Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6837
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
H 05H 1/00
C 23C 14/24
(54) ИМПУЛЬСНЫЙ ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ
(21) Номер заявки: u 20100416
(22) 2010.04.27
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Селифанов Сергей Олегович;
Селифанов Олег Владимирович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы, включающий
электроразрядную систему и систему питания, в котором электроразрядная система со-
держит два основных охлаждаемых электрода и бесконтактную вакуумно-дуговую систему
поджига, имеющие общую геометрическую ось, один из основных электродов представ-
ляет собой полый заземленный нерасходуемый анод во фланцевом исполнении, а другой -
расходуемый катод с плазмообразующим торцом, выполненный с возможностью осевого
перемещения, бесконтактная вакуумно-дуговая система поджига расположена между ос-
новными электродами и содержит инициирующий электрод с центральным отверстием,
размещенный на инициирующем электроде узел первичного плазмообразования, осна-
щенный изолятором с инициирующим тонкопленочным токопроводом и поджигающим
Фиг. 1
BY6837U2010.12.30

2. BY 6837 U 2010.12.30
2
электродом, и полый вспомогательный электрод-экран, инициирующий тонкопленочный
токопровод электрически соединен с поджигающим и инициирующим электродами, под-
жигающий электрод имеет плазмообразующую поверхность, ориентированную в направ-
лении плазмообразующего торца расходуемого катода, полый вспомогательный электрод-
экран охватывает плазмообразующий торец расходуемого катода, а инициирующий элект-
род, упомянутый электрод-экран, система питания включает основную конденсаторную
батарею и управляемый конденсаторный источник питания поджига, основная конденса-
торная батарея соединена соответствующими полюсами с основными электродами, управ-
ляемый конденсаторный источник питания поджига содержит управляющий элемент и
конденсаторный блок, имеющий три конденсаторные батареи поджига - инициирующую,
вспомогательную и дополнительную, положительный полюс инициирующей конденса-
торной батареи через управляющий элемент соединен с инициирующим электродом, поло-
жительный полюс вспомогательной соединен с вспомогательным электродом-экраном,
отрицательный полюс дополнительной - с расходуемым катодом, а противоположные по-
люса конденсаторных батарей поджига объединены и являются общим электрическим
выводом конденсаторного блока, отличающийся тем, что плазмообразующий торец рас-
ходуемого катода, полость вспомогательного электрода-экрана и центральное отверстие
инициирующего электрода выполнены в виде протяженных прямоугольников, располо-
жение инициирующего электрода и размеры его центрального отверстия выбраны таким
образом, что кромки отверстия находятся вне зоны интенсивного плазмообразования, бес-
контактная вакуумно-дуговая система поджига содержит, по меньшей мере, еще один узел
первичного плазмообразования, узлы первичного плазмообразования являются линейны-
ми и расположены вдоль, по крайней мере, длинных кромок упомянутого отверстия, а
управляемый конденсаторный источник питания поджига содержит, по меньшей мере,
еще один конденсаторный блок, причем с общим электрическим выводом каждого кон-
денсаторного блока соединен поджигающий электрод одного или двух узлов первичного
плазмообразования.
2. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1, отли-
чающийся тем, что длина меньшей стороны протяженного прямоугольного плазмообра-
зующего торца расходуемого катода выбрана из интервала 20-60 мм, а длина большей - из
интервала 80-240 мм.
3. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1, отли-
чающийся тем, что полый нерасходуемый анод во фланцевом исполнении имеет прямо-
угольную конфигурацию.
4. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1, отли-
чающийся тем, что количество узлов первичного плазмообразования выбрано из интер-
вала 2-8, а количество конденсаторных блоков - из интервала 2-4.
5. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1, отли-
чающийся тем, что каждый узел первичного плазмообразования оснащен, по меньшей
мере, еще одним изолятором с инициирующим тонкопленочным токопроводом, а иници-
ирующий электрод выполнен с возможностью обеспечения плотного прижима каждого
изолятора к соответствующему поджигающему электроду.
6. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1 или 5,
отличающийся тем, что все узлы первичного плазмообразования идентичны.
7. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 5, отли-
чающийся тем, что каждый узел первичного плазмообразования имеет множество из n
изоляторов.
8. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 5 или 7,
отличающийся тем, что изоляторы с инициирующим тонкопленочным токопроводом
представляют собой одинаковые прямоугольные пластины.
9. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 7, отли-
чающийся тем, что значение n упомянутого множества выбрано из интервала 2-10.

