Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми

Вступ. Ерозійні джерела плазми забезпечують високопродуктивне формування іонно-плазмових потоків шляхом випарювання матеріалу електродів та мають широке застосування у науці й промисловості для синтезу різноманітних покриттів, модифікації поверхні матеріалів та створення джерел заряджених частинок....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наука та інновації
Дата:	2019
Автори:	Гончаров, О.А., Баженов, В.Ю., Добровольський, А.М., Проценко, І.М., Найко, І.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Теми:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174050
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:	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми / О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 35-46. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174050
record_format	dspace
spelling	Гончаров, О.А. Баженов, В.Ю. Добровольський, А.М. Проценко, І.М. Найко, І.В. 2020-12-30T18:33:13Z 2020-12-30T18:33:13Z 2019 Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми / О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 35-46. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin15.04.035 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174050 Вступ. Ерозійні джерела плазми забезпечують високопродуктивне формування іонно-плазмових потоків шляхом випарювання матеріалу електродів та мають широке застосування у науці й промисловості для синтезу різноманітних покриттів, модифікації поверхні матеріалів та створення джерел заряджених частинок. Проблематика. На сьогодні проблемою у створенні високоякісних покриттів є їх обмежена однорідність, що зумовлено присутністю мікрокрапельної фази в іонно-паровому потоці ерозійних джерел плазми. Мета. Створення нового покоління ерозійних плазмових джерел, зокрема, вакуумно-дугових, вільних від мікрокрапель, для ефективного синтезу високоякісних покриттів с заданими функціональними властивостями. Матеріали й методи. Для створення джерел чистої металевої плазми було запропоновано та реалізовано оригінальну ідею використання аксіально-симетричної плазмооптичної системи для введення додаткової енергії у потік щільної багатокомпонентної металевої плазми за рахунок ефективного самоузгодженого утворення швидких електронів. Такі енергетичні електрони здатні ефективно впливати на плазмовий потік, що проходить крізь систему, випаровуючи та руйнуючи мікрокраплі, які суттєво обмежують використання ерозійних джерел щільної плазми для технологічних розробок. Результати. Розроблено концептуальний проект комбінованого джерела, яке містить у одному пристрої вакуумно-дугове плазмове джерело та аксіально-симетричну циліндричну електростатичну плазмооптичну лінзу. Запропонована розробка є оригінальною та не має аналогів у світі. Висновки. Наведені результати дослідження відкривають широку перспективність практичного застосування запропонованої ідеї для усунення небажаних мікровключень зі збереженням перенесення маси у потоці металевої плазми, що формується вакуумно-дуговим джерелом. Поєднання плазмової лінзи з вакуумно-дуговим джерелом іонів відкриває нові можливості керування низькоенергетичним плазмовим потоком, що розповсюджується у напрямку до підкладки (при нанесенні плівок) або емісійної сітки (при генерації іонного пучка). Introduction. Erosion sources of plasma provide a highly productive formation of ion-plasma streams by evaporating the electrode material and have been widely used in science and industry for synthesizing various coatings, modifying material surfaces, and for creating the sources of charged particles. Problem Statement. At present, the main problem in creating high-quality coatings is their limited homogeneity due to the presence of the microdroplet phase in ion-vapor stream of erosion plasma sources. Purpose. To create a new generation of erosion plasma sources, particularly, of vacuum arc-type ones that are free of microdroplets in order to efficiently synthesize high-quality coatings with predetermined functional properties. Materials and Methods. For creating sources of pure metal plasma, an original idea based on the use of axially symmetric plasma-optical system for introducing additional energy into a flow of dense multi-component metal plasma due to efficient self-sustained generation of fast electrons has been proposed. Such energetic electrons are able to effect the plasma flow passing through the system and, particularly, to evaporate and to eliminate microdroplets that essentially limit the use of erosion dense plasma sources for technological developments. Results. Conceptual design of combined source containing vacuum arc plasma source and axially symmetric cylindrical electrostatic plasma-optical lens in a single device has been created. The designed hardware does not have analogs worldwide. Conclusions. The research has opened up wide prospects for practical application of the proposed idea for removal undesired micro-impurities while keeping the mass transfer in metal plasma flow formed by vacuum arc source. Combination of plasma lens with vacuum arc ion source enables controlling low energy plasma flow towards the substrate (i.e., film deposition) or towards emission grid (i.e., ion beam generation). Введение. Эрозионные источники плазмы обеспечивают высокопроизводительное формирование ионно-плазменных потоков путем испарения материала электродов и широко используются в науке и промышленности для синтеза различных покрытий, модификации поверхности материалов и создания источников заряженных частиц. Проблематика. В настоящее время проблемой в создании высококачественных покрытий является их ограниченная однородность, что обусловлено присутствием микрокапельной фазы в ионно-паровом потоке эрозионных источников плазмы. Цель. Создание нового поколения эрозионных источников плазмы, в частности, вакуумно-дуговых, свободных от микрокапель для эффективного синтеза высококачественных покрытий с заданными функциональными свойствами. Материалы и методы. Для создания источников чистой металлической плазмы была предложена и реализована оригинальная идея использования аксиально-симметричной плазмооптической системы для введения дополнительной энергии в поток плотной многокомпонентной металлической плазмы за счет самосогласованного создания быстрых электронов. Такие энергетические электроны способны эффективно влиять на плазменный поток, проходящий через систему, в частности, испарять и разрушать микрокапли, существенно ограничивающие использование эрозионных источников для технологических разработок. Результаты. Разработан концептуальный проект комбинированного источника, содержащего в одном устройстве вакуумно-дуговой источник плазмы и аксиально-симметричную цилиндрическую электростатическую плазмооптическую линзу. Предложенная разработка является оригинальной и не имеет аналогов в мире. Выводы. Приведенные результаты исследования дают широкие перспективы практического применения предложенной идеи для устранения нежелательных микровключений при сохранении массопереноса в потоке металлической плазмы, формируемой вакуумно-дуговым источником. Объединение плазменной линзы и вакуумно-дугового пламенного источника открывает новые возможности для управления низкоэнергетическим плазменным потоком, распространяющимся по направлению к подложке (при нанесении пленок) или эмиссионной сетке (при генерации ионного пучка). Роботу виконано за програмою Наукового приладобудування НАН України за проектом П13/16-18 і частково за Цільовою комплексною програмою «Перспективні дослідження з фізики плазми, керованого термоядерного синтезу та плазмових технологій» за проектом Пл-18. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми Recent Advances in the Development of Erosion Sources of Plasma Новейшие достижения в разработке эрозионных источников плазмы Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
spellingShingle	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми Гончаров, О.А. Баженов, В.Ю. Добровольський, А.М. Проценко, І.М. Найко, І.В. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
title_short	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
title_full	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
title_fullStr	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
title_full_unstemmed	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
title_sort	новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми
author	Гончаров, О.А. Баженов, В.Ю. Добровольський, А.М. Проценко, І.М. Найко, І.В.
author_facet	Гончаров, О.А. Баженов, В.Ю. Добровольський, А.М. Проценко, І.М. Найко, І.В.
