CC BY
73
УДК 537.525.7:621.762
И. Р. Сагбиев
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ В СМЕСИ ГАЗОВ
Проведены исследования основных характеристик плазмы высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда пониженного давления: мощности разряда, напряженности магнитного поля, плотности тока. Результаты проведенных исследований показали, что даже при небольшом добавлении молекулярных газов в аргон количественные характеристики разряда изменяются существенным образом. Наиболее эффективным способом использования смеси газов для обработки материалов является введение молекулярных газов не в область разряда, а в струю.
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие высокочастотной (ВЧ) плазмы при пониженных давлениях (р = 13.3 -133 Па) является эффективным методом обработки поверхности различных материалов, в том числе для создания модифицированных слоев толщиной 10 - 30 нм [1, 2]. Для создания плазмы чаще всего применяют аргон, однако в ряде процессов, например, газонасыщения, упрочнения, используют смеси аргона с молекулярными газами: азотом, кислородом. Свойства ВЧ разрядов при обработке материалов в смеси газов изучены очень слабо.
В связи с этим, целью настоящей работы является исследование влияния добавок молекулярных газов на распределение напряженности магнитного поля и вкладываемую в разряд мощность в ВЧ индукционном (ВЧИ) разряде пониженного давлении с продувом газа в процессах обработки конструкционных материалов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
С целью оценки влияния на обработку изделий ВЧ электромагнитного поля измерялась напряженность магнитного поля. Измерения в ВЧИ разряде проводились при расположении верхнего витка индуктора на расстоянии z = - 95 мм от среза сопла плазмотрона.
Результаты измерений, проведенных в молекулярной плазме (азотной или воздушной), показали, что аксиальная составляющая вектора напряженности магнитного поля Hz имеет максимальное значение на стенке разрядной камеры и спадает к его оси с малым градиентом (рис. 1). Это объясняется тем, что напряженность переменного магнитного поля внутри любого проводника, а следовательно, и плазмы, экспоненциально убывает по мере удаления от поверхности. Без плазмы (при «холостом ходе» генератора) затухание Hz практически отсутствует. В воздушной плазме затухание Hz меньше, чем в аргоновой, так как при одной и той же Рр в разряде на воздухе часть энергии расходуется на возбуждение колебательных и вращательных уровней молекул. Проводимость воздушной плазмы при этом меньше, чем аргоновой.
С приближением вдоль оси потока к области индуктора возрастают абсолютные значения поля и grad Hz. В плазменной струе Hz не превышает 36 А-м-1, а в сгустке она достигает 5760 А-м"1.
С увеличением мощности разряда напряженность высокочастотного магнитного поля растет приблизительно по линейному закону. На границе разряда напряженность
Рис. 1 - Радиальное распределение напряженности магнитного поля в плазме ВЧИ разряда в аргоне (2 = -120 мм, Рр = 2.4 кВт, р = 113 Па): 1 -холостой ход генератора; 2 - О г = 0,04 г-с"1, воздух; 3 - Ог = 0 г-с"1, аргон
магнитного поля возрастает быстрее, чем на оси. Объясняется это тем, что, на оси индукционного диффузного разряда проводимость плазмы максимальна и с ростом Рр увеличивается больше, чем вблизи стенки разрядной камеры.
Установлено, что в ВЧИ разрядах при малых Ог Рр, соответствующих Е-форме разряда, присутствует азимутальная составляющая вектора магнитной напряженности Нф. Последняя в приведенных примерах составила (0.1 - 0.3)*Нх. После перехода разряда из Е-формы в Н-форму
(Ог > 0.02 г*с-1 и Рр > 1.7 кВт) азимутальная составляющая высокочастотного магнитного поля в разряде практически не фиксировалась зондом.
