Способ получения покрытий в вакууме, устройство для получения покрытий в вакууме, способ изготовления устройства для получения покрытий в вакууме

Способ получения покрытий в вакууме, устройство для получения покрытий в вакууме, способ изготовления устройства для получения покрытий в вакууме

Реферат

 

Использование: получение покрытий из металлов, сплавов, диэлектриков, полупроводников, сверхпроводников в электронной промышленности, космической и атомной технике, а также в машиностроительной и оптической промышленности. Сущность изобретения: поджиг разряда в области генерирования осуществляют расфокусированным лазерным излучением, длительность _г которого определяется из условия _{г л} и совмещением диаграммы направленности течения лазерной плазмы с областью формирования канала пробоя межэлектродного промежутка с последующим наложением на области генерирования, транспортирования и конденсации магнитных полей и распределением магнитных потоков в областях генерирования, транспортирования и конденсации таким образом, что на анодную область разряда частично замыкают магнитный поток, при котором формируется положительный скачок потенциала оптимальной величины, при этом магнитный поток через профилированную поверхность, ограничивающую радиально область транспортирования, равен нулю, а магнитный поток в области конденсации равен продольному магнитному потоку в области транспортирования, а также тем, что ионную компоненту плазмы направляют на поверхность конденсации и отделяют от капельной фазы на этапе транспортирования в области слоя Ленгмюра. Устройство для получения покрытий дополнительно снабжено сепаратором ионов по поперечным импульсам, а также блоком синхронизации, блок поджига снабжен диафрагмой с отверстием, размещенным на одной оптической оси между торцевой рабочей поверхностью расходуемого катода и окном ввода, на расстоянии от линзы, равном фокусному расстоянию линзы фокусирующей системы. Корпус плазмовода выполнен в виде винтового цилиндра, образованного перемещением кольца по винтовой линии на цилиндре, причем профиль внутренней поверхности корпуса выполнен треугольным. Электромагнитная система содержит две катушки, одна из которых включена последовательно в цепь накачки лазерного излучателя, а вторая - согласно с первой и последовательно в цепь разряда генератора плазмы. Устройство снабжено дополнительным сепаратором ионов плазмы по поперечным импульсам, расположенным в области выходного торца плазмовода, дополнительным генератором плазмы, плазмоводами, блоками поджига, камерами смешения, сепараторами ионов по поперечным импульсам, блоками синхронизации. В способе изготовления устройства для получения покрытий определены оптимальные условия реализации конструкции винтовой плазмооптической системы и камеры смешения. 3 с. и 20 з.п.ф-лы, 35 ил.

Изобретение относится к области получения покрытий из металлов, сплавов, диэлектриков, полупроводников, сверхпроводников и может быть использовано в технической физике, электронной, космической и атомной технике, а также в машиностроительной и оптической промышленности.

Целью изобретения является повышение качества многокомпонентных покрытий и расширение технологических возможностей.

Способ получения покрытий в вакууме осуществлялся с помощью устройств, конструкции которого представлены на фиг. 1-32, а способ изготовления устройства представлен на фиг. 25-32.