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
publishDate	2019
language	Ukrainian
container_title	Наука та інновації
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Recent Advances in the Development of Erosion Sources of Plasma Новейшие достижения в разработке эрозионных источников плазмы
description	Вступ. Ерозійні джерела плазми забезпечують високопродуктивне формування іонно-плазмових потоків шляхом випарювання матеріалу електродів та мають широке застосування у науці й промисловості для синтезу різноманітних покриттів, модифікації поверхні матеріалів та створення джерел заряджених частинок. Проблематика. На сьогодні проблемою у створенні високоякісних покриттів є їх обмежена однорідність, що зумовлено присутністю мікрокрапельної фази в іонно-паровому потоці ерозійних джерел плазми. Мета. Створення нового покоління ерозійних плазмових джерел, зокрема, вакуумно-дугових, вільних від мікрокрапель, для ефективного синтезу високоякісних покриттів с заданими функціональними властивостями. Матеріали й методи. Для створення джерел чистої металевої плазми було запропоновано та реалізовано оригінальну ідею використання аксіально-симетричної плазмооптичної системи для введення додаткової енергії у потік щільної багатокомпонентної металевої плазми за рахунок ефективного самоузгодженого утворення швидких електронів. Такі енергетичні електрони здатні ефективно впливати на плазмовий потік, що проходить крізь систему, випаровуючи та руйнуючи мікрокраплі, які суттєво обмежують використання ерозійних джерел щільної плазми для технологічних розробок. Результати. Розроблено концептуальний проект комбінованого джерела, яке містить у одному пристрої вакуумно-дугове плазмове джерело та аксіально-симетричну циліндричну електростатичну плазмооптичну лінзу. Запропонована розробка є оригінальною та не має аналогів у світі. Висновки. Наведені результати дослідження відкривають широку перспективність практичного застосування запропонованої ідеї для усунення небажаних мікровключень зі збереженням перенесення маси у потоці металевої плазми, що формується вакуумно-дуговим джерелом. Поєднання плазмової лінзи з вакуумно-дуговим джерелом іонів відкриває нові можливості керування низькоенергетичним плазмовим потоком, що розповсюджується у напрямку до підкладки (при нанесенні плівок) або емісійної сітки (при генерації іонного пучка). Introduction. Erosion sources of plasma provide a highly productive formation of ion-plasma streams by evaporating the electrode material and have been widely used in science and industry for synthesizing various coatings, modifying material surfaces, and for creating the sources of charged particles. Problem Statement. At present, the main problem in creating high-quality coatings is their limited homogeneity due to the presence of the microdroplet phase in ion-vapor stream of erosion plasma sources. Purpose. To create a new generation of erosion plasma sources, particularly, of vacuum arc-type ones that are free of microdroplets in order to efficiently synthesize high-quality coatings with predetermined functional properties. Materials and Methods. For creating sources of pure metal plasma, an original idea based on the use of axially symmetric plasma-optical system for introducing additional energy into a flow of dense multi-component metal plasma due to efficient self-sustained generation of fast electrons has been proposed. Such energetic electrons are able to effect the plasma flow passing through the system and, particularly, to evaporate and to eliminate microdroplets that essentially limit the use of erosion dense plasma sources for technological developments. Results. Conceptual design of combined source containing vacuum arc plasma source and axially symmetric cylindrical electrostatic plasma-optical lens in a single device has been created. The designed hardware does not have analogs worldwide. Conclusions. The research has opened up wide prospects for practical application of the proposed idea for removal undesired micro-impurities while keeping the mass transfer in metal plasma flow formed by vacuum arc source. Combination of plasma lens with vacuum arc ion source enables controlling low energy plasma flow towards the substrate (i.e., film deposition) or towards emission grid (i.e., ion beam generation). Введение. Эрозионные источники плазмы обеспечивают высокопроизводительное формирование ионно-плазменных потоков путем испарения материала электродов и широко используются в науке и промышленности для синтеза различных покрытий, модификации поверхности материалов и создания источников заряженных частиц. Проблематика. В настоящее время проблемой в создании высококачественных покрытий является их ограниченная однородность, что обусловлено присутствием микрокапельной фазы в ионно-паровом потоке эрозионных источников плазмы. Цель. Создание нового поколения эрозионных источников плазмы, в частности, вакуумно-дуговых, свободных от микрокапель для эффективного синтеза высококачественных покрытий с заданными функциональными свойствами. Материалы и методы. Для создания источников чистой металлической плазмы была предложена и реализована оригинальная идея использования аксиально-симметричной плазмооптической системы для введения дополнительной энергии в поток плотной многокомпонентной металлической плазмы за счет самосогласованного создания быстрых электронов. Такие энергетические электроны способны эффективно влиять на плазменный поток, проходящий через систему, в частности, испарять и разрушать микрокапли, существенно ограничивающие использование эрозионных источников для технологических разработок. Результаты. Разработан концептуальный проект комбинированного источника, содержащего в одном устройстве вакуумно-дуговой источник плазмы и аксиально-симметричную цилиндрическую электростатическую плазмооптическую линзу. Предложенная разработка является оригинальной и не имеет аналогов в мире. Выводы. Приведенные результаты исследования дают широкие перспективы практического применения предложенной идеи для устранения нежелательных микровключений при сохранении массопереноса в потоке металлической плазмы, формируемой вакуумно-дуговым источником. Объединение плазменной линзы и вакуумно-дугового пламенного источника открывает новые возможности для управления низкоэнергетическим плазменным потоком, распространяющимся по направлению к подложке (при нанесении пленок) или эмиссионной сетке (при генерации ионного пучка).
