Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров

В работе описана модернизация многоканального зонда, который совместно с написанным для его работы программным обеспечением представляет собой современный инструмент для настройки и изучения транспортирующих свойств вакуумно-дуговых источников плазмы. Изучено влияние магнитного поля катушек T-образн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Аксёнов, Д.С., Аксёнов, И.И., Стрельницкий, В.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2016
Назва видання:	Журнал физики и инженерии поверхности
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117058
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров / Д.С. Аксёнов, И.И. Аксёнов, В.Е. Стрельницкий // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 4. — С. 361-372. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117058
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1170582025-02-23T19:50:28Z Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров Програмно-апаратний комплекс для оптимізації транспортувальних властивостей вакуумно-дугових фільтрів Software-hardware complex for optimization of transporting abilities of vacuum arc filters Аксёнов, Д.С. Аксёнов, И.И. Стрельницкий, В.Е. В работе описана модернизация многоканального зонда, который совместно с написанным для его работы программным обеспечением представляет собой современный инструмент для настройки и изучения транспортирующих свойств вакуумно-дуговых источников плазмы. Изучено влияние магнитного поля катушек T-образного фильтра на величину и пространственное распределение выходного ионного тока. Установлены оптимальные величины токов катушек, позволяющие существенно повысить производительность изучаемого устройства. В роботі описано модернізацію багатоканального зонда, який сумісно з написаним для його роботи програмним забезпеченням представляє собою сучасний інструмент для налаштування та вивчення транспортувальних властивостей вакуумно-дугових джерел плазми. Вивчено вплив магнітного поля котушок T-подібного фільтра на величину та просторовий розподіл вихідного іонного струму. Встановлено оптимальні величини струмів котушок, які дозволяють суттєво підвищити продуктивність пристрою, що вивчається. This work describes optimization of multichannel probe, which in couple with the written for its work software presents a modern tool for adjustment and study of transporting abilities of vacuum arc plasma sources. Influence of magnetic field created by coils of T-shaped filter on spatial distribution of output ion current was investigated. Optimal values of coils currents, which allow one to increase productivity of studied device, were determined. 2016 Article Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров / Д.С. Аксёнов, И.И. Аксёнов, В.Е. Стрельницкий // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 4. — С. 361-372. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2519-2485 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117058 621.793 ru Журнал физики и инженерии поверхности application/pdf Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В работе описана модернизация многоканального зонда, который совместно с написанным для его работы программным обеспечением представляет собой современный инструмент для настройки и изучения транспортирующих свойств вакуумно-дуговых источников плазмы. Изучено влияние магнитного поля катушек T-образного фильтра на величину и пространственное распределение выходного ионного тока. Установлены оптимальные величины токов катушек, позволяющие существенно повысить производительность изучаемого устройства.
format	Article
author	Аксёнов, Д.С. Аксёнов, И.И. Стрельницкий, В.Е.
spellingShingle	Аксёнов, Д.С. Аксёнов, И.И. Стрельницкий, В.Е. Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров Журнал физики и инженерии поверхности
author_facet	Аксёнов, Д.С. Аксёнов, И.И. Стрельницкий, В.Е.
author_sort	Аксёнов, Д.С.
