Генерация плазмы бора в разрядных системах низкого давления
Назначение и область применения
Разработаны методы генерации плазмы бора в разрядных системах низкого давления для нанесения борсодержащих покрытий на основе:
- магнетронного разряда с термоизолированной, нагреваемой в разряде, мишенью из чистого бора;
- вакуумной дуговой разрядной системы с нагревом катода из кристаллического бора дополнительным нагревателем;
- форвакуумного плазменного источника электронов с испарением мишени из бора и ионизацией паров в пучковом разряде, при этом диапазон толщин формируемых этими методами покрытий составляет от единиц нанометров до единиц микрометров Плазма бора магнетронного распылителя и вакуумной дуговой системы может использоваться для формирования ускоренных пучков ионов бора, обеспечивающих скорость набора экспозиционной дозы уровня 1013 ион/(см2 сек). Плазма и пучки ионов бора могут использоваться для формирования покрытий на основе этого элемента для широкого круга задач науки и практики.
Принцип работы и особенности
Проблема нанесения покрытий бора на поверхность в разрядных системах низкого давления затруднена низкой электрической проводимостью бора (уровня 10 МОм×см) при нормальных условиях. Это делает практически невозможным использование бора в качестве плазмообразующего материала электродов в магнетронных или дуговых разрядных системах и затрудняет фокусировку электронного пучка в процессах электронно-лучевого испарения этого материала. В результате проведенных в течение последних лет исследований были разработаны и реализованы оригинальные подходы к генерации плазмы на основе разрядов с борсодержащими электродами (мишенями), в которых плотность плазмы бора была существенно повышена. Суть этих подходов заключается в следующем. Поскольку бор относится к полупроводникам, он имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления и при нагреве сопротивление электрода из бора значительно уменьшается, позволяя использовать катод из бора в качестве электрода разрядной системы. В магнетронном разряде термоизолированная мишень (катод) из чистого кристаллического бора нагревалась до температуры (500 - 700)°С вспомогательным слаботочным высоковольтным разрядом, а вакуумном дуговом разряде нагрев катода из бора был обеспечен внешним резистивным нагревателем. Это позволяло зажигать эти разряды и обеспечить генерацию плазмы. В случае электронно-лучевого испарения использование форвакуумного плазменного источника электронов, функционирующего при давлении уровня 10 Па, обеспечивало нейтрализацию отрицательного поверхностного заряда на поверхности мишени ионами пучковой плазмы, и, в свою очередь, обеспечивало фокусировку пучка, нагрев и испарение мишени из бора. Реализация этих трех методов позволила осуществлять нанесение покрытий бора на различные поверхности.
Основные параметры процессов нанесения покрытий бора
| Магнетронное распыление | ||
|---|---|---|
| Ток в непрерывном режиме | до 200 мА | |
| Мощность разряда | до 200 Вт | |
| Скорость нанесения покрытия бора | до 10 нм/мин | |
| Вакуумное дуговое напыление | ||
| Амплитуда импульса тока вакуумной дуги | до 200 А | |
| Длительность импульса | 100 мкс | |
| Частота повторения импульсов | 10 Гц | |
| Скорость нанесения покрытия бора | до 20 нм/мин | |
| Электронно-лучевое испарение | ||
| Ток электронного пучка | до 200 мА | |
| Энергия электронов | до 20 кэВ | |
| Плотность мощности на мишени | до 500 Вт/мм2 | |
| Скорость нанесения покрытия бора | до 1 мкм/мин | |
Основные параметры пучков ионов бора
| Импульсная вакуумная дуга | ||
|---|---|---|
| Амплитуда импульса тока ионного пучка
при параметрах разрядных импульсов 200 А, 100 мкс, 10 Гц |
до 1000 мА | |
| Ускоряющее напряжение | до 30 кВ | |
| Импульсный сильноточный магнетронный разряд | ||
| Амплитуда импульса тока ионного пучка
при параметрах разрядных импульсов 40 А, 100 мкс, 30 Гц |
до 300 мА | |
| Ускоряющее напряжение | до 20 кВ | |
Публикации
- A. Bugaev, V. Frolova, V. Gushenets et al. Generation of boron ion beams by vacuum arc and planar magnetron ion sources // Rev. Sci. Instrum. 2019, V. 90, p. 103302 (1-4)
- Yushkov Y., Oks E., Kazakov A., Tyunkov A., Zolotukhin D. Electron-BeamSynthesis and Modification and Properties of Boron Coatings on Alloy Surfaces. Ceramics 2022, 5,706–720