На фиг. 1 схематично показана конструкция импульсного генератора плазмы на основе вакуумной дуги постоянного тока с лазерным блоком поджига; на фиг. 2 изображено устройство для получения покрытий с винтовым плазмоводом и дополнительным винтовым корпусом; на фиг. 3 изображен винтовой плазмовод; на фиг. 4 представлен идеальный профиль внутренней поверхности плазмовода; на фиг. 5 - реальный профиль внутренней поверхности плазмовода; на фиг. 6 приведен другой вид профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода; на фиг. 7 представлен профиль внутренней поверхности корпуса плазмовода и распределение потенциала U_смт при условии t_п > l_ленгм; на фиг. 8 - то же, но при условии t_п < l_ленгм; на фиг. 9 схематично показана конструкция устройства с плазмооптической системой в виде эквидистантных винтовых плазмоводов с камерой смешения; на фиг. 10 представлено поперечное сечение по А-А фиг. 9; на фиг. 11 приведена схема для определения минимальных радиальных габаритов устройства (сечение плоскостью, перпендикулярной винтовой оси винтового цилиндра в системе N многозаходных винтовых плазмоводов); на фиг. 12 приведена развертка цилиндрической поверхности прямого цилиндра, проходящего через винтовые оси системы N многозаходных винтовых плазмоводов (схема определения минимальных продольных габаритов устройства); на фиг. 13 схематично приведена конструкция сепаратора ионов по поперечным импульсам (продольное сечение); а на фиг. 14 - конструкция сепаратора ионов по поперечным импульсам (поперечное сечение); на фиг. 15 представлено устройство для нанесения покрытий в виде двух идентичных симметрично расположенных устройств с противоположным кручением эквидистантных многозаходных винтовых плазмоводов и с согласным включением их соленоидов; на фиг. 16 приведено устройство для осаждения покрытий на большие площади; на фиг. 17 показано поперечное сечение камеры осаждения; на фиг. 18 представлена конструкция генератора плазмы с электромеханической системой в блоке лазерного поджига, а также диаграммы расширения плазмы рабочего вещества с двумя зонами _eei < 1 и _eei > 1 и распределения магнитных потоков Ф_К, Ф_А и Ф_Т; на фиг. 19 схематично изображена топология магнитного поля области стыковки соленоида анода и винтового соленоида, а также вариант изменения Ф_А при регулировании расстояния l_АП между ними; на фиг. 20 схематично изображена топология магнитного поля в области стыковки соленоида анода и винтового соленоида, а также вариант изменения Ф_А при изменении плотности намотки в области торцевой рабочей поверхности; на фиг. 21 представлена конструкция устройства с плазмооптической системой в виде эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров с камерой смешения со стороны выходных торцов и соленоидов, расположенных с тыльной стороны подложки; на фиг. 22 представлено устройство для получения многокомпонентных пленок в виде винтового плазмовода с камерой смешения на входном торце. На фиг. 23 схематично показана элементарная ячейка слоистого высокотемпературного сверхпроводника Y₁Ba₂C₃O₇; на фиг. 24 - временная диаграмма формирования как элементарной ячейки, так и тонкой пленки данного сверхпроводника. (Для фиг. 23 направление роста пленки совпадает с кристаллографической осью с; d_c - размер элементарной ячейки в направлении с; В - подрешетка ВаС; А - подрешетка У; на фиг. 25 схематично изображен корпус тороидального плазмовода, на фиг. 26 - способ его изготовления (прототип); на фиг. 27 и 28 - то же, но для корпуса винтового плазмовода (предлагаемый способ), а на фиг. 29 - схема расчета расстояния l_К между нормалями последовательных К сечений прямой трубы, а также схема расчета угла поворота _к между двумя последовательными сечениями сегмента; на фиг. 30 схематично показан корпус камеры смешения для N = 2 источников плазмы в плоскости осей выходного и входного сегмента; на фиг. 31 схематически показан вид сбоку на камеру смешения в плоскости, перпендикулярной плоскости осей выходного и входного сегмента; на фиг. 32 схематично показан вид сверху на камеру смешения в плоскости, перпендикулярной оси выходного сегмента.

Устройство для получения покрытий в вакууме содержит импульсные генераторы плазмы твердых веществ, каждый из которых содержит подключенные к емкостному накопителю 1 шинами 2, образующими цепь разряда, полый анод 3 и размещенный внутри анода расходуемый катод 4 с торцевой рабочей поверхностью 5, блок поджига 6 разряда, соленоид 7, охватывающий анод, и примыкающий к выходному торцу анода криволинейный плазмовод, выполненный в виде полого корпуса 8 (фиг. 2, 9, 15, 16), подключенного к емкости Сп 9 (фиг. 2), цепи смещения и катушки 10 (фиг. 9, 15-16, 19-22), размещенной на корпусе с резьбовым профилем 11 (фиг. 2, 4- 9, 14, 19-22) на внутренней поверхности.

