CC BY
15УДК 621.387
Метод вакуумного напыления для формирования сплавных вторично-эмиссионных покрытий
В.Ф.Анисимов, А.С.Арефьев Рязанский государственный радиотехнический университет
Приведена технология изготовления и результаты исследований тонкопленочных сплавных вторично-эмиссионных покрытий на основе щелочноземельных металлов, изготовленных методом вакуумного напыления, после воздействия на них дугового разряда в среде инертного газа. В импульсном режиме амплитуда тока разряда составляла 10 кА при длительности импульса 30 мкс, в режиме переменного тока соответственно 10 А и 1 с. Показано, что вторично-эмиссионные свойства не претерпевают существенного изменения, что связано с формированием твердых растворов на поверхности катода и диффузией более легкоплавкой компоненты, отвечающей за вторично-эмиссионные свойства, на поверхность покрытия.
Ключевые слова: дуговой разряд, тонкопленочные сплавные катоды, разрядник, вторичная эмиссия.
Стабильность параметров ряда газоразрядных приборов в большой степени определяется способностью сохранять вторично-эмиссионные свойства поверхности электродов после воздействия на них дугового разряда. В качестве катодов искровых разрядников широко используются матричные алюмосиликатные катоды, устойчивые к токовым нагрузкам до 10 кА при длительности импульса 30 мкс. Более детальные исследования катодов искровых разрядников показали, что основные эрозионные процессы при прохождении токов в единицы и десятки килоампер происходят в слое толщиной единицы микрон [1, 2]. В связи с этим представляет большой интерес замена обычно используемых прессованных матричных катодов тонкопленочными эмиссионными структурами.
В настоящей работе рассматриваются вопросы технологии формирования на металлических электродах эмиссионного тонкопленочного 1-2-микронного покрытия и исследование стабильности его вторично-эмиссионных свойств в рабочих режимах защитных искровых разрядников. При исследованиях в качестве активной компоненты покрытия использовались щелочноземельные металлы, а в качестве металла-растворителя - металл, имеющий большую, чем активный металл, температуру плавления [3].
Технология изготовления вторично-эмиссионных покрытий на основе медно-стронциевых сплавов. Для отработки технологии выбран тонкопленочный катод на основе сплава стронций-медь [3], который наносился методом вакуумного напыления на рабочую часть электродов (торцевую поверхность), изготовленных из железонике-левого сплава 42 НАВИ или молибдена в виде усеченного конуса. Из-за относительной простоты формирования сплавов с различным процентным содержанием компонентов за основу изготовления пленок положен способ многослойного напыления. Формиро-
© В.Ф.Анисимов, А.С.Арефьев, 2011
вание эмиссионной структуры на поверхности предварительно обработанной подложки производилось поочередным напылением слоев щелочноземельных или щелочных металлов и металла-растворителя электронно-лучевым методом с контролем толщины каждого слоя. При формировании эмиссионной структуры поочередно наносилось восемь слоев. Затем производился диффузионный отжиг.
Отработка технологии изготовления тонкопленочных покрытий проводилась на базе установок УВНРЭ.Э-60, кварцевые датчики которых были закрыты дополнительной сеткой с коэффициентом прозрачности 0,01. Для получения более равномерного покрытия использовалась планетарная карусель.
Для рентгенофлуоресцентного анализа процентного состава эмиссионного покрытия образцов после напыления и в процессе дальнейших технологических обработок использовалась установка PV 9500/75 фирмы Philips (ЕДАХ), на которой имеется трубка с Rh-анодом. Максимальное напряжение составляло 50 кВ, анодный ток 500 мкА. Вторичное излучение регистрировалось Si(Li)-детектором.