3. BY 6837 U 2010.12.30
3
(56)
1. Аксенов Д.С., Аксенов И.И., Стрельницкий В.Е. Источники "чистой" эрозионной
плазмы в технике вакуумно-дугового осаждения покрытий: обзор: Сборник трудов Межд.
Харьковской нанотехнологической Ассамблеи, Ассамблея-2006. - Харьков, Украина. -
С. 106-113.
2. Маслов А.И., Дмитриев Т.К., Чистяков Ю.Д. Импульсный источник углеродной
плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимента. - 1985. - № 3. -
С. 143-149.
3. Патент RU 2153782 С1, МПК7
Н1/24, Н 05Н 1/34, 2000.
4. Патент BY 10555 С1 МПК(2006) Н 05Н 1/24, С 23С 14/24, 2008.
Предлагаемая полезная модель относится к области вакуумно-плазменной техники и
технологии и может быть использована для получения наноструктурных тонкопленочных
материалов различного функционального назначения осаждением импульсных потоков
плазмы.
Весьма перспективным представляется здесь применение импульсных вакуумно-
дуговых источников плазмы [1-3], в которых многократно повторяемый кратковременный
сильноточный вакуумно-дуговой разряд характеризуется наличием множества катодных
микропятен и возбуждается бесконтактным способом с помощью лазерного излучения
или за счет осуществления поджигающих импульсных вакуумно-дуговых разрядов не-
большой энергоемкости. Недостатками первых являются их сложность и высокая стои-
мость, а также низкая эффективность поджига [1]. В свою очередь, широко известные
импульсные вакуумно-дуговые источники (генераторы) плазмы с бесконтактным вакуум-
но-дуговым поджигом имеют низкий ресурс высокоэффективного поджига [1], малые (не
более 80 мм) размеры зоны достаточно равномерного осаждения плазмы, нестабильную
диаграмму направленности генерируемых импульсных плазменных потоков [2].
Известен импульсный генератор углеродной плазмы [3]. Он содержит два основных
электрода, имеющих общую геометрическую ось, бесконтактную вакуумно-дуговую си-
стему поджига и систему питания. Один из основных электродов представляет собой по-
лый нерасходуемый анод во внутрикамерном исполнении. Другой основной электрод
является плазмообразующим торцевым расходуемым графитовым катодом. Наибольший
размер его плазмообразующего торца приблизительно равен наибольшему размеру по-
верхности, подлежащей осаждению плазмы, при этом расходуемый катод предпочтительно
имеет форму кольца или призмы. Система поджига содержит множество двухэлектродных
коаксиальных вакуумно-дуговых инжекторов поджигающей плазмы, обращенных к плаз-
мообразующему торцу катода и расположенных в непосредственной близости от него.
Электроды каждого инжектора разделены кольцевым изолятором с тонкопленочным то-
копроводом, электрически контактирующим с ними. Электрод любого инжектора, распо-
ложенный в отверстии изолятора, выполнен в виде стержня и служит инициирующим
электродом, второй электрод представляет собой кольцевой плазмообразующий поджи-
гающий электрод. Система поджига содержит также полый вспомогательный электрод,
охватывающий расходуемый катод. Основные электроды источника плазмы расположены
внутри корпуса технологической вакуумной камеры изолированно от него, равно как и
инициирующие электроды инжекторов. Поджигающие электроды инжекторов электриче-
ски соединены с корпусом вакуумной камеры. Корпус вакуумной камеры заземлен. Си-
стема питания содержит основную конденсаторную батарею, являющуюся накопителем
энергии, необходимой для осуществления основного импульсного вакуумно-дугового
разряда, и управляемый конденсаторный блок питания поджига. Последний включает три
конденсаторных батареи поджига и многоканальный коммутатор, обеспечивающий при
включении блока питания поджига последовательное срабатывание инжекторов поджи-

4. BY 6837 U 2010.12.30
4
гающей плазмы и допускающий возможность многократного повторения актов трехсту-
пенчатого поджига мощного основного импульсного вакуумно-дугового разряда за счет
осуществления маломощных инициирующего, вспомогательного и дополнительного ва-
куумно-дуговых разрядов. Для достижения более равномерной выработки расходуемого
катода значительных размеров источник плазмы оснащают большим количеством инжекто-
ров поджигающей плазмы либо катод и инжекторы выполняют с возможностью их относи-
тельного перемещения, при этом в случае кольцевого расходуемого катода его выполняют
с возможностью осевого вращения, а в случае катода в форме призмы инжекторы выпол-
няют с возможностью линейного перемещения относительно торцевых ребер призмы.