Узел поджига 6 в генераторах плазмы (фиг. 1, 18) содержит расположенные на оптической оси лазерный излучатель 14, ориентированный к торцевой рабочей поверхности 5 катода 4, окно 15 ввода лазерного излучения, фокусирующую линзу 16, размещенную между окном 15 ввода излучения и лазерным излучателем 14, а также диафрагму 17, расположенную на оптической оси между торцевой рабочей поверхностью 5 катода (мишени) 4 и окном ввода лазерного излучения на расстоянии, равном фокусному расстоянию линзы, а также подвижный в продольном направлении прозрачный экран 18 (фиг. 1), закрепленный в механизме подачи, перемещаемом приводом 19 перемещения катода 4.

Во втором варианте исполнения, в области между диафрагмой 17 и окном 15 ввода располагают нормально открытую заслонку 12 в виде рычага с возвратной пружиной 13. Меньший рычаг заслонки подсоединен к якорю электромагнитной системы, включающей магнитопровод 20 и две катушки 21 и 22. Одна из катушек включена последовательно в цепь 23 разряда ламп накачки излучателя 14, а вторая - согласно с первой и последовательно в цепь разряда к шинам 2 генератора плазмы.

Внутри основного винтового корпуса расположен, по крайней мере, один дополнительный корпус 25 (фиг. 2), внешняя и внутренняя поверхности которого профилированы аналогично основному корпусу плазмовода, а также параллельны ему в каждой точке поперечного сечения.

Одним из вариантов устройства для получения многокомпонетных потоков плазмы твердых веществ (фиг. 9) содержит три генератора плазмы Г1, Г2 и Г3, снабженных винтовыми плазмоводами с соленоидами 10, размещенными на полых корпусах 8 плазмоводов, выполненных в виде эквидистантных многозаходных винтовых цилиндров, подсоединенных к камере смешения 26 (фиг. 9, 21), содержащей соленоиды (на чертеже не показаны) и автономные источники питания генераторов плазмы в виде емкостных накопителей Сн и емкостного накопителя потенциала смещения корпуса камеры смешения и корпусов плазмоводов (на чертеже не показан).

Камера смешения 26 является продолжением плазмоводов, при этом ее корпус образован совмещением одного торца прямого выходного цилиндра и N входных прямых, так что оси входных цилиндров проходят вдоль образующих конуса, обращенного вершиной к выходному торцу камеры смешения. Причем каждый из входных цилиндров охвачен соленоидом, а выходной цилиндр охвачен N (N=!3) соленоидами, образуя магнитную систему камеры смешения, каждая из обмоток соленоида входного цилиндра подключена согласно к одной из обмоток N соленоидов выходного цилиндра и в магнитную систему устройства.

С тыльной стороны подложки взаимно соосно и соосно N соленоидам выходного цилиндра камеры смешения расположены N(N=3) соленоидов, обмотки которых включены согласно и последовательно в магнитную систему устройства, при этом длина и диаметр соленоидов равен длине и диаметру соленоидов выходного цилиндра камеры смешения.

К выходному торцу плазмовода (или камеры смешения) соосно примыкает сепаратор ионов по импульсам (фиг. 13-15), включающий проводящие стенки 27, образующие продольные каналы, перпендикулярно продольным каналам расположена подложка 28, подключенная к источнику смещения подложки (не показано), причем подложка и проводящие каналы окружены соленоидом 29, силовые линии магнитного поля которого параллельны стенкам каналов и перпендикулярны подложке.