issn	1815-2066
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174050
citation_txt	Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми / О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 35-46. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT gončarovoa novítnídosâgnennâvrozrobcíerozíinihdžerelplazmi AT baženovvû novítnídosâgnennâvrozrobcíerozíinihdžerelplazmi AT dobrovolʹsʹkiiam novítnídosâgnennâvrozrobcíerozíinihdžerelplazmi AT procenkoím novítnídosâgnennâvrozrobcíerozíinihdžerelplazmi AT naikoív novítnídosâgnennâvrozrobcíerozíinihdžerelplazmi AT gončarovoa recentadvancesinthedevelopmentoferosionsourcesofplasma AT baženovvû recentadvancesinthedevelopmentoferosionsourcesofplasma AT dobrovolʹsʹkiiam recentadvancesinthedevelopmentoferosionsourcesofplasma AT procenkoím recentadvancesinthedevelopmentoferosionsourcesofplasma AT naikoív recentadvancesinthedevelopmentoferosionsourcesofplasma AT gončarovoa noveišiedostiženiâvrazrabotkeérozionnyhistočnikovplazmy AT baženovvû noveišiedostiženiâvrazrabotkeérozionnyhistočnikovplazmy AT dobrovolʹsʹkiiam noveišiedostiženiâvrazrabotkeérozionnyhistočnikovplazmy AT procenkoím noveišiedostiženiâvrazrabotkeérozionnyhistočnikovplazmy AT naikoív noveišiedostiženiâvrazrabotkeérozionnyhistočnikovplazmy
first_indexed	2025-11-24T16:49:15Z
last_indexed	2025-11-24T16:49:15Z
_version_	1850487322572750848
fulltext	35 О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко Інститут фізики НАН України, просп. Науки, 46, Київ, 03028, Україна, +380 44 525 2329, gonchar@iop.kiev.ua НОВІТНІ ДОСЯГНЕННЯ В РОЗРОБЦІ ЕРОЗІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ПЛАЗМИ © ГОНЧАРОВ О.А., БАЖЕНОВ В.Ю., ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ А.М., ПРОЦЕНКО І.М., НАЙКО І.В., 2019 Вступ. Ерозійні джерела плазми забезпечують високопродуктивне формування іонно-плазмових потоків шля- хом випарювання матеріалу електродів та мають широке застосування у науці й промисловості для синтезу різно- манітних покриттів, модифікації поверхні матеріалів та створення джерел заряджених частинок. Проблематика. На сьогодні проблемою у створенні високоякісних покриттів є їх обмежена однорідність, що зу- мовлено присутністю мікрокрапельної фази в іонно-паровому потоці ерозійних джерел плазми. Мета. Створення нового покоління ерозійних плазмових джерел, зокрема, вакуумно-дугових, вільних від мікро- крапель, для ефективного синтезу високоякісних покриттів с заданими функціональними властивостями. Матеріали й методи. Для створення джерел чистої металевої плазми було запропоновано та реалізовано ори- гінальну ідею використання аксіально-симетричної плазмооптичної системи для введення додаткової енергії у потік щільної багатокомпонентної металевої плазми за рахунок ефективного самоузгодженого утворення швидких елект- ронів. Такі енергетичні електрони здатні ефективно впливати на плазмовий потік, що проходить крізь систему, ви- паровуючи та руйнуючи мікрокраплі, які суттєво обмежують використання ерозійних джерел щільної плазми для технологічних розробок. Результати. Розроблено концептуальний проект комбінованого джерела, яке містить у одному пристрої вакуум- но-дугове плазмове джерело та аксіально-симетричну циліндричну електростатичну плазмооптичну лінзу. Запро- понована розробка є оригінальною та не має аналогів у світі. Висновки. Наведені результати дослідження відкривають широку перспективність практичного застосування за- пропонованої ідеї для усунення небажаних мікровключень зі збереженням перенесення маси у потоці металевої плазми, що формується вакуумно-дуговим джерелом. Поєднання плазмової лінзи з вакуумно-дуговим джерелом іонів відкриває нові можливості керування низькоенергетичним плазмовим потоком, що розповсюджується у на- прямку до підкладки (при нанесенні плівок) або емісійної сітки (при генерації іонного пучка). К л ю ч о в і с л о в а: ерозійне джерело плазми, щільна плазма, плазмооптична система, мікрокраплі. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15(4), 35—46 https://doi.org/10.15407/scin15.04.035 Ерозійні джерела плазми — це широкий клас джерел іонно-плазмових потоків, зокре- ма вакуумно-дугові та з генерацією лазером, що широко використовуються у науці та про- мисловості для синтезу різноманітних покрит- тів та створення джерел заряджених часток. Ерозійні джерела плазми знаходять застосу- вання в індустріальних методах модифікації поверхні конструктивних та декоративних ма- теріалів. Водночас, їх використання у створен- ні високоякісних покриттів, особливо з висо- кою однорідністю на нанорівні та покриттів для оптичних застосувань, обмежується при- сутністю в потоці мікрокрапельної фази. Проб- лемі присутності мікровключень в іонно-па- ровому потоці ерозійних джерел плазми (ва- куумно-дугових) та його очищення від них, ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 36 присвячено чимало наукових та технічних до- сліджень [1—6], де охарактеризовано основні схеми фільтрів та способи запобігання присут- ності крапельної фази у робочому потоці. Про- те, наявні системи фільтрації, будуються, го- ловним чином, на сепарації (видаленні) речо- вини крапельної фази з потоку. Такий підхід викликає суттєву втрату продуктивності тех- нологічного процесу. В Інституті фізики НАН України (IФ НАНУ) було запропоновано ідею побудови системи фільтрації, що не передбачає видалення ре- човини крапельної фази з потоку, а, навпаки, полягає у збагачені продуктивності іонно- плазмової обробки. Ключовим моментом за- значеної розробки є введення за допомогою пучка швидких електронів додаткової енергії у потік металевої плазми, що проходить крізь сис- тему, задля ефективного випаровування та руй- нування мікрокрапель. Такі енергетичні елек- трони можуть формуватися самоузгоджено при проходженні плазмового потоку завдяки вто- ринній іонно-електронній емісії з циліндрич- них електродів плазмооптичної системи. Плазмооптичні системи (плазмові лінзи), що ґрунтуються на фундаментальній плазмо- динамічній ідеї магнітної ізоляції електронів та еквіпотенціалізації силових ліній ізолюю- чого магнітного поля, успішно зарекоменду- вали себе під час фокусування та керування сильнострумовими пучками іонів та іонно- плазмовими потоками [7]. Використання та- ких систем у режимі генерації швидких елек- тронів може бути перспективним для вико- ристання як модифікованих плазмооптичних фільтрів, здатних для усунення мікрокапель з потоків ерозійних плазмових джерел. Теоретичні припущення та експерименталь- ні демонстрації, проведені в IФ НАНУ, пока- зали, що запропонована ідея для усунення мік- рокрапель є інноваційною та ефективною при розробці новітньої плазмової системи для фільт- рації мікрокрапель (або зменшення їх до нано- рівня) з потоку щільної металевої плазми, що утворюється джерелами ерозійної плазми, та- кими як вакуумна дуга та джерело