Однако при большом количестве инжекторов вакуумная камера должна быть оснащена
таким же количеством изолированных от ее корпуса вакуумных токовводов. В свою оче-
редь, обеспечение вышеуказанных относительных перемещений катода и инжекторов
требует наличия вакуумного ввода вращения или вакуумного ввода линейного перемеще-
ния. Все это существенно усложняет источник плазмы и значительно увеличивает его
стоимость, снижая коммерческую привлекательность. К недостаткам данного источника
плазмы следует отнести внутрикамерное, а не фланцевое исполнение его анода. Кроме то-
го, необходимо отметить, что, с точки зрения электробезопасности, отсутствие заземления
какого-либо из основных электродов рассматриваемого источника плазмы крайне нежела-
тельно, поскольку эти электроды присоединены к конденсаторной батарее с большим
запасом накопленной энергии и достаточно высоким значением предразрядного напряже-
ния, как правило не ниже 200 В.
Расположение инжекторов поджигающей плазмы в непосредственной близости от
плазмообразующего торца расходуемого катода приводит к быстрому закорачиванию
электродов того или иного инжектора в результате имеющего место интенсивного оса-
ждения плазмы основного разряда на разделяющей электроды поверхности изолятора,
а поскольку в каждом акте поджига основного импульсного вакуумно-дугового разряда
участвует только один инжектор, то продолжительное функционирование источника
плазмы с высокой (более 90-95 %) вероятностью поджига не представляется возможным.
Отсутствие принудительного охлаждения основных электродов ограничивает мощ-
ность источника плазмы, а следовательно, и производительность технологического про-
цесса.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прото-
типом) является импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы [4]. Он имеет два соос-
ных основных охлаждаемых электрода, коаксильную бесконтактную вакуумно-дуговую
систему поджига и систему питания. Основные электроды и система поджига образуют в
совокупности электроразрядную систему источника плазмы. Один из основных электро-
дов представляет собой кольцевой нерасходуемый анод, а другой - цилиндрический рас-
ходуемый катод с плазмообразующим торцом, выполненный с возможностью осевого
перемещения. Кольцевой анод имеет фланцевое исполнение, поскольку он предназначен
для формирования импульсных плазменных потоков, истекающих через его отверстие в
объем технологической вакуумной камеры, а так как она заземлена, то, соответственно, и
анод является заземленным. Бесконтактная вакуумно-дуговая система поджига располо-
жена между основными электродами соосно с ними. Она содержит кольцевой иницииру-
ющий электрод с последовательно расположенными на нем кольцевым изолятором с
инициирующим тонкопленочным токопроводом и кольцевым поджигающим (расходуе-
мым) электродом и кольцевой вспомогательный электрод-экран. Тонкопленочный токо-
провод изолятора электрически соединен с инициирующим и поджигающим электродами.
Последний имеет плазмообразующую поверхность, ориентированную в направлении
плазмообразующего торца расходуемого катода. Таким образом, упомянутый изолятор и
поджигающий электрод вместе представляют собой узел первичного плазмообразования.
Кольцевой вспомогательный электрод-экран охватывает плазмообразующий торец расходуе-

5. BY 6837 U 2010.12.30
5
мого катода, а кольцевой инициирующий электрод - упомянутый электрод-экран. Система
питания содержит основную конденсаторную батарею и управляемый конденсаторный
источник питания поджига. Основная конденсаторная батарея соединена соответствую-
щими полюсами с основными электродами. Управляемый конденсаторный источник пи-
тания поджига содержит ключевой элемент и три конденсаторные батареи поджига:
инициирующую, вспомогательную и дополнительную. Положительный полюс инициирую-
щей конденсаторной батареи с помощью ключевого элемента соединен с инициирующим
электродом, положительный полюс вспомогательной - с вспомогательным электродом-
экраном, отрицательный полюс дополнительной - с расходуемым катодом. Противопо-
ложные полюса конденсаторных батарей поджига объединены и являются общим элек-
трическим выводом, соединенным с поджигающим электродом.
Поскольку оба основных электрода источника плазмы являются охлаждаемыми, обес-
печивается высокая частота следования генерируемых импульсных плазменных потоков
и, соответственно, высокая производительность технологического процесса.