При этом устройство для получения покрытий содержит N = 3 соленоидов 31 с тыльной стороны подложки (см. фиг. 21) или два аналогичных устройства (см. фиг. 14), если их количество больше двух (см. фиг. 15), расположенных симметрично относительно плоскости подложки 28, причем направления кручения системы многозаходных винтовых плазмоводов в противолежащих устройствах противоположны, соленоиды 10 плазмоводов включены согласно, а величина расстояния L_П в камере осаждения 30 (фиг. 15, 16, 21) (подложка - выходные торцы устройств) во втором случае определяется из неравенства L_П V_ПЛП , где V_ПЛ - продольная скорость потоков плазмы, _П - время радиальной релаксации плотности плазмы.

Устройство работает следующим образом. Заряжают источник 1 питания генератора плазмы до напряжения ~600 В (суммарная энергия ~10³ Дж), которое прикладывается к аноду 2 и катоду 3 (расходуемой мишени). Затем блок синхронизации по заданной программе согласно распределению веществ в элементарной ячейке вещества задает режим синхронизации поджига разрядов, а также напуска реактивного газа (см. фиг. 23). Подают рабочее напряжение на лазерный излучатель, в результате чего генерируется импульс лазерного излучения длительностью ~ 20 нс и энергией 10^-1 Дж в направлении оптической оси. Лазерное излучение фокусируют линзой 16, затем вводят в генератор плазмы (в область торцевой рабочей поверхности расходуемой мишени) через окно 15, прозрачный экран 13 и диафрагму 17, для взаимодействия с материалом мишени. Из этой зоны в межэлектродный зазор инжектируется поток лазерной плазмы и возбуждается импульсный вакуумно-дуговой разряд постоянного тока катодной формы. Продукты эрозии мишени (капельная фаза, ионизированная и нейтральная компоненты) истекают через выходной торец анода в область транспортирования. Процесс зарядки емкостного накопителя 1, поджига разряда и его горения задается блоком синхронизации. В ходе технологического процесса торцевая рабочая поверхность 5 мишени 4 вырабатывается. По мере выработки зона воздействия лазерного излучения перемещается по торцевой рабочей поверхности мишени. Расходуемый катод 4 по мере его выработки периодически перемещают в продольном направлении механизмом подачи 19 к выходному торцу генератора. Таким образом, путем периодической подачи расходуемого катода поддерживается исходная геометрия межэлектродного зазора. По мере транспортирования потоков плазмы в плазмоводах они сепарируются от капельной фазы и высокоэнергетичных ионов и поступают в камеру смешения, где они смешиваются и в виде многокомпонентного потока плазмы заданного химического состава поступают в область конденсации (на подложку) через выходной торец камеры смешения. При осаждении на профилированные подложки после смешения потоки транспортируются через продольные каналы сепаратора ионов плазмы по поперечным импульсам, а затем конденсируются.

Возможны три варианта реализации способа во времени: синхронное (являющееся, собственно, смешением) или асинхронное возбуждение пространственно разделенных вакуумно-дуговых разрядов, а также сочетание этих режимов.

В способе получения покрытий в вакууме возможны два варианта смешения по критерию исходного фазового состояния: смешиваются только твердофазные вещества или твердофазные и газообразные вещества. Последний вариант реализуется за счет напуска реактивного газа (O₂;N₂) в область генерирования импульсно и синхронно с возбуждением вакуумных дуг.

