yu.А. Sysoiev А considered question is multicomponent gas mixtures creation for production of complex composition coatings in ion-plasma technologies. The developed methods for producing gas mixtures are based on a serial supply of gas component portions into the mixing chamber which providing a predetermined mixture composition with high accu- racy. For methods implementation has been developed algorithms and software for microprocessor control system of created gas mixtures generator. This generator provides training three gases mixture with changeability of each gas percentage in range from 0 to 100%, with working step of 1% component content and error isn't more 0.1% for each gas.

Создание многокомпонентных газовых смесей для ионно-плазменных технологий

Institution

Ähnliche Einträge