Такой импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, имеющий расходуемый катод
из графита или какой-нибудь композиции "графит-металл", способен длительно функцио-
нировать с высокой (более 95 %) вероятностью поджига. Однако протяженность зоны до-
статочно равномерного осаждения генерируемых им импульсных плазменных потоков
ограничена диаметром плазмообразующего торца цилиндрического расходуемого катода
и для диаметра (D) катода, при котором обеспечивается высокая равномерность его выра-
ботки (как правило, D≤30 мм), не превышает 120-140 мм. Использование же катодов с
протяженным плазмообразующим торцом в данном источнике плазмы не предусмотрено.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача создания импульсного ва-
куумно-дугового технологического источника плазмы с протяженным торцевым расходу-
емым катодом, длительно функционирующего с высокой (более 98 %) вероятностью
поджига, имеющего достаточно равномерную выработку расходуемого катода и обеспе-
чивающего увеличение размеров зоны эффективного осаждения генерируемых импульс-
ных плазменных потоков.
Задача решается следующим образом. В импульсном вакуумно-дуговом источнике
плазмы, включающем электроразрядную систему и систему питания, в котором электро-
разрядная система содержит два основных охлаждаемых электрода и бесконтактную
вакуумно-дуговую систему поджига, имеющие общую геометрическую ось, один из основ-
ных электродов представляет собой полый заземленный нерасходуемый анод во фланцевом
исполнении, а другой - расходуемый катод с плазмообразующим торцом, выполненный
с возможностью осевого перемещения, бесконтактная вакуумно-дуговая система поджига
расположена между основными электродами и содержит инициирующий электрод с цент-
ральным отверстием, размещенный на инициирующем электроде узел первичного плазмо-
образования, оснащенный изолятором с инициирующим тонкопленочным токопроводом и
поджигающим электродом, и полый вспомогательный электрод-экран, инициирующий
тонкопленочный токопровод электрически соединен с поджигающим и инициирующим
электродами, поджигающий электрод имеет плазмообразующую поверхность, ориентиро-
ванную в направлении плазмообразующего торца расходуемого катода, полый вспомога-
тельный электрод-экран охватывает плазмообразующий торец расходуемого катода, а
инициирующий электрод - упомянутый электрод-экран, система питания включает основ-
ную конденсаторную батарею и управляемый конденсаторный источник питания поджига,
основная конденсаторная батарея соединена соответствующими полюсами с основными
электродами, управляемый конденсаторный источник питания поджига содержит управ-
ляющий элемент и конденсаторный блок, имеющий три конденсаторные батареи поджига -
инициирующую, вспомогательную и дополнительную, положительный полюс иницииру-
ющей конденсаторной батареи через управляющий элемент соединен с инициирующим
электродом, положительный полюс вспомогательной соединен с вспомогательным элект-

6. BY 6837 U 2010.12.30
6
родом-экраном, отрицательный полюс дополнительной - с расходуемым катодом, а про-
тивоположные полюса конденсаторных батарей поджига объединены и являются общим
электрическим выводом конденсаторного блока, согласно предлагаемому техническому
решению, плазмообразующий торец расходуемого катода, полость вспомогательного
электрода-экрана и центральное отверстие инициирующего электрода выполнены в виде
протяженных прямоугольников, расположение инициирующего электрода и размеры его
центрального отверстия выбраны таким образом, что кромки отверстия находятся вне зоны
интенсивного плазмообразования, бесконтактная вакуумно-дуговая система поджига со-
держит, по меньшей мере, еще один узел первичного плазмообразования, узлы первично-
го плазмообразования являются линейными и расположены вдоль, по крайней мере,
длинных кромок упомянутого отверстия, а управляемый конденсаторный источник пита-
ния поджига содержит, по меньшей мере, еще один конденсаторный блок, причем с об-
щим электрическим выводом каждого конденсаторного блока соединен поджигающий
электрод одного или двух узлов первичного плазмообразования.
Предпочтительно, если длина меньшей стороны протяженного прямоугольного плаз-
мообразующего торца расходуемого катода выбрана из интервала 20-60 мм, а длина
большей - из интервала 80-240 мм.
Хорошо, если полый заземленный анод во фланцевом исполнении имеет прямоуголь-
ную конфигурацию.
Предпочтительно, если количество узлов первичного плазмообразования выбрано из
интервала 2-8, а количество конденсаторных блоков - из интервала 2-4.
Лучше, если каждый узел первичного плазмообразования оснащен, по меньшей мере,
еще одним изолятором с инициирующим тонкопленочным токопроводом, а инициирую-
щий электрод выполнен с возможностью обеспечения плотного прижима каждого изоля-
тора к соответствующему поджигающему электроду.
Удобно, если все узлы первичного плазмообразования идентичны.
Хорошо, если каждый узел первичного плазмообразования имеет множество из n изо-
ляторов.
Удобно, если все изоляторы с инициирующим тонкопленочным токопроводом пред-
ставляют собой одинаковые прямоугольные пластины.