лазерної плазми. На сьогоднішньому етапі досліджен- ня в експериментах використано вакуумно-ду- гові джерела плазми. Перші наукові результа- ти, що свідчать про перспективність та висо- кий практичний потенціал цієї ідеї, наведено в циклі робіт [8—12]. Нижче викладено результати досліджень різ- них режимів роботи системи вакуумно-дуго- во го джерела плазми з плазмооптичним фільт- ром, які спричинили появу концептуального проекту оптимізованої збірки «вакуумно-ду- го ве плазмове джерело — модифікована ци- ліндрична плазмова лінза з нееквіпотенціаль- ними електродами». Після того, як в роботі [1] було детально розглянуто всі можливі енергетичні канали взаємодії часток багатокомпонентної плазми з рідкими металевими макрочастинками з ти- повими діаметрами 1—10 мкм, було висловле- но припущення, що за рахунок власних ресур- сів плазмовий потік від вакуумної дуги не може випарювати краплі в процесі транспор- тування на підкладку при нанесенні покриттів та синтезі тонких плівок. Не зосереджуючись на подробицях різних пропозицій щодо вве- Рис. 1. Схематичне зображення системи для усунення мікрокрапель з плазмового потоку: C — катод; A — анод; D — діафрагма; MC — магнітна котушка; М — магнітні си- лові лінії;  — просторовий шар, в якому утворюється сильне електричне поле; C1 — циліндричний електрод, який утворює електронний пучок під дією вторинної іон- електронної емісії; S — підкладка для нанесення покриття C A D B B M S MC C1  ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми 37 дення додаткової енергії у потік низькотем- пературної щільної плазми, нижче наведено суть запропонованого оригінального та фізич- но прозорого підходу. Схематичне зображення новітньої плазмо-оптичної системи з викорис- танням електронного пучка для ефективного усунення мікрокрапель у потоці металевої плазми, що розповсюджується у системі, наве- дено на рис. 1. Сильно іонізована багатоком- понентна плазма з мікрокраплями утворюєть- ся вакуумно-дуговим джерелом з катодом C і анодом A. Зазвичай, перед виходом з апертури джерела, потік проходить через кілька екра- нів. Екрани та апертура типово присутні у та- ких пристроях та видаляють певну частину крапель. Відразу після апертури потік потрап- ляє у плазмооптичний пристрій. Прикладення від’ємного потенціалу на центральний елект- род С1 призводить до формування шару з силь- ним електричним полем, яке, головним чином, спрямовано у напрямку радіусу. Суттєво мен- ше електричне поле проникає всередину пото- ку металевої плазми. Такі умови призводять до формування біля електроду С1 просторово- го шару товщиною  << e ≡ eEr/meHe 2 з вели- ким радіальним електричним полем Er. Заува- жимо, що система знаходиться в магнітному полі, у якому повинні задовольнятися відпо- відні нерівності He << D << Hi. Тут He та Hi — ларморівські радіуси електронів та іонів, D — діаметр фільтру. При цьому електрони у об’ємі системи замагнічуються, а іони — не замагні- чуються. Для типових умов від’ємний потен- ціал —1—3 кВ, прикладається до центральних циліндричних електродів системи. Внаслідок цього, вторинна іонно-електронна емісія ут- ворює електронний пучок зі швидкістю Vb = = (2eU/me) 1/2 та щільністю струму jb = ji, де  — коефіцієнт вторинної іонно-електронної емі- сії. Цей електронний пучок формується само- узгодженим чином у тонкому шарі <<e = = Vb/He при проходженні плазмового потоку завдяки частині іонів плазми, які прискорю- ються у цьому шарі в напрямку центрального електроду. Оцінювання показують, що для ти- пових параметрів плазмового потоку, який фор- мується вакуумно-дуговим джерелом, енергія іонів у потоці становить i  20–60 еВ, а тем- пература електронів плазми Te та їх щільність n0 дорівнюють Te  2–4 еВ, n0 = 1011–1012 см—3 відповідно. Для циліндричних електродів фільт- ру діаметром 70 мм та магнітних полів 200— 400 ерстед вказані нерівності строго викону- ються в широкому діапазоні експерименталь- них умов. Таким чином, електронний пучок, що фор- мується на внутрішній поверхні центрально- го циліндричного електроду плазмооптично- го фільтру, буде вносити в об’єм плазмового потоку, що розповсюджується, суттєву части- ну енергії, яка перевищує всю енергію, нако- пи чену в іонах та електронах плазми. Цей пу- чок під дією пружних та непружних зіткнень з нейтральними атомами та зарядженими част- ками плазми у схрещених електричних та маг- нітних полях спрямовується до осі системи. При цьому електрони пучка можуть зіштовху- ватися з металевими краплями, і таким чином випарювати та руйнувати їх. Рис. 2. Схема експериментальної установки: 1 — вакуум- на камера; 2 — катод вакуумно-дугового джерела; 3 — ізолююче кільце; 4 — електромеханічний електрод під- палу; 5 — анод вакуумно-дугового джерела; 6 — система постійних магнітів та магнітопроводу фільтра; 7 — елект- роди фільтра; 8 — силові лінії магнітного поля, що за- микають попарно з’єднані крайні електроди фільтра; 9 — підкладка; 10 — радіальний зонд. Джерело ізольова- но від камери Вхідний потік робочого газу Відкачка 1 10 9 8 7 N N S S 6 2 3 4 5 ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 38 Для експериментальної перевірки дієвості та перспективності нової ідеї очищення бага- токомпонентного плазмового потоку метале- вої плазми від мікрокрапель було використано пристрій, схему якого наведено на рис. 2. Засто- совано вакуумно-дугову систему безперерв ної дії типу «Булат». Струм дугового розряду ста- новив 60—80 A, напруга на розряді — 22 В при напруженості магнітного поля у фільтрі B = 0 Гс та 30 В при B = 360 Гс. Діаметр мідного катоду — 20 мм. Підкладка для нанесення покриття з нержавіючої сталі мала площу 1 см2 та знахо- дилась під від’ємним потенціалом —200 В, а від- стань від катоду до підкладки складала 250 мм. Час нанесення покриття — 3 хв. У експериментальному пристрої як фільтр для мікрокрапель було застосовано плазмооп- тичний фільтр з трьома електродами, при цьо- му крайні електроди було з’єднано та заземле- но, а до центрального електроду прикладався від’ємний потенціал —1—1,5 кВ. Магнітне по- ле з індукцією на осі системи 360 Гс створю- валося за допомогою постійних магнітів. Дов- жина фільтру — 15 см, внутрішній діаметр елект- родів — 68 мм, ширина центрального електро- ду — 69 мм, крайніх — по 25 мм. Зразки з нанесеною плівкою міді досліджу- вали за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СЕМ). Зображення для різних ре- жимів роботи фільтру наведено на рис. 3. Про- слідковується ефект суттєвого зменшення кіль- кості мікрокрапель як у режимі з магнітним по - лем, так і без нього, тобто, у режимі порожнис- того катоду. Слід також зауважити, що спосте- рігається зменшення діаметру великих кра пель після проходження плазмооптичного фільтру. Експерименти з першим варіантом плазмо- оптичного фільтру виявили певні недоліки його конструкції. Зокрема, виникло питання дослідження