Введение обрабатываемого тела в плазменную струю существенно изменяет распределение напряженности электромагнитного поля в струе вблизи поверхности тела и практически не влияет на ее величину в разряде. Так, например, у поверхности образца аксиальная составляющая напряженности магнитного поля и аксиальная составляющая плотности тока уменьшается на 30 - 50%, тогда как на срезе плазмотрона уменьшение Нх не превышает 5%. При этом в струе ВЧИ разряда появляется азимутальная составляющая напряженности магнитного поля, амплитуда которой достигает 120 А-м" вблизи поверхности образца. Амплитуда азимутальной составляющей магнитного поля пропорциональна мощности разряда (рис. 2). Аксиальная составляющая плотности тока достигает значений
5 а -2
Рис. 2 - Распределение азимутальной составляющей напряженности магнитного поля вдоль потока плазмы ВЧИ разряда в аргоне в присутствии образца (Ог = 0.1 г. с-1, образец расположен на расстоянии 200 мм от среза сопла плазмотрона): 1 - Рр = 1.8 кВт; 2 - Рр = 2.7 кВт; 3 -Рр = 3.8 кВт
4*10 А*м" при значении азимутальной составляющей ~ 10 А*м
Одними из важнейших характеристик параметров ВЧ плазменных установок являются энергетические характеристики. Потребляемая мощность плазменных установок пониженного давления складывается из мощности ВЧ генератора и мощности вакуумной системы. Последняя определяется, в основном, мощностью насосов, и стабилизируется после выхода на режим на уровне 1.5 ± 0.15 кВт.
Основную долю в изменение Рпотр вносит мощность, потребляемая ВЧ генератором. Нелинейность плазменной нагрузки ВЧ генераторов существенно влияет на согласование генератора с нагрузкой. Как видно из рис. 3, мощность разряда приближенно линейно зависит от Рпотр при изменении последней от 2.5 до 18 кВт. При Рпотр > 18 кВт зависимость Рр (РПотр) становится нелинейной.
Вкладываемая мощность в воздушном разряде при Рпотр < 9 кВт меньше (до ~30%), чем в аргоновой плазме. Это связано с тем, что мощность, вводимая в разряд, в воздушной плазме расходуется не только на ионизацию, как в аргоновой плазме, но и на возбуждение колебательных уровней молекул газа. Поэтому при малых значениях потребляемой мощности в воздушной плазме имеет место Е-форма разряда. Начиная с потребляемой мощности
Рпотр = 10 кВт, мощность разряда в воздушной плазме становится больше, чем в аргоновой, а при дальнейшем увеличении потребляемой мощности разряд в воздухе переходит в Н-форму.
Переход разряда из Е-формы в Н-форму наблюдается визуально. Воздушный разряд при Рпотр < 15 кВт имеет темнокрасный цвет, а при Рпотр > 15 кВт ярко-белый.
Как показали результаты экспериментальных исследований, плотность тока в воздушном разряде и аргоновом разряде отличаются друг от друга незначительно (рис. 4). В то же время аксиальная составляющая магнитной напряженности, а, следовательно, и азиму-
Рис. 3 - Зависимость мощности ВЧИ разряда от потребляемой мощности (р = 30 Па, Ог = 0 г.с"1): 1 - аргон; 2 - воздух
Рис. 4 - Распределение плотности ВЧ тока в плазме вдоль радиуса разрядной камеры в центральном сечении индуктора (Рр = 2.44 кВт, р = 113 Па): 1 - аргон, Ог = 0.1 г*с-1; 2 - воздух, йг = 0.1 г*с-1; 3 - аргон, йг = 0 г*с-1
тальная составляющая напряженности электрического поля Еф в воздушной плазме в этих режимах больше, чем в аргоновой в 1.1 - 1.2 раза. Поэтому Рр в воздушной плазме больше, чем в аргоновой.
Экспериментальная часть
Экспериментальные исследования проводились на установке, описанной в предыдущей статье [3]. Энергетические характеристики установки определялись на основе энергетического баланса. Мощности, потребляемые установкой и генератором, определялись измерительным комплексом К-50. Мощности, выделяемые в разряде Рр и в струе Рс определялись калориметрически по методике [4].
Для измерения напряженности магнитного поля применялся миниатюрный магнитный зонд, который представляет собой катушку индуктивности, залитую в специальную смолу, прозрачную для ВЧ электромагнитного поля. Сечение зонда 1.5 мм2, длина 1 мм, для уменьшения паразитной емкости подводящие провода к катушке помещены внутрь медной трубки.