Предпочтительно, если значение n упомянутого множества выбрано из интервала 2-10.
Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных отличи-
тельных признаков импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы,
подтверждает новизну предлагаемой полезной модели. Признать же отличительные при-
знаки существенными позволяет наличие ряда нижеперечисленных положительных фак-
торов, способствующих решению задачи, поставленной при ее создании.
Так, например, если в импульсном вакуумно-дуговом технологическом источнике
плазмы плазмообразующий торец расходуемого катода, полость вспомогательного элек-
трода-экрана и центральное отверстие инициирующего электрода выполнены в виде про-
тяженных прямоугольников, расположение инициирующего электрода и размеры его
центрального отверстия выбраны таким образом, что кромки отверстия находятся вне зо-
ны интенсивного плазмообразования, бесконтактная вакуумно-дуговая система поджига
содержит не менее чем два узла первичного плазмообразования, являющихся линейными
и расположенными вдоль кромок упомянутого отверстия, а управляемый конденсаторный
источник питания поджига содержит не менее двух конденсаторных блоков, с общим
электрическим выводом каждого из которых соединен поджигающий электрод одного или
двух узлов первичного плазмообразования, то такой источник плазмы обеспечивает при
достаточно равномерной выработке расходуемого катода получение протяженных импульс-
ных потоков осаждаемой плазмы с поперечными размерами не менее чем в 1,5-2,5 раза
превосходящими размеры плазмообразующего торца расходуемого катода и длительно
функционирует с высокой (более 98 %) вероятностью поджига. Последнее обусловлено

7. BY 6837 U 2010.12.30
7
тем, что узлы первичного плазмообразования выполнены с возможностью обеспечения их
одновременной работы, и если по какой-либо причине один из узлов окажется недоста-
точно эффективным для успешного поджига от него основного импульсного вакуумно-
дугового разряда, то один из других обязательно восполнит этот пробел.
При длине меньшей стороны протяженного прямоугольного плазмообразующего тор-
ца расходуемого катода до 20 мм трудно обеспечить хорошие условия отвода тепла от не-
го, при длине же ее более 60 мм нарушается равномерность выработки расходуемого
катода поперек его плазмообразующего торца. При длине большей стороны менее 80 мм
протяженность зоны эффективного осаждения генерируемых импульсных плазменных
потоков существенно уменьшается, а при ее длине более 240 мм трудно обеспечить рав-
номерность продольной выработки расходуемого катода и, кроме того, габариты и вес от-
дельных узлов источника плазмы становятся слишком большими.
Прямоугольная конфигурация полого нерасходуемого анода, имеющего фланцевое
исполнение, способствует, по сравнению с цилиндрической геометрией, формированию
наиболее близких к прямоугольным и более протяженных импульсных плазменных пото-
ков, истекающих через анодную полость в объем технологической вакуумной камеры.
Уже при наличии в управляемом конденсаторном источнике питания поджига двух-
трех конденсаторных блоков, а в системе поджига двух-шести узлов первичного плазмо-
образования, поджигающие электроды которых по одному или попарно соединены с об-
щим электрическим выводом каждого конденсаторного блока, обеспечивается длительное
функционирование источника плазмы с вероятностью срабатывания (поджига) 98 % и бо-
лее. При максимальных предпочтительных количествах узлов первичного плазмообразо-
вания и конденсаторных блоков, равных соответственно восьми и четырем, достигается
практически 100 %-ное его срабатывание.
Поскольку в предлагаемом источнике плазмы при осуществлении каждого акта под-
жига участвует несколько одновременно срабатывающих узлов первичного плазмообра-
зования, то в его вакуумно-дуговой системе поджига формируется, соответственно,
несколько сгустков поджигающей плазмы, направленных на различные участки плазмооб-
разующего торца расходуемого катода, при этом на плазмообразующем торце возникают па-
раллельно существующие токовые каналы основного импульсного вакуумно-дугового
разряда, что способствует увеличению равномерности выработки материала расходуемого
катода при увеличении количества узлов первичного плазмообразования. Однако наличие
в системе поджига очень большого количества узлов первичного плазмообразования тре-
бует применения достаточно большого количества конденсаторных блоков в источнике
питания поджига и соответствующего числа вакуумных токовводов в электроразрядной
системе источника плазмы. Практически достаточно не более восьми узлов первичного
плазмообразования и не более четырех конденсаторных блоков, с общим выводом каждого
из которых соединены поджигающие электроды двух узлов первичного плазмообразования.