впливу магнітного поля на робо- чі характеристики фільтру. Також конструк- ція електродної системи не дозволяла гнучко варіювати розподіл прикладеного потенціалу до електродів фільтру. Все це спричинило вдо- сконалення його конструкції та переходу на імпульсно-періодичний режим роботи з ме- тою проведення системних експерименталь- них досліджень. Застосування наявного програмного забез- печення та набутого раніше досвіду конструю- вання плазмооптичних систем дозволило ство-Рис. 4. Варіант вдосконаленого плазмооптичного фільтру Рис. 3. Ефект руйнування мікрокрапель міді на поверхні зразків (видима площа 250 × 330 μm) (СЕМ): а — фільтр вимкнено; б — фільтр в режимі U = –1000 В, B = 0; в — фільтр в режимі U = –1000 В, B = 360 Гс a б в 100 мкм 100 мкм 100 мкм ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми 39 рити прилад, що містить на зовнішньому боці магнітопровід з постійними магнітами та сис- тему підводів потенціалу до електродів елек- тродної системи (рис. 4). Магнітопровід ви- конано з магніто-м’якого заліза та постійних магнітів з Nd-Fe-B. Індукція магнітного поля на поверхні одного магніту у формі паралеле- піпеду становить в середньому 0,3 Т. Система має шість проміжків для встановлення окре- мих постійних магнітів товщиною до 10 мм та поперечною площиною до 20 × 20 мм. Встав- ки з магніто-м’якого заліза забезпечують ство- рен ня суцільного однорідного поля у велико- му об’ємі. Систему електродів фільтру виконано з не- магнітних матеріалів. Електроди, підводи до них та конструкційні стяжки виконано з не- ржавіючої немагнітної сталі. Ізоляційні встав- ки — з оргскла та фторопласту. На схемі уста- новки (рис. 5) зображено розташування ізо- ляційних вставок складної форми, що повин- ні усувати ризики короткого замикання між електродами під високим потенціалом та за- земленими за рахунок осадження на стінках каналу металевої плазми з матеріалу катоду. Канал транспортування низькоенергетичної плазми утворюється шістьма парами елект- родів та діелектриком між ними. Електроди мають різну ширину та окремі підводи до кож- ної пари. Вони розташовані симетрично від- носно середньої площини лінзи. Велика кіль- кість електродів дозволяє гнучко підбирати форму розподілу потенціалу вздовж стінки транспортного каналу. Дві середні пари елект- Рис. 5. Схема об’єднаної збірки «вакуумно-дугове джерело плазми–вдосконалений плазмо- оптичний фільтр». Внутрішній діаметр електродів фільтру дорівнює 80 мм Ізолятор Електрод підпалу Катод дугового розряду Анод дугового розряду Система електродів плазмової лінзи Система постійних магнітів Система ізоляторів ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 40 родів розташовано в межах ділянки однорід- ного магнітного поля. Інші пари — в межах градієнтної ділянки, що збільшує гнучкість системи в цілому. Дослідження показали, що найбільш пер- спективною для подальшого конструювання практично привабливого технологічного при- строю є об’єднана збірка «плазмове джерело— плазмова лінза», яка являє собою аксіаль- но-симетричну систему з ерозійного джерела ва куумно-дугової плазми та плазмооптичної лінзи на постійних магнітах, що дозволяє ство- рювати схрещені електричні та магнітні поля, які суттєво впливають на параметри поши- рюваного іонно-плазмового потоку. Також було внесено зміни у режим роботи вакуумно-дугового джерела плазми, а саме, здійснено перехід від безперервного режиму до імпульсно-періодичного з окремим елект- рофізичним електродом підпалу. Електрофі- зичні параметри джерела: струм розряду 100— 300 А; тривалість імпульсу 100—300 мкс; пе- ріод повторення імпульсів 1—5 с; залишковий тиск у вакуумній камері 1,5 × 10—6 Тор; робо- чий газ аргон міг додаватись до тиску 1 × 10–4 Тор; катод з міді (Ø 6 мм) або титану (Ø 18 мм). Варто зауважити, що в цьому випадку було ви- користано катодний блок загально відомого джерела важких металевих іонів типу MEVVA (metal, vapor, vacuum arc). Головні параметри плазмооптичної системи були такими: магніт- не поле з індукцією B = 300 Гс на осі створе- но системою постійних магнітів; від’ємний потенціал на центральному електроді фільт- ру змінювався до —3 кВ; крайні електроди були заземлені; внутрішній діаметр електро- дів фільтру становив 80 мм, а його довжина — 14 см; плазмовий потік після проходження фільтру досліджували за допомогою секціо- нованого колектору, який складався із чоти- рьох незалежних колекторів кільцевої форми. При цьому анодом вакуумно-дугового джерела слу гував найближчий до катоду крайній елек- трод фільтру. Результати плазмодинамичних досліджень розповсюдження щільного низкотемператур- ного іонно-плазмового потоку у розробленій системі наведено на рис. 6. Вони є усередне- ними даними вимірів шести плазмових ім- пульсів, нуль z-вісі відповідає вихідній пло- щині лінзи. В той час, як плазма у вільному просторі розповсюджується з суттєвою роз- біжністю, отримані експериментальні резуль- тати свідчать, що, для певного діапазону тис ку газу та прикладеного до центрального елект- роду потенціалу, переважна частина плазмо- вого потоку проходить плазмооптичний фільтр наскрізь. Більш того, при зазначених умовах експерименту ця система здійснює фокусу- вання плазмового потоку, що особливо яск ра- во прояв ляється у випадку плаваючого потен- ціалу на центральному електроді, і, на нашу думку, зумовлено формуванням самоузгод- женого розподілу фокусуючого електричного потенціалу в об’ємі плазмового потоку. При цьому спостерігається утворення додаткового перепаду потенціалу біля +10 В на централь- ному електроді, цілком достатнього для фоку- сування низькоенергетичного іонно-плаз мо- во го потоку з енергією 20—30 еВ. Також можна спостерігати фокусування плаз- мового потоку на виході лінзи у випадку при- кладення від’ємного потенціалу до цент раль- 120 80 40 0 100 200 2 Z, мм J, м А /с м 160 +50 В –400 В Плаваючий Рис. 6. Залежність щільності струму іонів міді на колек- тор J від його відстані Z від вихідної площини плазмооп- тичного фільтру (струм розряду — 100 A, залишковий тиск — 1,5 × 10—6 Тор, магнітна індукція — 0,03 T) ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми 41 ного електроду лінзи (напруга живлення — 500 В, дійсний потенціал на центральному електроді близько — 400 В). Це може бути зу- мовлено генерацією швидких електронів зав- дяки вторинній емісії при падінні іонів на внутрішню поверхню центрального електро ду лінзи. Ці електрони разом з повільними плаз- мовими електронами можуть накопичуватися на осі та забезпечувати фокусування іонів по- току за рахунок поляризаційного ефекту. В чистому плазмооптичному режимі, коли напруга живлення центрального електроду становила +500 В (при цьому дійсний потен- ціал на центральному електроді був лише біля +50 В), плазмооптичний ефект фокусування був слабшим, порівняно з іншими розгляну- тими випадками. Причиною цього