title	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
title_short	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
title_full	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
title_fullStr	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
title_full_unstemmed	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
title_sort	программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117058
citation_txt	Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров / Д.С. Аксёнов, И.И. Аксёнов, В.Е. Стрельницкий // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 4. — С. 361-372. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Журнал физики и инженерии поверхности
work_keys_str_mv	AT aksënovds programmnoapparatnyjkompleksdlâoptimizaciitransportiruûŝihsvojstvvakuumnodugovyhfilʹtrov AT aksënovii programmnoapparatnyjkompleksdlâoptimizaciitransportiruûŝihsvojstvvakuumnodugovyhfilʹtrov AT strelʹnickijve programmnoapparatnyjkompleksdlâoptimizaciitransportiruûŝihsvojstvvakuumnodugovyhfilʹtrov AT aksënovds programnoaparatnijkompleksdlâoptimízacíítransportuvalʹnihvlastivostejvakuumnodugovihfílʹtrív AT aksënovii programnoaparatnijkompleksdlâoptimízacíítransportuvalʹnihvlastivostejvakuumnodugovihfílʹtrív AT strelʹnickijve programnoaparatnijkompleksdlâoptimízacíítransportuvalʹnihvlastivostejvakuumnodugovihfílʹtrív AT aksënovds softwarehardwarecomplexforoptimizationoftransportingabilitiesofvacuumarcfilters AT aksënovii softwarehardwarecomplexforoptimizationoftransportingabilitiesofvacuumarcfilters AT strelʹnickijve softwarehardwarecomplexforoptimizationoftransportingabilitiesofvacuumarcfilters
first_indexed	2025-11-24T18:37:19Z
last_indexed	2025-11-24T18:37:19Z
_version_	1849697961716482048
fulltext	Аксёнов Д. С., Аксёнов И. И., Стрельницкий В. Е., 2016 © 361 Журнал фізики та інженерії поверхні, 2016, том 1, № 4, сс. 361–372; Журнал физики и инженерии поверхности, 2016, том 1, № 4, сс. 361–372; Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, No. 4, pp. 361–372 УДК 621.793 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ФИЛЬТРОВ Д. С. Аксёнов, И. И. Аксёнов, В. Е. Стрельницкий Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Поступила в редакцию 20.12.2016 В работе описана модернизация многоканального зонда, который совместно с написанным для его работы программным обеспечением представляет собой современный инструмент для настройки и изучения транспортирующих свойств вакуумно-дуговых источников плазмы. Изучено влияние магнитного поля катушек T-образного фильтра на величину и пространственное распределение выходного ионного тока. Установлены оптимальные величины токов катушек, позволяющие су- щественно повысить производительность изучаемого устройства. Ключевые слова: вакуумная дуга, фильтр, зонд, ионный ток, транспортировка плазмы. ПРОГРАМНО-АПАРАТНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТУВАЛЬНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВАКУУМНО-ДУГОВИХ ФІЛЬТРІВ Д. С. Аксьонов, І. І. Аксьонов, В. Є. Стрельницький В роботі описано модернізацію багатоканального зонда, який сумісно з написаним для його роботи програмним забезпеченням представляє собою сучасний інструмент для налаштування та вивчення транспортувальних властивостей вакуумно-дугових джерел плазми. Вивчено вплив магнітного поля котушок T-подібного фільтра на величину та просторовий розподіл вихідного іонного струму. Встановлено оптимальні величини струмів котушок, які дозволяють суттєво підвищити продуктивність пристрою, що вивчається. Ключові слова: вакуумна дуга, фільтр, зонд, іонний струм, транспортування плазми. SOFTWARE-HARDWARE COMPLEX FOR OPTIMIZATION OF TRANSPORTING ABILITIES OF VACUUM ARC FILTERS D. S. Aksyonov, I. I. Aksenov, V. E. Strel’nitskij This work describes optimization of multichannel probe, which in couple with the written for its work software presents a modern tool for adjustment and study of transporting abilities of vacuum arc plasma sources. Influence of magnetic field created by coils of T-shaped filter on spatial distribution of output ion current was investigated. Optimal values of coils currents, which allow one to increase productivity of studied device, were determined. Keywords: vacuum arc, filter, probe, ion current, plasma transport. ВВЕДЕНИЕ Одним из наиболее распространённых мето- дов получения функциональных покрытий является осаждение из плазмы дугового раз- ряда в атмосфере активного газа или в вакуу- ме. Метод осаждения широко распространён в машиностроении, приборостроении, электронике, производстве инструментов, декоративных изделий и т. д. [1] благодаря своим