Наличие в области смешения магнитного поля обусловливает два возможных режима реализации смешения. В первом случае (r_i < D_с) наблюдается однородное радиальное распределение химических элементов (ионов) в области смешения (и покрытии). Во втором случае (r_i <D_{) смешение затруднено, так как ограничено магнитным полем радиальное перемещение ионов, ситуация аналогична, если ii < Dc. В варианте (когда ri>Dс) возможны два случая его реализации. В первом случае сначала смешивают многофазные потоки плазмы, а затем многофазный и многокомпонентный поток плазмы сепарируется путем транспортирования в криволинейной (винтовой) плазмооптической системе. Подобная последовательность операций не исключает массообмен по капельной фазе между пространственно разделенными вакуумными разрядами (с катодами различного химического состава каждого смешиваемого потока, а следовательно, и покрытия. Во втором случае исходные многофазные потоки сначала сепарируют от капельной фазы, а затем смешивают, что исключает массообмен по капельной фазе между пространственно разделенными вакуумными разрядами (катодами), поэтому химический состав покрытия будет определяться однозначно величинами зарядов, протекающих в каждом из разрядов - следовательно, второй случай является оптимальным, что, в сущности, обусловлено различной геометрической вероятностью р пролета капельной фазы вдоль профилированной поверхности, ограничивающей зону транспортирования. В способе величина эродирующей массы единичного импульса в импульсном дуговом разряде определяется равенством: M= kq где k - коэффициент эрозии, q - заряд, протекающий в цепи разряда. Так как q = CU, то эродируемой массой можно управлять как изменением емкости С, так и напряжением U в широких пределах, что позволяет при наличии нескольких пространственно-разделенных вакуумных дуг и временной последовательности их возбуждения формировать в одном цикле элементарную ячейку со сложной структурой, а многократное повторение таких циклов позволяет формировать пленку заданной толщины без существенных структурных неоднородностей в направлении роста. Таким образом состав покрытия в способе задают пространственным разделением вакуумных дуг и регулированием режима их синхронизации на этапе возбуждения, а также регулированием величины заряда электричества, протекшего в разряде за счет изменения напряжения и емкости, причем возбуждение вакуумных дуг осуществляют циклически во времени синхронно или последовательно путем инжекции лазерной плазмы, транспортирование осуществляют в пространственно разделенных областях, а их смешение в области пространственного совмещения магнитных полей областей транспортирования, при этом состав многокомпонентного покрытия задают из условия NA/NB/NC=KAtA CHAUA/KBtBCHBUB/KCtCCHCUC, где NA, NB, NC - концентрация химических элементов A, B, C в многокомпонентном покрытии, KA, KB, KC - коэффициент эрозии плазмообразующих веществ A, B, C, tA, tB, tC - коэффициент транспортирования потоков плазмы A, B, C, CHA, CHB, CHC..., UA, UB, UC - величины емкости (Ф) и изменений напряжения (В) емкостных накопителей, причем последовательность импульсов задают, исходя из порядка расположения подрешеток (слоев) формируемой кристаллической элементарной ячейки слоистого вещества покрытия (например, сверхпроводника (сэндвич- структуры), число импульсов плазмы nA, nB ... в последовательности для каждой подрешетки (слоя) определяют из выражения где А,В,С - плотность наносимого вещества (химического элемента) А, В, С в покрытии, кг/м³; Sт - площадь поперечного сечения А, В, С области транспортирования (смешения), м²; dA,B,C - толщина подрешетки (слоя) А, В, С в элементарной ячейке (сэндвич- структура), м; qA,B,C - заряд, протекший в цепи разряда, Кл, а число циклов m последовательности импульсов плазмы определяются из равенства dяm= l, где dя - размер элементарной ячейки (сэндвич-структуры) в направлении роста покрытия, м; l - толщина покрытия (сэндвич-структуры), м.}

Объемный механизм роста не обеспечивает условий для формирования слоистых структур вследствие того, что высота зародыша больше монослоя (подрешетки). Данный механизм способствует хаотическому распределению элементов состава слоистой структуры. При двухмерном (плоском) росте пленки (один, максимум три атома - один зародыш) выполняются все условия для формирования пленок со слоистой структурой и они могут быть обеспечены двумя характеристиками конденсируемой среды: плотностью и кинетической энергией ионов. Плотность конденсируемых частиц в импульсном режиме возрастает на 3-6 порядков, что в свою очередь обеспечивает уменьшение размера критического зародыша приблизительно в 3-6 раз.

Такое увеличение плотности пара (конденсируемой среды) обеспечивает повышение в 10³ - 10⁶ раз вероятности взаимодействия ион - трехмерный зародыш, в результате чего происходит разрушение последнего, так как энергия связи адатомов в зародыше в направлении роста (доли - единицы эВ) существенно меньше кинетической энергии адсорбирующихся ионов (десятки эВ). Все это в совокупности обеспечивает формирование пленок со слоистой структурой на уровне монослоя.