Для повышения помехоустойчивости катушка индуктивности помещалась в экран с прорезью, проходящей параллельно оси зонда. При ориентации оси катушки параллельно силовым линиям магнитного поля возникает сигнал. В случае, когда ось зонда перпендикулярна вектору напряженности магнитного поля, сигнал должен отсутствовать. Таким образом, наличие прорези позволяет определить направление вектора напряженности магнитного поля.
Для измерения малых величин напряженности магнитного поля, а также подавления синфазной помехи, которая наводится на зонд даже при экранировании, использовался дифференциальный усилитель. Чувствительность зондовой системы составила 2160 АмВ-1. Погрешность определения напряженности магнитного поля складывалась из ошибок калибровки и измерения, она составила 20%.
Измерение плотности тока ]ф в плазме производилось с помощью миниатюрного пояса Ро-говского сечением 0.19 мм2. Для исключения высокочастотной наводки пояс Роговского и подводящие провода помещали в экран с прорезью. На часть экрана, имеющую непосредственный контакт с плазмой, нанесен изолирующий слой диэлектрика, что позволяет исключить ток, возникающий при помещении заземленного тела в плазму. Чувствительность системы измерения на час-
2 1
тоте 1.76 МГц составила 1.70 Ам- В- , погрешность измерения не превышала 11%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Появление в плазменной струе ВЧИ разряда в аргоне и в воздухе азимутальной и аксиальной составляющих магнитного поля, аксиальной и азимутальной составляющих плотности ВЧ тока говорит о возникновении емкостной составляющей между плазмотроном и колпаком вакуумной камеры. При помещении в плазменную струю изделия емкостная составляющая усиливается. Таким образом, плазменная струя ВЧИ разряда является не потоком рекомбинирующей плазмы, как в ВЧИ разряде атмосферного давления, а представляет собой ВЧ разряд комбинированного типа (индукционно-емкостного).
Традиционно такая дополнительная связь между элементами конструкции считается «паразитной», и для ее устранения применяются специальные меры. В частности, именно этим можно объяснить широкое распространение ВЧИ плазмотронов антенного типа (с плоским индуктором).
Однако, важным, на наш взгляд, является то, что рассматриваемых конструкциях «паразитное» ВЧ поле (поле рассеяния между электродами и колпаком камеры) существует и в области струи, вынесенной за пределы индуктора и, таким образом, активная область разряда существует и вне индуктора. Она воздействует на поле пространственного разряда у поверхности внесенных в струю образцов.
Поскольку, как показано в этой и предыдущей работах [3], характеристики плазмы изменяются вдоль струи в достаточно широком диапазоне, то это позволяет управлять параметрами воздействия плазмы на образцы путем перемещения их вдоль струи, обеспечивая гибкость процесса.
Таким образом, в рассматриваемом случае наличие «паразитного» ВЧ поля является не отрицательным, а положительным фактором, так как в других конструкциях и других источниках плазмы для получения дополнительного ВЧ поле самосмещения применяется специальный внешний источник.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант 07-01-00674-а.
Литература
1. Абдуллин И.Ш., Сагбиев И.Р., Пальцев А.В. Регенерация активного нанослоя отработанного алюмохромового катализатора в ВЧ плазме пониженного давления // Харьков. нанотехнол. Ассамблея: Сб. докл. 7-й междунар. конф. «Вакуумные нанотехнологии и оборудование». Т. 1. -Харьков, Украина, 2006. - С. 280-282.
2. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р., Юсупов О.Д. Формирование нанослоев с помощью высокочастотной плазмы пониженного давления // Харьков. нанотехнол. Ассамблея: Сб. докл. 7-й междунар. конф. «Вакуумные нанотехнологии и оборудование». Т.1. - Харьков, Украина, 2006. - С. 283-285.
3. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р. Исследование распределения концентрации электронов в плазме высокочастотного индукционного разряда пониженного давления при обработке материалов в смеси газов // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2007. - № 3-4. - С. 293-298.
4. Подгорный Н.М. Лекции по диагностике плазмы. - М.: Атомиздат, 1988. -219 с.
© И. Р. Сагбиев - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.05.07 по 30.08.07.