При оснащении любого узла первичного плазмообразования несколькими изоляторами с
инициирующим тонкопленочным токопроводом и выполнении инициирующего электрода
с возможностью обеспечения плотного прижима каждого изолятора к соответствующему
поджигающему электроду обеспечивается наличие в каждом узле первичного плазмообра-
зования нескольких резервных путей для прохождения разрядного тока от соответствующей
инициирующей конденсаторной батареи, благодаря чему вызывается перемещение по
поджигающему электроду зоны первичного плазмообразования и, соответственно, более
равномерное его расходование.
Источник плазмы упрощается, если узлы первичного плазмообразования идентичны.
При наличии в каждом узле множества из n изоляторов достигается тем более равномер-
ное расходование его поджигающего электрода, чем большее значение имеет n. Обычно
достаточным значением n является значение, выбранное из интервала 2-10. Использова-
ние в каждом узле первичного плазмообразования изоляторов в виде одинаковых прямо-

8. BY 6837 U 2010.12.30
8
угольных пластин упрощает систему поджига в целом. В дальнейшем предлагаемая полезная
модель поясняется описанием со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой схематичное изображение предлагаемого импульсного ва-
куумно-дугового технологического источника плазмы;
фиг. 2 изображает взаимное расположение расходуемого катода и элементов бескон-
тактной вакуумно-дуговой системы поджига с шестью узлами первичного плазмообразо-
вания и схемой включения управляемого конденсаторного источника питания поджига,
оснащенного тремя конденсаторными блоками;
фиг. 3 изображает полый водоохлаждаемый нерасходуемый анод прямоугольной кон-
фигурации во фланцевом исполнении;
фиг. 4 является поперечным разрезом системы поджига, узел первичного плазмообра-
зования которой содержит множество из n изоляторов.
Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы включает электро-
разрядную систему 1 и систему питания 2.
Электроразрядная система 1 содержит два основных электрода - полый заземленный
нерасходуемый анод 3 во фланцевом исполнении и расходуемый катод 4 с протяженным
прямоугольным плазмообразующим торцом 5, а также бесконтактную вакуумно-дуговую
систему поджига 6, имеющие общую геометрическую ось. Расходуемый катод 4 выполнен
с возможностью осевого перемещения (показано штрихпунктирными стрелками). Оба ос-
новных электрода являются водоохлаждаемыми, по крайней мере косвенно. Бесконтакт-
ная вакуумно-дуговая система поджига 6 расположена между основными электродами -
нерасходуемым анодом 3 и расходуемым катодом 4. Она содержит инициирующий элек-
трод 7 с центральным отверстием 8, по меньшей мере, два узла первичного плазмообразо-
вания 9, каждый из которых размещен на инициирующем электроде 7 и оснащен
поджигающим электродом 10, имеющим плазмообразующую поверхность 11, ориентиро-
ванную в направлении плазмообразующего торца 5 расходуемого катода 4 (показано
стрелками), и изолятором 12 с инициирующим тонкопленочным токопроводом 13. В состав
системы поджига 6 входит также полый вспомогательный электрод-экран 14. Централь-
ное отверстие 8 инициирующего электрода 7 подобно по форме плазмообразующему тор-
цу 5, но превосходит его по размерам настолько, что кромки центрального отверстия 8
инициирующего электрода 7 оказываются вне зоны интенсивного плазмообразования 15.
Инициирующий тонкопленочный токопровод 13 изолятора 12 каждого узла первичного
плазмообразования 9 электрически соединен с его поджигающим электродом 10 и иници-
ирующим электродом 7 системы поджига 6 и является токопроводящей перемычкой меж-
ду этими электродами. Каждый узел первичного плазмообразования 9 является линейным
и расположен вдоль, по крайней мере, длинных кромок протяженного прямоугольного
центрального отверстия 8 инициирующего электрода 7.
Полый вспомогательный электрод-экран 14 имеет прямоугольную конфигурацию и
охватывает прямоугольный плазмообразующий торец 5 расходуемого катода 4, а иниции-
рующий электрод 7 с прямоугольным центральным отверстием 8 - полый вспомогатель-
ный электрод-экран 14.