Однако избыточная энергия ионов может нарушить качественные характеристики покрытия. Образование радиационных дефектов на поверхности конденсации присуще всем плазменным методам конденсации и обусловлено наличием у доли ионной компоненты энергии большей, чем энергия (W_деф) образования дефекта на поверхности конденсации. В способе имеются два источника радиационных дефектов: на этапе поджига - лазерная плазма и на этапе генерирования - плазма вакуумной дуги. Для устранения влияния этих источников необходимо перед конденсацией отсепарировать из плазмы ионы, энергия которых больше, чем энергия дефектообразования, и оставить ионы, для которых выполняется обратное соотношение. Максимальная энергия в данном способе определяется двумя факторами: во-первых, величиной потенциала на стенку, ограничивающей область транспортирования и, во-вторых, величиной потенциала смещения U_см.п поверхности конденсации (подложки), которая зависит от электропроводности подложки.

Возможны два случая, когда подложка выполнена из диэлектрика или полуизолирующего полупроводника или подложка выполнена из металла или высоколегированного полупроводника.

В первом случае не представляется возможным регулировать величину U_см.п с целью ограничения максимальной энергии иона в области конденсации, так как на диэлектрической подложке устанавливается плавающий потенциал, равный (eU_см.п 5Te). Следовательно, ограничение максимальной энергии конденсируемого иона возможно только за счет изменения величины потенциала на стенке, ограничивающей зону транспортирования, т.е. eU_см.т + 5Te) <W _{Во втором случае можно изменять и величину Uсм.п, подавая положительный или отрицательный потенциал смещения так, чтобы eUсм.тeUсм.пZ<W.}

Аналогичны рассмотренным случаи, если конденсируемая пленка - диэлектрик или полуизолирующий полупроводник, металл или высоколегированный полупроводник. На этапе транспортирования необходимо обеспечить выход всех ионов плазмы (лазерной и вакуумной дуги) к стенке корпуса плазмовода, где они будут отсепарированы по энергиям на потенциальном барьере U_см.т. Если их энергия превышает величину потенциального барьера, то эта часть ионов уходит на стенку, а оставшаяся часть, для которой выполняется обратное соотношение, выходит в область конденсации. Выход всех ионов к потенциальному барьеру наблюдается в том случае, если выполняются два условия: во-первых, если _ii > D_T в противном случае (если _ii < D_T) ион за счет столкновений в области транспортирования минует поверхность области транспортирования. Второе необходимое условие энергетической сепарации ионов наблюдается, если r_i>D_т. В противном случае (если r_i<D_{) за счет замагниченности ионной компоненты в объеме области транспортирования все ионы минуют поверхность области транспортирования. Указанная неравновесность в распределении сохраняется на длине свободного пробега иона ii, поэтому поверхность конденсации устанавливают на расстоянии Lк, меньшем длины свободного пробега ионов (Lк < ii) . В противном случае (если Lк > ii) за счет ион-ионных столкновений неравновесность устраняется и в потоке плазмы появляются вновь высокоэнергетичные ионы.}

Исходный химический состав плазмообразующего вещества может изменяться вследствие ряда причин, которые в свою очередь определяются компонентным составом рабочего вещества. Так, исходный состав однокомпонентного плазмообразующего вещества изменяется вследствие, во-первых, использования материала поджигающих электродов с химическим составом, отличным от химического состава материала катода (на этапе возбуждения основного разряда), во-вторых, развитием анодной тепловой неустойчивости как на этапе генерирования плазмы, так и на этапе ее транспортирования и смешения. Вследствие своеобразного кругооборота привнесенной примеси (образование ---> конденсация на подложке и на других элементах конструкции ---> реиспарение с этих элементов конструкции) она должна быть устранена на каждом этапе, в противном случае, примесь неизбежно появится на всех этапах способа, а также в тонкой пленке конденсата на подложке.

