DE3152131C2 - Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage - Google Patents

Description

dadurcn gekennzeichnet,
daß das Solenoid (4, 9) die Kathode (i) und die Anode (5) in voller Länge umfaßt, wobei die Windungszahl je Längeneinheit in dem die Kathode (1) umfassenden Teil (9) des Solenoids größer als die Windungszahl je Längeneinheit im übrigen Teil (4) des Solenoids ist,

und daß die Zündelektrode (6) an der Mantelfläche (2) der Kathode (1) zwischen der Arbeitsfläche (3) und dem Maximum der Magnetfeldstärke im Inneren des Solenoids (9) angeordnet ist.

2. Vakujm-Lichtbogen-Plasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl je Längeneinheit des die Kathode (1) umfassenden Teils (9) des Solenoids die Windungszahl je Längeneinheit im übrigen Teil (4) des Solenoids mindestens um das Zweifache übertrifft.

Die Erfindung betrifft eine Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage, insbesondere zur Plasmabehandlung TOn Werkstückoberflächen, mit einer sich selbst verzehrenden Kathode, die eine Arbeitsstirnfiäche, von der der Lichtbogen ausgeht, und eine Mantelfläche aufweist, einer zur Kathode koaxial angeordneten rohrförmigen Anode, einem Solenoid, das koaxial zur Kathode und Anode angeordnet ist und die Kathode sowie die Anode jeweils mindestens teilweise umfaßt, und einer benachbart zur Kathode angeordneten Zündelektrode.

Eine derartige Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage zeigt die DE-OS 29 02 142. Die dort beschriebene Plasmaanlage dient zum Auftragen von Überzügen im Vakuum und weist eine Zündelektrode auf, die gegenüber der Arbeitsstirnfläche der Kathode angeordnet ist. Nach dem Zünden des Plasmas stellt sich bei dieser bekannten Plasmaanlage eine stationäre Bogenentladung zwischen der Anode und der Kathode ein, wodurch bei längerem Betrieb die im Bereich der Bogenentladung befindliche Zündelektrode zerstört werden kann. Die Abstrahlcharakterisitik dieser Anordnung ist aufgrund der Geometrie des Solenoids sehr divergent, wodurch nur ein Teil des abgesputtertcn Kathodenmaterials auf die zu beschichtenden Werkstücke gelangt.

Die US-PS 36 25 848 zeigt eine Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage, bei der die Anode außerhalb des Solenoids liegt. Auch bei dieser Anlage wird die Plasmaentladung auf der Stirnfläche der Kathode gezündet.

Die SU-PS 5 63 826 betrifft eine Sputicranlage, bei der die zu beschichtenden Teile in einer Ebene mit der Kathodenarbeitsstirnfläche liegen. Die Magneispulen dienen ausschließlich dazu, die Ionen des Plasmas uni/.iilenken, damit diese auf die zu beschichtenden Teile treffen können. Eine Scheibe dient dabei als Abschirmung der Öffnung, die zu einer Vakuumanlage führt. Es handelt sich um eine halbschalenförmige Anode, um deren Außenwand eine Spule gewickelt ist, die beide zusanimen zur Umlenkung der Ionen des Plasmas dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine V;ikuum-Lichtbogen-Plasmaanlage der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß eine hohe effektive Nutzung des verdampfenden Kaihoden-Werkstoffs sowie ein stabiler Betrieb der Anlage sichergestellt wird.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch I angeführten Merkmale gelöst.

Der Unteranspruch enthält eine zweckmäßige wcitcre Ausbildung.

Die erfindungsgemäße Piasmaanlage ermöglicht die Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Maximum von der Zündelektrode in der zur Arbeitsstirnfläche entgegengesetzten Richtung verlagert ist. Demzufolge wird der durch die Kathode erzeugte Plasmastrahl in das axial-symmetrische magnetische Läagsfeld mit einer »Sperre« hinter der Arbeitsstirnfiäche der Kathode injiziert. Der Plasmastrahl gelangt ungehindert zum Ausgang der Anlage, weil er auf seinem Wege auf keine Potentiafschweüe stößt., die ihn aufhallen könnte. Darüber hinaus wird die Ionenkomponente des Plasmas durch die in bezug auf die Kathode positiv geladenen äquipotentialen Flächen, die sich hinter der Zündelektrode an der der Arbeitsstirnfiäche der Kathode entgegengesetzten Seite verjüngen, mit ausreichender Effektivität an den Ausgang der Anlage zurückgespiegelt, und durch die Radialkomponente des elektrischen Feldes im Inneren der rohrförmigen Anode wird das Abwandern der Ionen an die Wandung en verhindert.