Система питания 2 включает основную конденсаторную батарею (С0) 16 и управляе-
мый конденсаторный источник питания поджига 17. Основная конденсаторная батарея 16
соединена соответствующими полюсами с основными электродами: положительным "+"
с нерасходуемым анодом 3, а отрицательным "−" с расходуемым катодом 4. Управляемый
конденсаторный источник питания поджига 17 содержит управляющий элемент 18 и, по
меньшей мере, два конденсаторных блока 19, как, например, показано на фиг. 1. Каждый
из них имеет три конденсаторные батареи поджига - инициирующую (Си) 20, вспомога-
тельную (Св) 21 и дополнительную (Сд) 22 - и общий электрический вывод 23, с которым
соединен отрицательный "−" полюс его инициирующей (Си) конденсаторной батареи 20,
отрицательный "−" полюс его вспомогательной (Св) конденсаторной батареи 21, положи-

9. BY 6837 U 2010.12.30
9
тельный "+" полюс его дополнительной (Сд) конденсаторной батареи 22 и поджигающий
электрод 10 одного (фиг. 1) или двух (фиг. 2) узлов первичного плазмообразования 9 си-
стемы поджига 6. Остальные полюса конденсаторных батарей поджига 20, 21, 22 каждого
конденсаторного блока 19 подключены следующим образом (фиг. 1 и 2). Положительный
"+" полюс инициирующей (Си) конденсаторной батареи 20 через управляющий элемент 18
соединен с инициирующим электродом 7. Положительный "+" полюс вспомогательной
(Св) конденсаторной батареи 21 соединен с вспомогательным электродом-экраном 14, а
отрицательный "−" полюс дополнительной (Сд) конденсаторной батареи 22 - с расходуе-
мым катодом 4.
Длины сторон протяженного прямоугольного плазмообразующего торца 5 расходуе-
мого катода 4 целесообразно выбирать следующим образом: длину меньшей стороны из
интервала 20-60 мм, а длину большей - из интервала 80-240 мм.
Нерасходуемый охлаждаемый анод 3 во фланцевом исполнении предпочтительно
имеет прямоугольную конфигурацию (фиг. 3).
Количество узлов первичного плазмообразования 9 выбрано из интервала 2-8, а коли-
чество конденсаторных блоков 19 - из интервала 2-4. На фиг. 1 изображен источник плазмы
с двумя узлами первичного плазмообразования 9 и двумя конденсаторными блоками 19.
На фиг. 2 изображена система поджига 6, оснащенная шестью узлами первичного плазмо-
образования 9, поджигающие электроды 10 которых подключены попарно к каждому об-
щему электрическому выводу 23 трех конденсаторных блоков 19, имеющихся в составе
управляемого конденсаторного источника питания поджига 17. Безусловно, возможно и
иное исполнение.
Каждый узел первичного плазмообразования 9 предпочтительно оснащен, по меньшей
мере, еще одним изолятором 12 с инициирующим тонкопленочным токопроводом 13
(фиг. 2), при этом инициирующий электрод 7 выполнен с возможностью обеспечения
плотного прижима каждого изолятора 12 к соответствующему поджигающему элек-
троду 10, например, с помощью винтов, установленных в резьбовых отверстиях, выпол-
ненных в инициирующем электроде (на чертежах не показано).
Все узлы первичного плазмообразования 9 могут быть идентичными, как показано на
фиг. 2.
Любой узел первичного плазмообразования 9 может иметь множество из n изоляторов 12
(фиг. 4). Изоляторы 12 могут представлять собой одинаковые прямоугольные пластины.
Предпочтительное значение n множества изоляторов 12, как правило, выбрано из интер-
вала 2-10.
Предлагаемый импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы ра-
ботает следующим образом. После откачки технологической вакуумной камеры, на флан-
це которой установлена его электроразрядная система 1, с помощью любых известных
зарядных устройств заряжают конденсаторные батареи источника питания 2, в том числе
основную конденсаторную батарею 16 и все конденсаторные батареи поджига: иниции-
рующую 20, вспомогательную 21 и дополнительную 22 каждого конденсаторного бло-
ка 19, входящего в состав управляемого конденсаторного источника питания поджига 17.
При подаче в каждом акте поджига управляющего сигнала на его управляющий элемент 18
в системе поджига 6 одновременно возникает несколько инициирующих разрядов, коли-
чество которых соответствует количеству имеющихся конденсаторных блоков 19, при
этом инициирующая батарея 20 каждого конденсаторного блока 19 разряжается по токо-
проводящей перемычке, образованной инициирующим тонкопленочным токопроводом 13
изолятора 12 между инициирующим электродом 7 системы поджига 6 и соответствующим
поджигающим электродом 10 узла первичного плазмообразования 9, соединенными с
управляемым конденсаторным источником питания поджига 17 по схеме, приведенной на
фиг. 1 или 2. Если инициирующая (Си) конденсаторная батарея 20 имеет емкость не менее
2 мкФ и заряжена до напряжения 400-800 В, то при ее разряде имеет место не только

10. BY 6837 U 2010.12.30
10
интенсивное электровзрывное испарение части материала инициирующего тонкопленоч-
ного токопровода 13 на каком-либо участке его контакта с поджигающим электродом 10,
но и возникновение на поджигающем электроде 10 первичных катодных микропятен за счет
возникновения инициирующего вакуумно-дугового разряда. Образующаяся при этом в уз-
ле первичного плазмообразования 9 первичная инициирующая плазма почти мгновенно
закорачивает вакуумный промежуток между поджигающим электродом 10 и вспомога-
тельным электродом-экраном 14, которые соединены соответственно с положительным
"+" и отрицательным "−" полюсами вспомогательной (Св) конденсаторной батареи 21.