Технология изготовления тонкопленочных медно-стронциевых катодов имела следующие особенности. Для предварительного обезгаживания температура тиглей с напыляемыми компонентами после откачки камеры электронно-лучевым способом доводилась до уровня интенсивного испарения напыляемых компонентов, что в дальнейшем позволяло уменьшить толщину окисных пленок стронция при технологических переходах между напыляемыми слоями. Температура электродов, помещенных в специальную обойму, оставляющую для напыления лишь рабочую часть, поддерживалась при напылении на уровне 250 °С. В процессе напыления, для исключения возможности «обратной откачки», вакуум был не хуже 9,5-10-4 Па, а во время напыления активной компоненты вакуум улучшался минимум в 5 раз посредством использования азотной ловушки. В качестве материала первого и последнего из наносимых слоев выбиралась медь. Верхний слой обеспечивал защиту последнего слоя стронция при переходе к диффузионному отжигу. После диффузионного отжига проводился контроль выхода стронция на поверхность покрытия (по изменению цвета) и состава сплава. Одно из основных требований, предъявляемых к эмиссионным покрытиям такого типа для дуговых разрядов, - значение теплопроводности между керном и пленкой должно быть на уровне значений теплопроводности компактных металлов. В противном случае под воздействием дугового разряда покрытие быстро испаряется.
Экспериментальные исследования тонкопленочных сплавных катодов проводились на макетах двухэлектродных разрядников с междуэлектродным расстоянием 0,5 мм, на рабочую поверхность электродов которых был нанесен исследуемый сплав. Макеты наполнялись инертным газом (аргоном). Статическое напряжение пробоя при наполнении разрядника составляло 280-300 В. Для снятия поверхностных окисных пленок после откачки разрядников проводилась тренировка поверхности электродов разрядников дуговым разрядом в режиме переменного тока амплитудой 10 А длительностью 1 с.
Методика испытаний. Разрядники испытывались сначала в режиме переменного тока амплитудой 10 А длительностью 1 с, а затем в импульсном режиме с амплитудой тока 10 кА длительностью 30 мкс. Приборы подвергались воздействию 10 импульсов в каждом из режимов. Статическое напряжение пробоя разрядника определялось как среднеарифметическое значение из 10 измерений. Замеры проводились как в прямом, так и в обратном направлениях.
Испытывались разрядники партиями по 10 штук с катодами каждого типа. Значения статического напряжения пробоя усреднялись для каждой партии приборов с точностью до 5 В.
В.Ф.Анисимов, А.С.Арефьев
Исследования тонкопленочных сплавных катодов на основе Ва, 8г, Са. Исследования проведены на экспериментальных макетах разрядников с эмиссионными структурами Sr - 85%(ат)Си толщиной 1,5 мкм, на железоникелевых и молибденового кернах.
Для изменений статического напряжения пробоя относительно начального значения ист 0, полученных усреднением результатов измерений 10 приборов каждой из пар-
^ - тий, получены значения ~3,5 и ~5% соот-
Статистическое напряжение пробоя ' ■' '
разрядников с различными тонкопленочными ветственно для молибденовых и железо-
никелевых электродов.
По аналогичной технологии были изготовлены сплавные тонкопленочные катоды на основе Ba, Sr, Ca. В таблице приведены результаты замеров статического напряжения пробоя двухэлектродных разрядников с молибденовыми электродами и различными типами сплавных тонкопленочных катодов. Испытания выполнены как в импульсном режиме (ист. имп), так и в режиме переменного тока (ист. пер).
Если в случае медно-стронциевого катода Sr - 85%(ат)Си сплав находился в фазе твердого раствора, то сплавы Ва -85%(ат)Си, Ва - 70%(ат)Си и 8г -70%(ат)Си имели интерметаллические соединения [3].
Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показали возможность замены традиционных прессованных катодов тонкопленочными сплавными катодами, полученными вакуумным напылением. Это позволяет за счет свойств сплавных катодов, находящихся в фазе твердого раствора, не только повысить стабильность разрядников после токовых нагрузок, но и благодаря малой толщине пленки существенно снизить габариты самих приборов. С учетом существования большого спектра твердых растворов щелочных и щелочноземельных металлов [3] и металлов-растворителей, имеющих большую, чем активный металл, температуру плавления, появляется возможность формировать эмиттеры с различными вторично-эмиссионными свойствами.
Меньшая стабильность приборов с железоникелевыми электродами, как показали проведенные испытания, очевидно связана с диффузией компонентов покрытия в глубь подложки, а также материала подложки в само покрытие в процессе диффузионного отжига. Следовательно, для подобных случаев необходим подслой из металла, не растворяющего компоненты покрытия.