Ferner werden optimale Bedingungen für ein stabiles Zünden und Aufrechterhalten der Bogenentladung geschaffen. Tatsächlich wird der Kathodenbrennfleck beim Zünden an der Seitenfläche der Kathode in dem Abschnitt initiiert, wo der spitze Winkel zwischen ilen magnetischen Kraftlinien und der Oberfläche der Kathode zu deren Arbeitsstirnfiäche hin geöffnet ist. Der Kathodenbrennfleck wanden in diesem Fall über die Seitenfläche der Kathode an ihre Arbeiisstirnfläche. Daher werden praktisch alle von der Kathode cr/.cugten Ionen ohne Verluste an den Ausgang der Anlagttransportiert, wodurch die höchste Effektivität der Nutzung des verdampfenden Werkstoffs erreicht wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, welche eine Vukuum-Lichtbogen-Plasniaanlage im Querschnitt schematisch zeigt.

Die Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage enthält eine sich selbst verzehrende Kathode I mit einer Mantelfläche 2 und einer Arbeitsstirnflächc 3, ein koaxial /.ur Kathode 1 angeordnetes Solenoid 4, 9, eine in diesem gelagerte rohrförmige Anode 5 sowie eine Zündelektrode 6 auf einem keramischen Verbindungssteg 7. welcher an der Mantelfläche 2 der Kathode 1 anliegt. Die Anode 5 ist innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 8 untergebracht, auf welchem das Solenoid 4,9 angeordnet ist.

Ein Teil 9 des Solenoids umfaßt die Kathode I in einer Länge von 100 cm. Eine Hälfte des Teils 9 des Solenoids befindet sich hinter der Zündelektrode 6 an der der

Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1 entgegengesetzten Seile. Die Kathode 1 und die Zündelektrode 6 weisen Vakuum-Stromdurchführungen 10 und 11 auf, welche durch einen am zylindrischen Gehäuse 8 angeordneten Siirndeckcl 12 abgedichtet hindurchgehen.

Das zylindrische Gehäuse 8 steht mit einer Vakuumkammer 13 in Verbindung, in der eine Unterlage 14 untergebracht ist. Zur Kühlung der rohrförmigen Anode 5 ist ein Hohlraum 15 vorgesehen. Der Hohlraum zur Kühlung der Kathode 1 ist in der Zeichnung nicht gezeigt. Ferner ist ein Zündimpulsgenerator 16 und eine I .ichtbogenspeisequelle 17 vorgesehen. Die Gleichstromsp^isungsquelle des Solenoids 4,9 ist in der Zeichnung nicht gezeigt.

Die Wirkungsweise der Vakuum-Lichtbogen-PIasmaanlagc ist folgende:

Durch Einschalten der Speisequelle 17 der Bogenentladung und der Speisequelle des Solenoids 4,9 wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinienverlauf gestrichelt angedeutet ist.

Die maximale magnetische Feldstärke des Solenoids cntfäüt auf den Teil 9 und liegt in der Nähe der Zündelektrode 6 an der der Arbeitsstirnfläche 3 entgegengesetzten Seite. Der Zündimpulsgenerator 16 der Zündelektrode 6 wird eingeschaltet und es entsteht eine Funkencntladung an der Oberfläche des keramischen Stegs 7 der Zündelektrode 6, die den Kathodenbrennfleck der Bogenentladung zwischen der Mantelfläche 2 der Kathode 1 und der rohrförmigen Anode 5 bildet Der Kaihodcnbrennfleck wandert in Richtung der Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1, weil sich die magnetischen Kraftlinien mit der Mantelfläche 2 der Kathode 1 unter einem spitzen Winkel schneiden, der zur Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1 hin gerichtet ist, und gelangt an die Arbcitsstirnflächc 3, indem er unregelmäßige Bewegun-

Unter Einwirkung des elektrischen Feldes, dessen Äquipotentiallinien durch die Gestalt des Magnetfeldes bestimmt wird, wird der erzeugte Plasmastrahl aus dem verdampfenden Werkstoff der Kathode 1 vollständig zur Unterlage 14 gerichtet, an welcher die zu behandelnden Werkstücke (nicht gezeigt) befestigt sind.

Der Plasmastrahl aus dem verdampften Werkstoff der Kathode 1 wird längs der rohrförmigen Anode 5 praktisch ohne Verluste transportiert, weil das elektrisehe Radialfeld das Abwandern der lonenkomponente dos Plasmastrahls an die Anodenwände verhindert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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gen ausführt. B

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage, insbesondere zur Plasmabehandlung von Werkstückoberflächen, mit

— einer sich selbst verzehrenden Kathode (1), die eine Arbeitsstirnfläche (3), von der der Lichtbogen ausgeht, und eine Mantelfläche (2) aufweist,

— einer zur Kathode (1) koaxial angeordneten rohrförmigen Anode (5),

— einem Solenoid (4, 9), das koaxial zur Kathode (1) und Anode (5) angeordnet ist und die Kathode (1) sowie die Anode (5) jeweils mindestens teilweise umfaßt, und

— einer benachbart zur Kathode (1) angeordneten Zündelektrode (6),