При величине ее емкости не менее 25 мкФ и предразрядном напряжении на ней 300-600 В
в вышеуказанном вакуумном промежутке практически безотказно возникает очень корот-
кий, но достаточно мощный вспомогательный вакуумно-дуговой разряд, во время горения
которого поджигающий электрод 10 служит плазмообразующим катодом системы поджи-
га 6, а вспомогательный электрод-экран 14 - ее анодом. В возникающих в этом разряде
собственных катодных микропятнах генерируется электроэрозионная плазма из материала
поджигающего электрода 10, представляющая собой весьма плотный плазменный сгусток,
направленный на определенный участок протяженного прямоугольного плазмообразую-
щего торца 5 расходуемого катода 4. Этот сгусток перекрывает вакуумный промежуток,
имеющийся между поджигающим электродом 10 и расходуемым катодом 4, которые
соединены соответственно с положительным "+" и отрицательным "−" полюсами соответ-
ствующей дополнительной (Сд) конденсаторной батареи 22 емкостью 50-200 мкФ, заря-
женной до напряжения 250-600 В. По плазменной перемычке, образованной вышеупомя-
нутым плазменным сгустком, загорается дополнительный вакуумно-дуговой разряд, в
котором поджигающий электрод 10 служит дополнительным анодом источника плазмы,
близко расположенным к расходуемому катоду 4. В результате на плазмообразующем
торце 5 расходуемого катода 4 в области взаимодействия с плазменным сгустком возни-
кают катодные микропятна. В них генерируется высокоплотная плазма из материала рас-
ходуемого катода 4. Вышеописанный трехступенчатый процесс имеет место при разряде
конденсаторных батарей поджига 20, 21, 22 каждого конденсаторного блока 19. В результате
вдоль протяженного прямоугольного плазмообразующего торца 5 расходуемого катода 4
образуется несколько участков со своими катодными микропятнами. Общее количество
плазмы из материала катода 4, генерируемой всеми такими участками, оказывается
вполне достаточным для заполнения ею межэлектродного промежутка "катод 4 - анод 3"
электроразрядной системы 1 в такой степени, что в ней практически безотказно возбужда-
ется основной импульсный вакуумно-дуговой разряд, поддерживаемый основной конден-
саторной батареей 16. Ее емкость и предразрядное напряжение предпочтительно
составляют 1000-5000 мкФ и 200-500 В соответственно.
Во время горения дополнительного и основного импульсных вакуумно-дуговых раз-
рядов полый вспомогательный электрод-экран 14 выполняет свою вторую роль - роль
экрана, препятствующего уходу катодных микропятен с плазмообразующего торца 5 рас-
ходуемого катода 4.
По окончании основного импульсного вакуумно-дугового разряда незначительная до-
ля плазмы осаждается на изоляторах 12 узлов первичного плазмообразования 9, восста-
навливая каждый инициирующий тонкопленочный токопровод 13 и делая возможным
осуществление очередного запуска источника плазмы.
Материалом расходуемого катода 4 может быть не только графит или композиция
"графит-металл", но и некоторые металлы и их сплавы.
Импульсные потоки плазмы из материала расходуемого катода 4, истекающие из по-
лого анода 3 в объем технологической вакуумной камеры (на чертежах не показана), ис-
пользуются при нанесении наноструктурных тонких пленок и покрытий различного
функционального назначения или для каких-нибудь иных технологических целей.

11. BY 6837 U 2010.12.30
11
Предлагаемый импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы, в котором электро-
разрядная система 1 имеет анод 3 во фланцевом исполнении, может быть использован
в составе любой вакуумной установки, имеющей присоединительный фланец приемле-
мых размеров и формы, прошел испытания в вакуумных установках УВНИПА-1-001
и УВНИПА-1-002 для нанесения тонкопленочных износостойких и трибологических
покрытий.
Фиг. 2 Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.