уникальным возможностям. Ток дуго- вого разряда протекает через катодные пятна малых размеров (микрометры), что приводит к испарению катодного материала в виде плазмы, степень ионизации которой может достигать 100 % [1]. Поток ионов, который можно извлекать из плазмы без нарушения условий существования разряда, достигает 19 % от величины тока разряда [2]. Покрытие формируется за счёт конденсации этого по- тока на подложке, а толщина этого покрытия пропорциональна плотности ионного потока и времени осаждения. Таким образом, суще- ствует возможность прогнозирования произ- водительности вакуумно-дуговых устройств осаждения путём измерения плотности выходного ионного тока, что существенно ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 362 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 ускоряет процесс наладки таких устройств и поиск оптимальных параметров процесса осаждения [3]. Величину плотности ионного тока на выходе фильтра измеряют при помощи зондов, которые устанавливают в облас- ти выходного сечения фильтра. На зонд, который обычно представляет собой плос- кий диск, подают отрицательный потенци- ал [3, 5–7] для «отсечения» электронного компоненты плазмы. Величину этого по- тенциала подбирают такой, чтобы его даль- нейший рост не приводил к увеличению выходного тока. В большинстве случаев ве- личина отрицательного потенциала на зонде составляет (40–120) В. Для поиска оптималь- ного режима осаждения, обычно он соответ- ствует максимуму выходного тока, изучают влияние параметров процесса осаждения (напряжённость магнитных полей внутри плазмовода, давление газовой среды и т. п.) на величину ионного тока. На практике зачастую необходимо до- биться не только максимальной произво- дительности системы осаждения, а ещё и равномерного распределения толщины покрытия по поверхности подложки. Поэтому одной только величины выходного тока становится недостаточно: необходимо также знать распределение плотности тока по поверхности предполагаемой подложки, то есть зонда, а также зависимость этого распре- деления от параметров процесса осаждения. Очевидно, что типичный дисковый зонд не способен предоставить такие данные. Для решения этой задачи применяют либо зонды малых размеров, либо многоканальные зонды. В первом случае зонд перемещают в плоскости осаждения, получая в итоге кар- тину распределения тока в этой плоскости [8]. Недостатками такого подхода однознач- но являются сложность перемещения этого зонда и обеспечение точности его позици- онирования. Во втором случае зонд пред- ставляет собой массив из малогабаритных зондов (ячеек) [6, 9–11], данные с которых измеряют одновременно, что, безусловно, ускоряет процесс оптимизации фильтра. К недостаткам второго метода измерения можно отнести сложность конструкции зонда и необходимость в дополнительном оборудовании, которое обеспечивает возмож- ность снятия показаний с него. Измеряемая величина плотно сти выходного тока зависит как от плотности попадающего на зонд потока ионов, так и от кратности заряда этих ионов, зависящей от параметров процесса осаждения. Таким образом, наблюдаемый прирост величины измеряемого тока может являться ростом кратности заряда попадающих на зонд ионов. Вышесказанное означает, что оценка скорос- ти осаждения покрытий и их однородности по показаниям выходного тока является до- статочно грубой и поэтому конечной стадией определения эффективности системы осаж- дения всегда является непосредственно осаж- дение покрытия. Целью данной работы является создание средств для изучения и оптимизации тран- спортирующих свойств источников вакуум- но-дуговой плазмы. ОБОРУДОВАНИЕ Измерения распределений плотности выходного ионного тока выполнялись на установке вакуумно-дугового осажде- ния «Булат-6» с установленным на неё T-образным фильтром, который схемати- чески показан на рис. 1. Фильтр состоит из T-образного плазмовода 3, к входным секци- ям P1 и P2 которого присоединены, соответ- ственно, вакуумно-дуговые испарители 1 и 2. К рабочей камере 5 фильтр стыкуется своей выходной секцией P3. Генераторы плазмы включают в себя аноды A1 и A2, 4 A12 A11S1 1 3 2 S2 C2F2F1C1 A1 P1 P2 A2 A21 A22 F3 F4 5 P3 z Рис. 1. Схематическое изображение установки: 1, 2 — генераторы плазмы, 3 — Т-образный плазмовод, 4 — зонд, 5 — рабочая камера, C1, C2 — катоды, P1, P2 — входные секции плазмовода, P3 — выходная секция плазмовода, z — расстояние между выходным сечением фильтра и измерительной поверхностью зонда Д. С. АКСЁНОВ, И. И. АКСЁНОВ, В. Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ 363ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 катоды C1 и C2, стабилизирующие катушки S1 и S2 и анодные катушки A11, A12, A21, A22. На входные секции T-образного плаз- мовода намотаны отклоняющие катушки F1 и F2, на выходную секцию, соответственно, выходные катушки F3 и F4. Зонд 4 для изме- рений плотности выходного тока устанавли- вался на расстоянии z от выходного сечения фильтра. Токи в магнитных катушках системы (если не сказано иное) были установлены следу- ющими: IS1 = IS2 = 1,5 А, IA11 = IA21 = −0,4 А, IA12 = IA22 = 0,5 А, IF1 = IF2 = 2 А, IF3 = 4 А, IF4 = −3 А. МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЗОНД Для измерений плотности выходного тока использовался модернизированный вари- ант многоканального (матричного) зонда [10]. Модернизация заключалась в усовер- шенствовании его конструкции: перенесены изоляторы ячеек зонда, улучшена точ- ность их позиционирования, уменьшены габариты, убраны элементы несущей кон- струкции, подвергавшиеся чрезмерному нагреву и, следовательно, деформации и ко- роткому замыканию. Усовершенствование зонда позволило добиться его многочасовой непрерывной работы без необходимости об- служивания и чистки. Фотографии используемого зонда в разо- бранном виде приведены на рис. 2. Зонд со- держит 32 измерительных ячейки 3, которые состоят из шпильки с закреплённым на ней диском, диаметр которого равен 23 мм. Эти ячейки закреплены на одном из двух (даль- нем от зоны измерения) несущих дисков 1 через изоляторы 4. Несущие диски имеют диаметр 180 мм и стянуты несколькими шпильками 2. Измерительные ячейки зонда расположены в 6 рядов с шагом 27 мм: верх- ний и нижний ряды содержат по 4 ячейки, остальные — по 6. Поверх всей конструкции надевается защитный кожух (на рисунке не показан), предотвращающий запыление изо- ляторов, длина зонда без чехла составляет 95 мм. Все части зонда (кроме изоляторов) выполнены из немагнитной нержавеющей стали. Каждая ячейка зонда подключена к от- дельному каналу многоканального АЦП, что даёт возможность измерять плотность ионного тока в 32-х точках поверхности зонда одновременно. Результат таких изме- рений позволяет вычислить распределение плотности этого тока по поверхности зонда. Суммарный ионный ток вычислялся как сумма сигналов всех ячеек зонда. Потенци- ал, подаваемый на ячейки зонда, составляет –120 В. Коэффициент полезного (учитывается только площадь ячеек) перекрытия зондом выходного сечения фильтра составляет 27 %. Общая площадь измерительных ячеек отно- сительно площади лицевой стороны зонда (несущего диска) составляет 53 %. Это сви- детельствует о необходимости дальнейше- го усовершенствования конструкции зонда, однако за счёт значительных изменений конструкции. ИЗМЕРЕНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТА Для работы одноканальных зондов требу- ется источник питания необходимой мощ- ности для подачи на зонд отрицательного напряжения и амперметр. Однако в случае использования многоканальных зондов, по- мимо необходимости подачи потенциала отдельно на каждую из ячеек, также необ- ходимо измерять электрический ток каждой из этих ячеек. Причём производить такие измерения желательно с большой частотой. 1 3 1 2 4 3 Рис. 2. Модернизированный многоканальный зонд в разобранном виде ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 364 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 Очевидно, что без «автоматики» выполнить такую задачу крайне сложно. Поэтому ячей- ки используемого многоканального зонда были подключены к АЦП, который установ- лен в персональный компьютер. Для управ- ления АЦП (режимами измерений зонда), а также для обработки и визуализации данных измерений, написано соответствую- щее программное обеспечение. Данная программа написана таким образом, чтобы иметь возможность производить изме- рения, обрабатывать их и выводить результат в режиме реального времени на маломощном оборудовании. Результаты выводятся как в чис- ленном виде — данные каждого из измерений по всем каналам и усреднённые по времени величины сигнала, так и в графическом — в виде плоских и/или трёхмерных диаграмм. При этом обработка результата в реальном времени не вносит каких-либо заметных за- держек в процесс измерения, что позволяет пользователю производить настройку режи- ма работы вакуумно-дугового устройства «на лету» без необходимости документирования всех промежуточных результатов. Для удобства работы и увеличения ин- формативности отображаемых результа- тов программа оснащена возможностью тонкой настройки вида диаграмм — изме- нять цвета, масштабы осей, толщины линий и т. п., а также вращать диаграммы вокруг трёх осей. Чтобы упростить процесс сравне- ния данных на нескольких