Изменение химического состава покрытия на этапе поджига можно свести к минимуму путем применения лазерного поджига.

В лазерном поджиге имеется ряд причин, обусловливающих привнесенные химические примеси. Первая вызвана процессом самоочищения (регенерации прозрачности) рабочей поверхности окна оптического ввода от продуктов конденсации компонент плазмы вакуумной дуги (капельной фазы, ионизованной и нейтральной компоненты).

Кроме того, уровень химической чистоты в генераторе плазмы твердых веществ с лазерным поджигом может нарушаться вследствие эрозии материала анода, корпуса плазмовода при условии частичного отражения на анод (корпус плазмовода) лазерного излучения от торцевой рабочей поверхности катода.

Возможен другой вариант изменения химического состава многокомпонентного рабочего вещества, обусловленный длительностью _л этапа поджига, так как возможны два предельных варианта: _{л г} и _{л г}. В случае _{л г} происходит локализация катодных пятен в зоне взаимодействия лазерного излучения с торцевой рабочей поверхностью, что обусловливает локализацию тепловых источников (лазерное излучение, катодные пятна) перекрытие их изотерм плавления и образование зоны сплошного оплавления (избыток жидкой фазы), что стимулирует процесс возгонки легкоплавких компонент рабочего вещества, а также увеличивает энергозатраты на возбуждение. Таким образом, наиболее оптимален при возбуждении режим _{л г} модулированной добротности, когда выполняется условие , где - коэффициент поглощения, a - температуропроводность рабочего вещества.

Другим источником примеси в способе является тепловая анодная неустойчивость, которая имеет место вследствие неоднородного распределения электрического поля вблизи микронеоднородностей поверхностей элементов конструкции (анода, корпуса плазмовода, корпуса камеры смешения при l_ленг.>h_н (где l_ленг. - величина слоя Ленгмюра, h_н - высота неоднородностей) происходит пространственное перераспределение токопереноса из плазмы на их поверхности за счет локального увеличения электрического поля, что обусловливает высокую неоднородность тепловых источников и их локализацию в области указанных неоднородностей. Вследствие затрудненного теплоотвода с микронеровностей при _н>d_н (где h_н и d_н - высота и диаметр микронеровностей элементов конструкции соответственно) они подвергаются интенсивному тепловому воздействию, аккумулируя энергию, и за время развития тепловой анодной неустойчивости оплавляются (взрываются), создавая поток примеси.

Таким образом, чтобы снизить уровень примеси из области генерирования, обусловленной тепловой анодной неустойчивостью, необходимо свести к минимуму анодный скачок потенциала U_a (т.е. U_а)=0), или ограничивать время генерирования потока плазмы ( _г ) условием _г < _т.ан где _T.АН -время развития тепловой анодной неустойчивости. Первый вариант ( U_а = 0) неприемлем в способе, так как вблизи анода отсутствует потенциальный барьер и ионы уходят на анод, снижая эффективность генерирования плазмы. Поэтому U_а>0 и составляет по величине несколько значений ионных температур, а устранение примеси на этапе генерирования достигается ограничением его длительности.

Для уменьшения примесей из области транспортирования (внутренняя поверхность корпуса плазмовода) в случае тепловой анодной неустойчивости не представляется возможным выполнить условие U_см.т = 0 (так как для повышения эффективности транспортирования потока плазмы (ионов) по плазмоводу на его корпус всегда подается положительный потенциал смещения U_см.т >0, равный по величине нескольким значениям ионных температур), поэтому необходимо ограничивать время транспортирования _T условием _Т< _Т.АН. Характер образования привнесенных химических примесей на этапе смешения потоков плазмы (в камере смешения) аналогичен характеру образования химических примесей на этапе транспортирования (в плазмоводе), поэтому условие их отсутствия можно записать: _С< _Т.АН.С, где _С - время смешения потоков плазмы.