може бути уск ладнена конфігурація системи в зв’язку з тим, що центральний електрод стає другим анодом вакуумно-дугового розряду. З метою перевірки ефективності роботи вдосконаленого плазмооптичного фільтру оса- дження плівок міді було виконано як для пов- ністю відключеного фільтра, так і для фільтра без магнітного поля. В останньому випадку сис тема електродів фільтру формує умови ви- никнення несамостійного або самостійного, за лежно від тиску в камері, розряду типу по- рожнистий катод. Електрони в такому розряді також можуть мати енергію рівня різниці при- кладених до розрядного проміжку потенціалів і у зіткненнях з мікрокраплями руйнувати їх. Поверхню осаджених шарів досліджували за допомогою оптичного мікроскопу. Поверхні зразків під мікроскопом мають різний вигляд для різних робочих режимів плазмооптичного фільтру (рис. 7). Можна бачити, що кількість крапель суттєво зменшується у обох випадках застосування фільтру. Зменшується і макси- мальний розмір крапель, що досягають поверх- ні зразка. Більш ефективного руйнування кра- пельної фази можна досягти при подальшій оп- тимізації параметрів фільтру. Для перевірки ефективності фільтрації плаз- мового потоку іонів тугоплавких металів у розробленій системі матеріал катоду було змі- нено на титан. Для дослідження мікрокрапель титану на поверхні зразка використовували 3 типи підкладок: стандартне предметне скло мікроскопа, органічне та кварцове скло. Візуаль- не дослідження поверхні зразків за однакових умов обробки показало більшу кількість мік- рокрапель на поверхні підкладки з кварцово - го скла. На інших поверхнях, окрім меншої загальної кількості крапель, було виявлено слі ди від мікрокрапель, які потрапили на по- верхню, але не втримались на ній. Найбільш ймовірною причиною утримання крапель на поверхні кварцового скла є незначний коефі- цієнт його термічного розширення. Завдяки цьому, навіть при значному температурному стресі (охолодженні титанової краплі від роз- плавленого стану до нормальних умов), крап- лі залишаються на поверхні. З урахуванням Рис. 7. Поверхня зразків за різних робочих режимів вдосконаленого плазмооптичного фільтру (отримано із засто- суванням оптичного мікроскопа): а — фільтр вимкнено; б — фільтр в режимі U = –2000 В, B = 0; в — фільтр в режи- мі U = –2000 В, B = 300 Гс a б в 100 мкм 100 мкм 100 мкм B = 0; U = 0 B = 0; U = –2 kV B = 0,03T; U = –2 kV ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 42 Рис. 8. Гістограма розподілу мікрокрапель титану за роз- міром у системі «вакуумно-дугове джерело плазми — вдоско налений плазмооптичний фільтр»: а — фільтр вимкнено; б — фільтр в режимі U = —1800 В, B = 0. Роз- мір крапель розраховано з використанням коефіцієнту відбиття титану R = 0,5 зазначеного, в подальшому для досліджень використовували виключно підкладки з квар- цового скла. Для порівняння результатів різних умов дослідження (фільтр вимкнено/увімкнено) ви користано однакові параметри роботи ва- куумно-дугового джерела: струм розряду 120 А, тривалість імпульсу 1 мс, частота повторення 1 Гц, кількість імпульсів близько 9000 (2,5 го- дини безперервної роботи), тиск робочого га- зу аргону 5 × 10–4 Тор. При використанні плаз- мооптичного фільтру для очищення плазмо- вого потоку від мікрокрапель струм розряду з порожнистим катодом складав близько 3,5 А, напруга на катоді розряду — близько —1,8 кВ. Початкові спостереження наявності мікро- крапель титану показали достатньо малу їх кількість (порівняно з експериментами з мід- дю) навіть при вимкненому фільтрі. Найбільш ймовірно, це спричинено більш високою туго- плавкістю титану, порівняно з міддю. Завдяки цьому при однаковому енерговкладі у дуго вий розряд на мідному катоді візуально підтвер- джено одночасне існування декількох плям, в той час як на титановому катоді спостерігалась лише одна пляма. Таким чином, найбільш ра- ціональна процедура підрахунку крапель під мікроскопом вимагала значно більшого поля зору, і, відповідно, меншого збільшення порів- няно з варіантом дослідження з міддю. Воче- видь, при цьому також погіршувалася розділь- на здатність, що робило малі краплі непоміт- ними при використанні стандартної схеми спо- стереження з наскрізним освітленням. Тому виникла необхідність використання іншого способу підрахунку, який б дозволив визна- чати краплі, менші за роздільну здатність мік- роскопа. Головним принципом роботи методу отри- мання зображення поверхні є реєстрація від- биття світла від мікрокрапель на чорному тлі. Прецизійне фокусування оптичного мікро- скопа здійснювалося шляхом отримання міні- мального розміру дифракційно обмежених зоб- ражень малих крапель. Використання збіль- шення системи × 10 (об’єктив з апертурою 0,2) та цифрової камери Canon 350D з розміром сенсора 15 × 22,5 мм дозволило здійснювати одночасну реєстрацію крапель у достатньо ве- ликому полі зору (1,5 × 2,25 мм) і таким чином покращити якість статистичного аналізу. Роз- дільна здатність складала близько 1,5 мкм у площині зображення. Яскравість світла, відбитого від поверхні крапель, більших за роздільну здатність, не за- лежить від розміру краплі B = B0R, де B0 — яскравість джерела, R — коефіцієнт відбиття титану. Для крапель, менших за роздільну здатність, видима яскравість зменшується від- повідно до B  B0R(d/DRES) 2, де d — діаметр краплі, DRES — роздільна здатність системи. Та- ким чином, аналіз зображення зразка на чор- ному тлі дозволяє підрахувати краплі, більші за DRES та отримати розподіл за розміром для менших крапель. 8 6 4 2 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 D, мкм а D, мкм б N 10 8 6 4 2 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 N 10 ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми 43 Процедура обробки зображення з цифрової камери була наступною: 1) перетворення RAW файла у 16-розрядний TIFF (градації сірого) з гаммою 0.5 (UFRAW freeware) для отримання гістограм розподілу за діаметром; 2) відбір по одному пікселю на кожний мак- симум інтенсивності (ImageJ freeware); 3) побудова гістограми (ширина вікна нако- пичення 256, тобто 256 значень з повного діа- пазону 65 536). Отримані результати (рис. 8) без сумніву свідчать про зменшення кількості мікрокра- пель при ввімкненому фільтрі. При цьому пов- ністю усуваються великі краплі (понад 1,5 мкм) та залишається невелика кількість крапель се- реднього розміру (0,5—1,5 мкм), які, ймовірно, є залишками великих крапель, що не встигли випаруватися у фільтрі на основі розряду з по- рожнистим катодом. Окрім розглянутого у роботі застосування плазмооптичної системи типу циліндричної плазмової лінзи для фільтрації мікрокрапель у плазмовому потоці, слід також відмітити пер- спективність її використання з метою підви- щення ефективності інших плазмооптичних систем, зокрема, призначених для формуван- ня пучків багатозарядних іонів важких мета- лів. Схему