диаграммах, вклю- чая ту, что находится в процессе рисования (измерения), добавлена возможность цвето- вого выделения диапазона данных. Пример такого выделения и внешний вид диаграмм, отображаемых программой, приведен на рис. 3. Результаты измерений в численном виде отображаются в отдельной плоскости программы. Для последующей их обработки предусмотрена функция экспорта данных в текстовый файл с возможностью настройки синтаксиса вывода, что необходимо для пра- вильной интерпретации этих файлов другими программами, например, MS Excel. Одной из немаловажных функций программы с точки зрения простоты работы и обслуживания зонда является так называемый «ремаппинг». Он позволяет подключать ячейки зонда к измерительным каналам АЦП в произвольном порядке. Впо- следствии, при запуске программы, можно в интерактивном режиме указать какая ячей- ка зонда относится к конкретному каналу. Эти настройки хранятся в программе и ис- пользуются при построении диаграмм. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Постоянное перемещение катодных пятен по поверхности катода приводит к тому, что генерируемые ими плазменные струи про- ходят по различным траекториям внутри плазмовода. В результате будет наблюдаться Рис. 3. Внешний вид трёхмерных диаграмм, отобра- жаемый программой для управления зондом Д. С. АКСЁНОВ, И. И. АКСЁНОВ, В. Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ 365ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 перемещение максимумов ионного тока по по- верхности зонда, что продемонстрировано на рис. 4. Однако процесс осаждения покрытий (за исключением сверхтонких) длится более продолжительный промежуток времени, достаточный для того, чтобы плазменные потоки конденсировались на более значи- тельной части подложки. Профиль толщины сформированного покрытия будет в значи- тельной мере отличаться от «мгновенного» значения выходного тока, приведенного на рис. 4. Чтобы иметь возможность сопоставить распределения толщины покрытия и плотнос- ти выходного тока необходимо производить замеры последнего в течение некоторого вре- мени с последующим усреднением. Для того чтобы установить необходи- мое время интегрирования сигнала зонда произведены «высокоскоростные» измере- ния величины и распределения плотности выходного ионного тока на выходе T-образного фильтра. Остановка процесса измерения (и усреднения) производилась по количеству прошедшего времени, а не по количеству единичных замеров. Измерения проводились при таких условиях: давление газа в рабочей камере P = 3 мТорр, расстояние между изме- рительной плоскостью зонда и выходным се- чением фильтра z = 25 мм, дуговые токи обоих испарителей Ia1 = Ia2 = 100 А, используемый материал катодов — титан. Установлено, что для стабилизации сигнала достаточно про- межутка времени, равного t = 0,5 с. Более де- тально результаты приведены на рис. 5. Влияние времени интегрирования на ра- спределение выходного тока приведено на рис. 6. Приведенные на рисунке результаты подтверждают правильность сделанных выводов: начиная с времени t = 0,6 с распре- деление плотности ионного тока на выходе фильтра одинаково. Необходимо отметить, что данные, приведенные на рисунках 5 и 6, являются результатом разных измерений. Поэтому максимум на рис. 5 для t = 0,1 с Рис. 4. «Мгновенные» значения выходного тока 12 И он ны й то к, у . е . 10 8 6 4 2 0 0,1 Время измерения, с 1 10 100 Рис. 5. Зависимость среднего значения выходного тока от времени интегрирования сигнала ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 366 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 соответствует минимуму на рис. 6 для того же значения времени. Ранее была продемонстрирована и изу- чена методика смешивания нескольких по- токов плазмы в один [12]. Целью такого смешивания плазменных потоков является получение однородных по составу и тол- щине многокомпонентных покрытий (на- пример, TiAlN) или однородных по составу однокомпонентных покрытий (таких, как TiN). Ввиду замагниченности потоки плазмы от разных катодов двигаются параллельно друг другу (в выходной секции плазмовода) практически не смешиваясь. Однако созда- ние ослабленного магнитного поля на выходе двухканального T-образного фильтра, изуча- емого в данной работе, позволяет нарушить одно из условий замагниченности и, тем самым, добиться смешивания плазменных потоков. Схематически процесс перемеши- вания показан на рис. 7. Явление возможно дополнительно изу- чить с помощью программно-аппаратно- го комплекса, описанного в данной работе. Для достижения этой цели поставлено два эксперимента в условиях, при котором на- блюдалось смешивание [12]. В первом эксперименте зонд перемещался вдоль оси z (см. рис. 1) в диапазоне от –50 мм до 250 мм с шагом 5 мм. В каждой точке про- изводилось измерение распределения плот- ности выходного тока при t = 10 с (~103 измерений по каждому из каналов). Наиболее информативные результаты измерений плот- ности тока приведены на рис. 8. Видно, что при расстоянии z, равном –50 мм, что соответствует расположению Рис. 6. Зависимость сигнала зонда от времени инте- грирования подложка смешаный поток поток 1 поток 2 потеря замагниченности Рис. 7. Схематическое изображение процесса формиро- вания зоны перемешивания плазменных потоков Д. С. АКСЁНОВ, И. И. АКСЁНОВ, В. Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ 367ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 зонда внутри плазмовода, распределение плотности тока имеет два явно выраженных максимума. Каждый из этих максимумов смещён в сторону «своего» плеча плазмо- вода. Наличие максимумов свидетельствует о том, что два плазменных потока находятся в несмешанном (или частично смешанном) состоянии. При увеличении расстояния z между измерительной плоскостью зонда и выходным сечением фильтра максимумы плотности тока пропадают и распределение становится плоским. Перемещение зонда внутрь камеры (z > 0) приводит к сниже- нию плотности выходного тока в результа- те потерь плазмы при её контакте с газовой мишенью. Ситуация наглядно продемонстри- рована поведением кривых на рис. 9. С целью улучшения условий транспорти- ровки плазменных потоков и, следовательно, увеличения производительности вакуумно- дугового источника многокомпонентной плазмы изучено влияние на величину и ра- спределение плотности выходного ионного тока величины магнитного поля, создавае- мого каждой из катушек, а также величины разрядных токов. Результаты этих исследо- ваний приведены на рис. 10–13. Как видно из рис. 10, усиление индукции поля поворотных катушек F1 и F2 приводит к существенному росту величины выходного тока, что связано с уменьшением потерь плазмы при прохождении изгиба плазмовода. При отключении этих катушек в выходную часть T-фильтра плазма попадает только в виде «потерь» в остроугольном магнитном поле, создаваемом катушками плеч фильтра. Усиление магнитного поля внутри анодов T-образного фильтра должно снизить потери Рис. 8. Влияние расстояния выход-зонд (z) на распре- деление плотности ионного тока 2,4 И он ны й то к, А 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 –50 Расстояние выход-зонд, мм 0 50 100 150 200 250 Аr N2 Рис. 9. Зависимость величины выходного тока от рас- стояния z между зондом и выходом фильтра ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 368 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 Рис. 10. Влияние тока магнитных катушек F1 и F2 на распределение плотности ионного тока Рис. 11. Влияние тока магнитных катушек A11 и A21 на распределение плотности ионного тока Д. С. АКСЁНОВ, И. И. АКСЁНОВ, В. Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ 369ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 плазмы внутри них за счёт улучшения усло- вий транспортировки. Плазменный поток в таком случае становится более плотным — большая его часть проходит по входной оси фильтра (ось анода), т. е. фокусируется. Когда поток плазмы от одного из катодов достигает области поворота фильтра, то он находится на большем удалении от угла, образованно- го стыком выходной и входной секций. В ре- зультате меньшая часть этого потока плазмы будет потеряна при касании с этим углом. Влияние магнитного поля анодных катушек A11 и A21 на величину и распределение выходного тока фильтра показано на рис. 11. Результаты измерений, приведенные на рисунке, подтверждают правильность вышеизложенных рассуждений: с ростом тока анодных катушек A11 и A21 растёт и выходной ионный ток. Встречное включе- ние этих катушек (IA11 = IA21 = −1 А) приводит к практически полному отсутствию тока на выходе, так как вся плазма конденсируется на внутренней поверхности анодов. Подобная картина наблюдается и при из- менении токов вторых анодных катушек (A12 и A22), а также разрядных токов. С ростом тока катушек A12 и A22 величина и распреде- ление плотности выходного тока изменяются практически так же, как показано на рис. 11 для катушек A11 и A21, и объясняется улуч- шением условий транспортировки плазмы. С ростом тока дуги линейно увеличивается выходной ионный ток фильтра (рис. 12), что согласуется с результатами работы [1, 3]. Несколько иной характер имеет зависи- мость выходного тока (и его распределения по поверхности зонда) от индукции поля, со- здаваемого выходной катушкой F3 (рис. 