Diagnoza Optic i Electric a Arcului Termoionic n Vid

Diagnoza optică şi electrică a arcului termoionic în vid C. Aniculaesei, A. Nastuta, V. Tiron, G. Popa Universitatea “Al.I.Cuza”, Facultatea de Fizic ă, Blvd Carol I Nr. 11, Iaşi, Romania 1. Introducere În funcţie de cerinţele tehnologice şi economice ale societ ăţii, s-au dezvoltat de-a lungul timpului diferite tehnologii de depunere a straturilor sub ţiri. Printre acestea un rol tot mai important, cu aplica ţii în domenii tot mai diverse, îl ocup ă arcul termoionic in vid. Arcul termoionic in vid este o desc ărcare electrică aprins ă în vaporii metalici ai unui anod, vapori ob ţinuţi prin bombardarea materialului anodic cu un fascicul energetic de termoelectroni [1-2]. Principalul avantaj al acestei metode este controlul u şor al energiei ionilor proveniţi din atomii materialului ce urmeaz ă a fi depus şi faptul c ă în timpul depunerii stratul sub ţire este continuu bombardat cu ioni energetici f ăr ă a fi nevoie s ă polarizăm substratul [3]. Un alt mare avantaj const ă în prezenţa unei densit ăţi mari de energie în preajma anodului ceea ce asigur ă o rată mare de depunere şi face ca această metodă să fie foarte util ă în depunerea de materiale refractare sau ceramici [4-5]. Aceste avantaje corelate cu faptul c ă descărcarea are loc în condi ţii de vid înalt face ca stratul depus s ă fie caracterizat prin înaltă puritate şi duritate, aderenta bun ă, rugozitate mic ă şi grad mare de compactitate [6]. Deşi aplicaţiile acestei tehnici s-au dezvoltat foarte mult în ultimele dou ă decenii, la ora actual ă se ştiu destul de pu ţine lucruri referitor la parametrii plasmei şi la modul cum influen ţează aceştia propiet ăţile filmului depus. În acest sens, în Laboratorul de Fizica Plasmei din cadrul Universit ăţii „Al.I.Cuza”- Iaşi fost construit ă de curând o instala ţie experimental ă pentru studiul arcului termoionic in vid. Principalele activit ăţi de cercetare au ca scop determinarea parametrilor optimi de funcţionare a arcului termoionic în vid, caracterizarea straturilor depuse din punct de vedere compozi ţional, morfologic şi structural şi diagnoza plasmei fol osind meto de electrice, o ptice şi spectrale. 2. Descrierea instalaţiei experimentale Instala ţia experimentală constă dintr-o incint ă de inox, prevăzută cu diferite porturi pentru ata şarea sistemelor de diagnoz ă optică si electrică, în interiorul căreia se află sistemul de electrozi ai desc ărcării. În interiorul incintei este necesar ob ţinerea unui vid cât mai înalt drept, pentru care se folose şte un sistem de pompare format dintr-o pomp ă de vid preliminar si o pompa turbomol ecular ă. Sistemul de electrozi este format dintr-un anod şi un tun electronic cu rol de catod (figura 1). Anodul const ă dintr-un creuzet din wolfram în interiorul c ăruia este plasat materialul ce urmeaz ă a fi evaporat, în cazul de fat ă, cupru. Catodul este realizat sub forma unei bobine cu 4 spire dintr-un fir de wolfram cu grosimeal de 0.5 mm si este imbracat de cilindrul Wehnelt folosit pentru focalizarea termoelectronilor. Atât catodul cât şi incinta de lucru se afl ă la potenţialul pământului pe când anodul se afl ă la un poten ţial foarte ridicat faţă de acestea. Tunul electronic este montat pe un sistem liniar de deplasare ce permite modificarea distanţei dintre electrozi în timpul oper ării arcului termoionic. Unghiul dintre direc ţia catodului si normala la suprafaţa anodului este în cazul de fa ţă fixat la valoarea de 60 0 . Pentru aprinderea şi menţinerea desărcării este necesar ca termoelectronii proveni ţi de la filament s ă fie focaliza ţi şi accelerati spre anod astfel încât s ă producă topirea şi evaporarea materialului anodic şi s ă realizeze în spaţiul interelectrodic o presiune suficient de mare de vapori ai materialului anodic [7]. Figura 1. Aranjament experimental; Anodul este alimentat de o surs ă de curent continuu (Heinzinger PNC), ce permite ob ţinerea unor tensiuni de pân ă la 1500 V şi a unor curenţi de până la 800 mA. Catodul este alimentat separat de la o sursa de filament (LAB EC 3020) ce permite ob ţinerea unor curenţi de pana la 22 A. Pentru operarea des ărcării în regim stabil se folose şte o rezistenţă de balast cu valoarea de 275 Ω. 3. Rezultate experimentale şi discuţii 3.1 Principiul arcului termoionic în vid O caracterizare din punct de vedere electric a arcului termoionic în vid se poate face analizând caracteristica volt-amperic ă a descărcării (figura 2). Arcul termoionic în vid este o desc ărcare electrică între un filament adus la termoemisie şi un anod ce con ţine materialul ce urmează a fi depus. Căderea de potenţial pe anod trebuie s ă fie mare pentru a asigura o presiune de vapori metalici suficient de mare în spa ţiul interelectrodic pentru a intre ţine descărcarea după aprinderea acesteia. Căderea catodică, care depinde de poziţia relativă a electrozilo r şi de curentul de filament, trebuie să asigure producerea unui num ăr suficient de ioni pentru a între ţine descărcarea. Pentru aprinderea desărcării, mai întâi se aduce filamentul la termoemisie apoi se aplic ă o tensiune continu ă între anod şi catod. Datorit ă bombardamen tului cu termoelectron i accelera ţi în c ăderea de potenţial dintre anod şi catod, materialul anodic mai întâi de tope şte iar apoi se evapor ă asigurând o concentra ţie stabil ă de atomi ai materialului anodic în spa ţiul interelectrodic. Se poate observa c ă

Diagnoza Optic i Electric a Arcului Termoionic n Vid

Documents

Transcript of Diagnoza Optic i Electric a Arcului Termoionic n Vid