використання плазмооптичної лін- зи як елемента вакуумно-дугового джерела іонів наведено на рис. 9. Початкові експери- менти з вимірюванням зарядового складу іо- нів міді після проходження такої системи з одночасним застосуванням магнітного поля та прикладення від’ємного потенціалу до цент- рального електроду засвідчили суттєве збіль- шення струму іонів міді із зарядами від 1+ до 4+, а саме, емісійний струм збільшувався при- близно від 0,25 А до 0,5 А, зокрема струм Cu3+ змінювався від 0,45 мА до 1,8 мА, а Cu1+ від 0,05 мА до 0,75 мА. Вказані значення свідчать про фокусування низькоенергетичного плаз- мового потоку в напрямку емісійної сітки, а та- кож підтверджують здатність наявних в об’ємі лінзи швидких електронів керувати середньою величиною заряду іонів в отриманому багато- зарядному іонному пучку. Слід також зазна- чити, що збільшення струму іонів з вищими зарядами при використанні такої системи ро- бить її привабливою для практичних застосу- вань як вхідного елементу лінійних приско- рювачів іонів важких металів та в інших сучас- них іонно-пучкових технологіях модифікації поверхневих властивостей матеріалів. Таким чином, в результаті проведеного цик- лу теоретичних та експериментальних дослі- джень було створено та випробувано новітню аксіально-симетричну плазмооптичну систему для видалення мікрокрапель з потоку щільної низькотемпературної багатокомпонентної плаз- ми, що утворюється ерозійним плазмовим дже- релом вакуумно-дугового типу. Досягнутий рі- вень розуміння фізичних процесів, що вини- кають в системі з швидкими електронами, до- зволив створити експериментальний макет ко мерційного прототипу покращеного ерозій- ного джерела металевої плазми, де в одному пристрої поєднано вакуумно-дугове джерело та плазмооптичний фільтр. Така об’єднана оп- тимізована збірка після певної адаптації до конкретних технологічних умов цілком готова для практичних застосувань у пристроях син- тезу функціональних покриттів з суттєво по- кращеними властивостями. Також інновацій- ним перспективним результатом проведеного Рис. 9. Схема модифікованої комбінованої збірки MEVVA та плазмової лінзи для покращення параметрів вакуум- но-дугового джерела металевих іонів: 1 — катод; 2 — електрод підпалу; 3 — ізолятор; 4 — крайні електроди; 5 — центральний електрод; 6 — ізолятор; 7 — магнітна систе- ма; 8 — магнітопровід; 9 — емісійна сітка; 10 — супресор; 11 — прискорюючий електрод; 12 — вихідна апертура 8 3 1 2 4 6 5 7 4 9 10 11 12 ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 44 циклу робіт є розуміння того, що така збірка в режимі модифікованого вакуумно-дугового джерела багатозарядних іонів металевої плаз- ми відкриває можливості для створення ново- го покоління широко відомих іонних джерел типу MEVVA (metal, vapor, vacuum arc) які ус- пішно працюють у лінійних прискорювачах важких іонів та в процесах модифікації по- верхневих властивостей матеріалів. Але ця ро- бота потребує подальших творчих зусиль з ме- тою оптимізації та удосконалення системи та могла б стати цікавим прикладом інновацій- них розробок, спрямованих на підтримку ста- лого економічного розвитку країни. Роботу виконано за програмою Наукового приладобудування НАН України за проектом П13/16-18 і частково за Цільовою комплек с- ною програмою «Перспективні дослідження з фізики плазми, керованого термоядерного син- тезу та плазмових технологій» за проек том Пл-18. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Anders A. Growth and decay of macroparticles: A feasible approach to clean vacuum arc plasmas. J. Appl. Phys. 1997. V. 82, no. 8. P. 3679—3688. https://doi.org/10.1063/1.365731. 2. Boxman R.L., Goldsmith S. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings: generation, transport and control. Surf. аnd Coat. Techn. 1992. V. 51, no. 1. P. 39—50. https://doi.org/10.1016/0257-8972(92)90369-L. 3. Anders S., Anders А., Yu K.М., Yао Х.Y., Brown I.G. On the macroparticle flux from vacuum arc cathode spots. IEEE Trans. on Plasma Sci. 1993. V. 21, no. 5. P. 440—446. https://doi.org/10.1109/27.249623. 4. Anders A., Slack J. Phase transitions in vacuum arcs in the context of liquid metal arc sources. Proceedings of the 25th ISDEIV. (September, 2012). Tomsk, Russia, 2012. P. 305—308. 5. Aksenov I.I., Aksyonov D.S., Vasilyev V.V., Luchaninov A.A., Reshetnyak E.N., Strel’nitskij V.E. Two-Cathode Filtered Vacuum-Arc Plasma Source. IEEE Trans. on Plasma Sci. 2009. V. 37, no. 8. P. 1511—1516. https://doi.org/10.1109/ TPS.2009.2018820. 6. Аксенов И.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы. Харьков, 2005. 216 с. 7. Goncharov A. Invited Review Article: The Electrostatic Plasma Lens. Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 8, no. 4(2). P. 021101. https://doi.org./10.1063/1.4789314. 8. Goncharov A.A., Maslov V.I., Fisk A. Novel Plasma-Optical Device for the Elimination of Droplets in Cathodic Arc Plasma Coating. Society of Vacuum Coaters. 55th Annual Technical Conference Proceedings. (May, 2012). Santa Clara, CA, 2012. P. 441—444. 9. U.S. patent application # 2014/0034484A1 (6 February 2014). Fisk A., Maslov V., Goncharov A. Device for the Elimination of Microdroplets from a Cathodic Arc Plasma Source. 10. Goncharov A.A. Recent development of plasma optical systems (invited). Review of Scientific Instruments. 2016. V. 87. P. 02B901. https://doi.org/10.1063/1.4931718. 11. Goncharov A., Tsiolko V., Dobrovol’skii A., Bazhenov V., Litovko I. New generation plasmadynamical systems with fast electrons. Вісник Київського Національного Університету ім. Т. Шевченка. Радіофізика та електроніка. 2017. V. 25, no. 1. P. 13—22. 12. Goncharov A.A., Dobrovolsky A.M., Bazhenov V.Yu., Litovko I.V., Naiko I.V., Naiko L.V., Kostin E.G., Protsenko I.M. Last results of novel plasmaoptical devices investigation. Problems of Atomic Science and Technology. 2018. V. 116, no. 4. P. 36—39. Стаття надійшла до редакції 04.12.18 Статтю прорецензовано 28.02.19 Статтю підписано до друку 01.03.19 REFERENCES 1. Anders, A. (1997). Growth and decay of macroparticles: A feasible approach to clean vacuum arc plasmas. J. Appl. Phys., 82(8), 3679—3688. https://doi.org/10.1063/1.365731. 2. Boxman, R. L., Goldsmith, S. (1992). Macroparticle contamination in cathodic arc coatings: generation, transport and control. Surf. аnd Coat. Techn., 51(1), 39—50. https://doi.org/10.1016/0257-8972(92)90369-L. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми 45 3. Anders, S., Anders, А., Yu, K. М., Yао, Х. Y., Brown, I. G. (1993). On the macroparticle flux from vacuum arc cathode spots. IEEE Trans. on Plasma Sci., 21(5), 440—446. https://doi.org/10.1109/27.249623. 4. Anders, A., Slack, J. (2012, September). Phase transitions in vacuum arcs in the context of liquid metal arc sources. Proceedings of the 25th ISDEIV. Tomsk, Russia, P. 305—308. 