13). При увеличении тока катушки в диапазоне от IF3 = 0 до IF3 = 2 A выходной ток также увели- чивается. Распределение ионного тока по по- верхности зонда при этом приобретает более плоский характер: максимум на выходной оси системы становится менее выраженным. Однако это является не следствием сниже- ния самого максимума на оси, а результа- том роста плотности тока на периферии, что отчётливо видно на рис. 13 для значений IF3 равных 0 и 3 A. Дальнейшие увеличение силы тока катушки (до IF3 = 5,2 А) вызывает монотонное снижение плотности плазмы, по- падающей на зонд без каких-либо значимых изменений в его распределении. Последнее, наиболее вероятно, связано с ухудшением условий инжекции плазмы в область маг- нитного поля с увеличивающейся индукцией [13]. Не менее интере сными являются результаты измерений выходного тока, полученные при встречном включении ка- тушки F3 (IF3 < 0). По мере усиления встреч- ного поля этой катушки, помимо снижения плотности выходного тока, также наблю- дается изменение его распределения по поверхности зонда. Профиль этого распре- деления, как видно из рис. 13, приобретает горбообразный вид. Это говорит о нерав- номерности потерь плазмы относительно изгиба плазмовода: в верхней и нижней частях плазмовода потери максимальны, в боковых — минимальны. Приведенные выше результаты по- казали, что путём настройки магнитной системы исследуемой вакуумно-дуговой системы с T-образным фильтром возмож- но повысить её транспортирующие свой- ства. Такая оптимизация может повысить её производительность, т.е. в значитель- ной мере увеличить скорость осаждения покрытий. Для этого необходимо выставить такие токи магнитных катушек, при которых наблюдался максимальный ионный ток на выходе. Результат такой оптимизации пока- зан на рис. 14. Оптимизация производительности иссле- дуемого источника плазмы позволила до- биться увеличения выходного ионного тока на выходе почти в 3 раза (с 664 мА до 1,9 А). Необходимо отметить, что данный резуль- тат получен при изменении токов катушек 2,4 И он ны й то к, А 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 60 Ток дуги, А 100 140 180 Рис. 12. Зависимость величины выходного тока от силы дуговых токов ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 370 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 F3, F1 и F2. Ток анодных катушек (A11, A12, A21, A22) остался прежним, посколь- ку его рост вызывал нестабильность работы вакуумно-дуговой системы в целом. При усилении поля внутри анодов происходило их магнитное экранирование с последую- щим ростом напряжения на разрядном про- межутке до ~90 В. Мощности используемых источников питания дуги для работы в таком режиме оказалось недостаточно. В допо- лнение к этому наблюдался существенный перегрев рабочей камеры (водоохлаждае- мой), что, по всей видимости, также связа- но с магнитным экранированием анодов. Значительная часть разрядного тока про- текала вдоль силовых линий магнитного поля (через плазму) на стенки камеры вместо анодов. Рис. 13. Влияние тока магнитной катушки F3 на рас- пределение плотности ионного тока П ло тн ос ть т ок а, м А /с м 2 56 48 40 32 24 16 8 0 Ii = 664 мАz = 25 мм а П ло тн ос ть т ок а, м А /с м 2 56 48 40 32 24 16 8 0 Ii = 1,9 Аz = 25 мм б Рис. 14. Распределения плотности потока плазмы — начальное (а) и оптимизированное (б) Д. С. АКСЁНОВ, И. И. АКСЁНОВ, В. Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ 371ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 ВЫВОДЫ Создан и исследован программно-ап- паратный комплекс, включающий в себя модернизированный вариант многоканаль- ного матричного зонда и специализирован- ное программное обеспечение, позволяющее производить наладку транспортирующих свойств вакуумно-дуговых источников плазмы, а также исследовать поведение плазменных потоков в них под действием различных внешних факторов. При помощи данного комплекса проде- монстрирован процесс смешивания несколь- ких потоков плазмы от различных катодов в один при их прохождении внутри выходной секции T-образного плазмовода. Установлены величины токов магнитных катушек T-образного фильтра, обеспечи- вающие его максимальную пропускную способность, что позволило увеличить про- изводительность вакуумно-дугового источни- ка плазмы с T-образным фильтром примерно в 3 раза. ЛИТЕРАТУРА 1. Anders A. Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation. — New York: Springer, 2008. — 542 p. 2. Anders A., Oks E. M., Yushkov G. Y. et al. Measurements of the total ion flux from vac- uum arc cathode spots // IEEE Trans. Plasma Sci. — 2005. — Vol. 33. — P. 1532–1536. 