Свойства твердых растворов сохранять свои вторично-эмиссионные свойства в широком диапазоне концентраций благодаря диффузии стронция на поверхность катода после термических воздействий (в данном случае - после воздействия катодных пятен дугового разряда) позволяют поддерживать стабильность параметров разрядников на более высоком уровне. Кроме того, за счет высоких геттерных свойств паров стронция, образующихся при прохождении искрового (дугового) разряда, реализуется эффективный захват выделяющихся газов, что предохраняет поверхность эмиттера от окисления.
Повышение статического напряжения пробоя в импульсном режиме, очевидно, связано с изменением шероховатости поверхности электродов. т.е. с «оплавлением» выступов на электроде искровым разрядом.
сплавными катодами
ист. пер, В ист. имп В
Состав ист 0, В (10 А, (10 кА,
10 имп) 10 имп)
Ва - 290 285 295
70%(ат)Си 285 285 295
Ва - 280 275 285
85%(ат)Си 280 275 290
8г - 300 285 310
70%(ат)Си 300 290 310
8г - 280 270 290
85%(ат)Си 280 270 290
Са - 290 280 320
70%(ат)Си 290 280 315
Са - 280 270 305
85%(ат)Си 280 270 310
Меньший разброс статического напряжения у разрядников со сплавными катодами на основе бария, очевидно, связан с более низким потенциалом ионизации и более низкой температурой плавления последнего. В частности, при горении разряда в парах материала электродов именно материал с меньшим потенциалом ионизации определяет мощность, выделяющуюся на катоде.
Материалы катодов, в состав которых входят и интерметаллические соединения (например, Ва Cui3 в эмиссионных структурах Ba - 85%(ат)Си, Ba - 70%(ат)Си и SrCu5 в Sr - 70%(ат)Си), также показали стабильные результаты. Очевидно, это связано с влиянием дуги электрического разряда на поверхность катода, что приводит к интенсивному испарению сплава из катодного «пятна», продукты которого при осаждении на электроды, охлаждаясь, образуют аморфное вещество со структурой и свойствами, близкими к свойствам твердых растворов.
Аналогичные условия существуют и для расплавленного материала катода. Полученная удельная мощность с учетом малого размера единичного катодного пятна разрядной дуги (единицы микрон) [4], высокой скорости сканирования пятном дуги первого рода по поверхности электрода (105 см/с) и малости времени воздействия на микроучасток (10 -10-9 с) намного превышает 10 Вт/см . Большая выделяющаяся удельная мощность, малое время воздействия на микроучасток, высокая скорость охлаждения соответствуют и взрывной эмиссии [5, 6]. Это приводит к получению амор-физированных слоев [3, 6, 7], в которых отсутствуют интерметаллиды, способные влиять на вторично-эмиссионные свойства поверхности.
Литература
1. Спектроскопические исследования продуктов эрозии в искровом разряде / Анисимов В.Ф., Киселёв Ю.В., Корольков А.Н., Степанов В.А. // VIII конференция по физике газового разряда. Рязань, Ч. II. -1996.- С. 21.
2. Анисимов В.Ф. Тонкопленочные катоды для сильноточных ГРП // Всероссийский симпозиум по эмиссионной электронике. - Рязань. - 1996. - С. 116.
3. Дриц М.Е., Зусман Л.Л. Сплавы щелочных и щелочноземельных металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 310 с.
4. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968. - 240 с.
5. Месяц Г.А. Имппульсная энергетика и электроника. - М.: Наука, 2004. - 192 с.
6. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. - М.: Металлургия, 1986. - 158 с.
7. Giessen B. C., Hong I., Kabacoff L. a. o. In: Rapidly guenched metals, III. Washington: A. M.S., № 1. -1978. - P. 249-260.
Статья поступила 10 августа 2010 г.
Арефьев Александр Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры промышленной электроники Рязанского государственного радиотехнического университета (РГРТУ). Область научных интересов: моделирование и расчет, конструирование и технология вакуумных и газоразрядных приборов, физические процессы в газоразрядной плазме. E-mail: [email protected]
Анисимов Владимир Федорович - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники РГРТУ. Область научных интересов: вакуумная и плазменная электроника, включая материалы и технологию.