5. Aksenov, I. I., Aksyonov, D. S., Vasilyev, V. V., Luchaninov, A. A., Reshetnyak, E. N., Strel’nitskij, V. E. (2009). Two- Cathode Filtered Vacuum-Arc Plasma Source. IEEE Trans. on Plasma Sci., 37(8), 1511—1516. https://doi.org/10.1109/ TPS.2009.2018820. 6. Aksyonov, I. I. (2005). Vakuumnaya duga v erozionnyh istochnikah plazmy. Kharkov. 216 p. [in Russian]. 7. Goncharov, A. (2013). Invited Review Article: The Electrostatic Plasma Lens. Rev. Sci. Instrum., 84(2), 021101. https://doi.org./10.1063/1.4789314. 8. Goncharov, A. A., Maslov, V. I., Fisk, A. (2012, May). Novel Plasma-Optical Device for the Elimination of Droplets in Cathodic Arc Plasma Coating. Society of Vacuum Coaters. 55th Annual Technical Conference Proceedings, Santa Clara, CA. P. 441—444. 9. U.S. patent application # 2014/0034484A1 (6 February 2014). Fisk A., Maslov V., Goncharov A. Device for the Eli- mination of Microdroplets from a Cathodic Arc Plasma Source. 10. Goncharov, A. A. (2016). Recent development of plasma optical systems (invited). Review of Scientific Instruments, 87, 02B901. https://doi.org/10.1063/1.4931718. 11. Goncharov, A., Tsiolko, V., Dobrovol’skii, A., Bazhenov, V., Litovko, I. (2017). New generation plasmadynamical sys tems with fast electrons. Visnyk Kyivskogo Natsionalnogo Universytetu im. T. Shevchenka, Radiofizyka ta elektronika, 25(1), 13—22. 12. Goncharov, A. A., Dobrovolsky, A. M., Bazhenov, V. Yu., Litovko, I. V., Naiko, I. V., Naiko, L. V., Kostin, E. G., Pro- t senko, I. M. (2018). Last results of novel plasmaoptical devices investigation. Problems of Atomic Science and Technology, 116(4), 36—39. Received 04.12.18 Revised 28.02.19 Accepted 01.03.19 Goncharov, A.A., Bazhenov, V.Yu., Dobrovol’skiy, A.M., Protsenko, I.M., and Naiko, I.V. Institute of Physics of the NAS of Ukraine, 46, Nauki Ave., Kyiv, 03028, Ukraine, +380 44 525 2329, gonchar@iop.kiev.ua RECENT ADVANCES IN THE DEVELOPMENT OF EROSION SOURCES OF PLASMA Introduction. Erosion sources of plasma provide a highly productive formation of ion-plasma streams by evaporating the electrode material and have been widely used in science and industry for synthesizing various coatings, modifying material surfaces, and for creating the sources of charged particles. Problem Statement. At present, the main problem in creating high-quality coatings is their limited homogeneity due to the presence of the microdroplet phase in ion-vapor stream of erosion plasma sources. Purpose. To create a new generation of erosion plasma sources, particularly, of vacuum arc-type ones that are free of microdroplets in order to efficiently synthesize high-quality coatings with predetermined functional properties. Materials and Methods. For creating sources of pure metal plasma, an original idea based on the use of axially symmetric plasma-optical system for introducing additional energy into a flow of dense multi-component metal plasma due to efficient self-sustained generation of fast electrons has been proposed. Such energetic electrons are able to effect the plasma flow passing through the system and, particularly, to evaporate and to eliminate microdroplets that essentially limit the use of erosion dense plasma sources for technological developments. Results. Conceptual design of combined source containing vacuum arc plasma source and axially symmetric cylindrical electrostatic plasma-optical lens in a single device has been created. The designed hardware does not have analogs worldwide. Conclusions. The research has opened up wide prospects for practical application of the proposed idea for removal undesired micro-impurities while keeping the mass transfer in metal plasma flow formed by vacuum arc source. Combination of plasma lens with vacuum arc ion source enables controlling low energy plasma flow towards the substrate (i.e., film deposition) or towards emission grid (i.e., ion beam generation). Keywords: erosion plasma source, dense plasma, plasma-optical system, and microdroplets. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) О.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.М. Добровольський, І.М. Проценко, І.В. Найко 46 А.А. Гончаров, В.Ю. Баженов, А.Н. Добровольский, И.М. Проценко, И.В. Найко Институт физики НАН Украины, просп. Науки, 46, Киев, 03028, Украина, +380 44 525 2329, gonchar@iop.kiev.ua НОВЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В РАЗРАБОТКЕ ЭРОЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЛАЗМЫ Введение. Эрозионные источники плазмы обеспечивают высокопроизводительное формирование ионно- плазменных потоков путем испарения материала электродов и широко используются в науке и промышленности для синтеза различных покрытий, модификации поверхности материалов и создания источников заряженных частиц. Проблематика. В настоящее время проблемой в создании высококачественных покрытий является их ограни- ченная однородность, что обусловлено присутствием микрокапельной фазы в ионно-паровом потоке эрозионных источников плазмы. Цель. Создание нового поколения эрозионных источников плазмы, в частности, вакуумно-дуговых, свобод- ных от микрокапель для эффективного синтеза высококачественных покрытий с заданными функциональными свойствами. Материалы и методы. Для создания источников чистой металлической плазмы была предложена и реализована оригинальная идея использования аксиально-симметричной плазмооптической системы для введения дополнитель- ной энергии в поток плотной многокомпонентной металлической плазмы за счет самосогласованного создания быс- трых электронов. Такие энергетические электроны способны эффективно влиять на плазменный поток, проходящий через систему, в частности, испарять и разрушать микрокапли, существенно ограничивающие использование эрози- онных источников для технологических разработок. Результаты. Разработан концептуальный проект комбинированного источника, содержащего в одном устройст- ве вакуумно-дуговой источник плазмы и аксиально-симметричную цилиндрическую электростатическую плазмооп- тическую линзу. Предложенная разработка является оригинальной и не имеет аналогов в мире. Выводы. Приведенные результаты исследования дают широкие перспективы практического применения пред- ложенной идеи для устранения нежелательных микровключений при сохранении массопереноса в потоке металли- ческой плазмы, формируемой вакуумно-дуговым источником. Объединение плазменной линзы и вакуумно-дугового пламенного источника открывает новые возможности для управления низкоэнергетическим плазменным потоком, распространяющимся по направлению к подложке (при нанесении пленок) или эмиссионной сетке (при генерации ионного пучка). Ключевые слова: эрозионный источник плазмы, плотная плазма, плазмооптическая система, микрокапли.

Новітні досягнення в розробці ерозійних джерел плазми

Репозитарії

Схожі ресурси