3. Аксёнов И. И., Андреев А. А., Белоус В. А., Стрельницкий В. Е., Хороших В. М. Ваку- умная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхностное модифицирова- ние. — Киев: Наукова думка, 2012. — 728 с. 4. Anders A., MacGill R. A. Asymmetric Injection of Cathodic Arc Plasma into a Macroparticle Filter // J. Appl. Phys. — 2004. — Vol. 95. — P. 7602–7606. 5. Kleiman A., Márquez A., Boxman R. L. Perfor- mance of a magnetic island macroparticle filter in a titanium vacuum arc // Plasma Sources Sci. Technol. — 2008. — Vol. 17. —P. 015008-1–7. 6. Zhitomirsky V. N., Zarchin O., Wang Sh. G. et al. Ion Current Produced by a Vacuum Arc Carbon Plasma Source // IEEE Trans. Plasma Sci. — 2001. — Vol. 29, No. 5. — P. 776–780. 7. Baranov O., Romanov M., Ostrikov K. Effec- tive control of ion fluxes over large areas by magnetic fields: From narrow beams to high- ly uniform fluxes // Physics of Plasmas. — 2009. — Vol. 16. — P. 053505-1–5. 8. Yukimura K., Muraho T., Ma X., Ikehata T. Ion current distribution on a 200-mm-diameter disk target by titanium cathodic arc plasma-based ion implantation and deposition // Surf. Coat. Technol. — 2004. — Vol. 186. — P. 104–107. 9. Бизюков Ю. А., Васильев В. В., Лучани- нов А. А., Стрельницкий В. Е. Автоматизи- рованная система измерения пространствен- ного распределения плотности ионного тока в потоке плазмы // Сб. тр. Харьковской на- нотехнологической ассамблеи. — Харьков: Тонкие плёнки, 2007. — С. 232–235. 10. Zhitomirsky Y. N., Kinrot U., Alterkop B. In- fluence of gas pressure on the ion current and its distribution in a filtered vacuum arc deposi- tion system // Surf. Coat. Technol. — 1996. — Vol. 86–87. — P. 263–270. 11. Aksyonov D. S., Aksenov I. I., Luchaninov A. A. et al. Plasma Streams Mixing in Two-Channel T-Shaped Magnetic Filter // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Vacuum, Pure Materials, Superconductors. — 2011. — No. 6. — P. 116–120. 12. Aksenov I. I. A vacuum arc in erosion plasma sources. — Kharkiv: NSC KIPT, 2005. — 212 p. REFERENCES 1. Anders A. Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation. — New York: Springer, 2008. — 542 p. 2. Anders A., Oks E. M., Yushkov G. Y. et al. Measurements of the total ion flux from vacuum arc cathode spots // IEEE Trans. Plasma Sci. — 2005. — Vol. 33. — P. 1532–1536. 3. Aksenov I. I., Andreev A. A., Belous V. A., Strel’nickij V. E., Horoshih V. M. Vakuumnaya duga: istochniki plazmy, osazhdenie pokrytij, poverhnostnoe modificirovanie. — Kiev: Naukova dumka, 2012. — 728 p. 4. Anders A., MacGill R. A. Asymmetric Injection of Cathodic Arc Plasma into a Macroparticle Filter // J. Appl. Phys. — 2004. — Vol. 95. — P. 7602–7606. 5. Kleiman A., Márquez A., Boxman R. L. Perfor- mance of a magnetic island macroparticle filter in a titanium vacuum arc // Plasma Sources Sci. Technol. — 2008. — Vol. 17. — P. 015008-1–7. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СВОЙСТВ... 372 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 4, vol. 1, No. 4 6. Zhitomirsky V. N., Zarchin O., Wang Sh. G. et al. Ion Current Produced by a Vacuum Arc Carbon Plasma Source // IEEE Trans. Plasma Sci. — 2001. — Vol. 29, No. 5. — P. 776–780. 7. Baranov O., Romanov M., Ostrikov K. Ef- fective control of ion fluxes over large areas by magnetic fields: From narrow beams to highly uniform fluxes // Physics of Plasmas. — 2009. —Vol. 16. — P. 053505-1–5. 8. Yukimura K., Muraho T., Ma X., Ikehata T. Ion current distribution on a 200-mm-diameter disk target by titanium cathodic arc plasma-based ion implantation and deposition // Surf. Coat. Technol. — 2004. — Vol. 186. — P. 104–107. 9. Bizyukov Yu. A., Vasil’ev V. V., Lu cha ni- nov A. A., Strel’nickij V. E. Avtomati zi ro- van naya sistema izmereniya prostranst ven- nogo raspredeleniya plotnosti ionnogo to ka v potoke plazmy // Sb. tr. Kharkovskoj nano- tehnologicheskoj assamblei. — Kharkov: Ton- kie plenki, 2007. — P. 232–235. 10. Zhitomirsky Y. N., Kinrot U., Alterkop B. Influence of gas pressure on the ion current and its distribution in a filtered vacuum arc deposition system // Surf. Coat. Technol. — 1996. — Vol. 86–87. — P. 263–270. 11. Aksyonov D. S., Aksenov I. I., Luchaninov A. A. et al. Plasma Streams Mixing in Two-Channel T-Shaped Magnetic Filter // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Vacuum, Pure Materials, Superconductors. — 2011. — No. 6. — P. 116–120. 12. Aksenov I. I. A vacuum arc in erosion plasma sources. — Kharkiv: NSC KIPT, 2005. — 212 p.

Программно-аппаратный комплекс для оптимизации транспортирующих свойств вакуумно-дуговых фильтров

Репозитарії

Схожі ресурси