Применение в качестве плазмообразующего многокомпонентного вещества обусловливает, кроме тепловой анодной неустойчивости, еще ряд причин нарушения состава, присущих принципиально только такого рода плазмообразующему веществу и которые (причины) наблюдаются на всех этапах способа.

На этапе генерирования потока многокомпонентной плазмы имеется механизм, обусловливающий изменение химического состава непосредственно в области плазмообразования - катодных пятнах вакуумной дуги, различающихся временем жизни. С точки зрения изменения химического состава в плазме многокомпонентного рабочего вещества катодные пятна неравнозначны, так как фракционная возгонка легкоплавких компонентов плазмообразующего вещества наиболее эффективно происходит в ассоциациях (группа катодных пятен второго рода). "Технологическими" катодными пятнами являются пятна второго рода, так как энергетический спектр их ионов более оптимален W_i<W_{, поэтому длительность разряда определяется из условия Г II, где II - время жизни катодных пятен второго рода. Последнее обстоятельство, кроме снижения уровня фракционной возгонки легкоплавких компонент вещества, способствует снижению уровня капельной фазы, генерируемой из катодных пятен, вследствие меньших объемов жидкой фазы в области плазмообразования.}

На этапе транспортирования, в случае многокомпонентных потоков плазмы, имеется ряд механизмов, обусловливающих изменение химического состава вследствие наличия в плазме ионов химических элементов с различными массами M_i, m_i, а также различия в кратности ионизации (Z=! 1, 2, 3...) ионов, где M_i, m_i - масса тяжелого и легкого ионов соответственно. Наличие в способе криволинейного и неоднородного магнитного поля , а также скрещенного с ним электрического поля может стать причиной пространственного перераспределения ионов в многокомпонентном потоке по их массам M_i, m_i и кратности ионизации (Z) даже при наличии в исходном потоке после этапа генерирования пространственной однородности по этим параметрам.

Перераспределение может быть двух типов: радиальное и продольное. Радиальное перераспределение может быть обусловлено дрейфом кривизны, градиентным дрейфом ионов различной массы и кратности ионизации Z, а также центробежными силами за счет вращения плазмы, во-первых, в скрещенных полях и, во-вторых, относительно оси винтового магнитного поля.

Так как ионная компонента плазмы на этапе транспортирования не замагничена (r_i>D_т), поэтому указанные дрейфы могут реализоваться за счет электрон-ионных столкновений на длине L_т зоны транспортирования, равной где _ei - величина расстояния электрон-ионных столкновений. Обычно _T= (5-10)_ei, поэтому градиентный дрейф и дрейф кривизны не являются в способе лимитирующими факторами перераспределения ионов плазмы по M_i, m_i и Z. Эффект радиального перераспределения ионов за счет вращения плазмы в полях имеет максимальную эффективность при замагниченности ионной компоненты, так как в этот вид движения вовлечена непосредственно ионная компонента плазмы. В случае (когда r_i>D_т) непосредственно в вращении участвует только электронная компонента плазмы, так как она замагничена (r_i< _eei> 1 , где _eei> 1 - параметр Холла электронов), а вовлечение ионной компоненты возможно за счет электрон-ионных столкновений, т.е. аналогично градиентным дрейфам. Обычно L_т 10² см и определяется сверху условиями запирания капельной фазы.

Лимитирующими в способе для перераспределения являются центробежные силы, обусловленные вращением плазмы относительно оси винтового цилиндра, так как ионы непосредственно участвуют в этом виде движения даже при r_i>D_т. Этот механизм отсутствует, если: 1. N_пов.>N_объем. т.е. _ii D_Т , где N_пов., N_объем. - число столкновений ионов с поверхностью, ограничивающей зону транспортирования, и в объеме между собой соответственно.

2. , когда _ii< D_т, где V_i - скорость иона, n - концентрация плазмы, r_т - радиус кривизны зоны транспортирования, Т_i - ионная температура.

3.