The influence of plasma treatment of different cathode materials on current-voltage characteristics of mirror discharge in air

The behavior was investigated of current-voltage characteristics of Penning discharges in air atmosphere. Such materials were used as cathodes: stainless steel 12KH18N10T, iron, nickel, titanium, copper, aluminum, tungsten. It had been shown the behavior of current-voltage characteristics of Ti, Cu, W is typical for Penning discharges. But, if to use stainless steel or Al cathodes, no typical behavior of current-voltage characteristics was observed, namely, the discharge current abrupt increase after threshold value of discharge voltage. The physical-chemical mechanism is suggested and discussed to explain this effect.Исследовано поведение вольт-амперных характеристик (ВАХ) разрядов Пеннинга в атмосфере воздуха. В качестве катодов были использованы такие материалы: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, железо, никель, титан, медь, алюминий, вольфрам. Показано, что поведение вольт-амперных характеристик плазмы для таких материалов катода как титан, медь, вольфрам типично для отражательного разряда. Но при использовании в качестве материалов катода нержавеющей стали и алюминия наблюдалось не типичное поведение вольт-амперных характеристик, а именно, резкий рост тока при превышении порогового значения напряжения. Предлагается физико-химический механизм для объяснения этого эффекта.Досліджена поведінка вольт-амперних характеристик (ВАХ) розрядів Пеннінга в атмосфері повітря. Як катоди були використані такі матеріали: нержавіюча сталь 12Х18Н10Т, залізо, нікель, титан, мідь, алюміній, вольфрам. Показано, що поведінка вольт-амперних характеристик плазми для таких матеріалів катода як титан, мідь, вольфрам типово для відбивного розряду. Але при використанні в якості матеріалів катода нержавіючої сталі і алюмінію спостерігалася не типова поведінка вольт-амперних характеристик, а саме, різке зростання струму при перевищенні порогового значення напруги. Пропонується фізико-хімічний механізм для пояснення цього ефекту

Erosion behavior of tungsten coatings in magnetron type discharges with hot cathode

The investigations of erosion behavior of vacuum-arc deposited and chemical vapor deposited W-coatings were carried out under steady state plasma impact in magnetron type discharges of cylindrical configuration. For comparison the erosion characteristics were measured for dense bulk tungsten, too. It was shown that erosion rate values both for vacuum-arc deposited and chemical vapor deposited W-coatings are near to that for dense bulk tungsten. The measured erosion rate dependence on atomic number is in good agreement with the data calculated from the equation for mass dependence of physical ion sputtering.Проведені дослідження ерозійної поведінки покриттів вольфраму, осаджених вакуумно-дуговим і газофазним способом, при дії стаціонарної плазми розрядів магнетронного типу циліндрової конфігурації. Для порівняння зміряні також ерозійні характеристики масивного вольфраму. Показано, що величини швидкості ерозії для вакуумно-дугових і газофазних покриттів близькі до таких для щільного масивного вольфраму. Зміряна залежність швидкості ерозії від атомного номера іонів знаходиться в хорошій згоді з розрахунковою по рівнянню для залежності фізичного розпилювання металу від маси іонів.Проведены исследования эрозионного поведения покрытий вольфрама, осажденных вакуумно-дуговым и газофазным способом, при воздействии стационарной плазмы разрядов магнетронного типа цилиндрической конфигурации. Для сравнения измерены также эрозионные характеристики массивного вольфрама. Показано, что величины скорости эрозии для вакуумно-дуговых и газофазных покрытий близки к таковым для плотного массивного вольфрама. Измеренная зависимость скорости эрозии от атомного номера ионов находится в хорошем согласии с расcчитанной по уравнению для зависимости физического распыления металла от массы ионов

Erosion of vacuum-arc TiN coatings in plasma of stationary magnetron-type discharges

Studies were made into erosion of titanium nitride coatings deposited onto stainless steel substrates in two different ways of vacuum-arc technology: with and without feeding high-voltage negative pulses on the substrate. A possible physical mechanism is offered and discussed to explain the different character of erosion behavior.Досліджено ерозію покриттів з нітриду титану, осаджених на підкладки з неіржавіючої сталі двома різними методами вакуумно-дугової технології: з подачею і без подачі високовольтних імпульсів негативної полярності на підкладку. Пропонується і обговорюється фізичний механізм для пояснення різного характеру ерозійної поведінки.Исследована эрозия покрытий из нитрида титана, осажденных на подложки из нержавеющей стали двумя различными методами вакуумно-дуговой технологии: с подачей и без подачи высоковольтных импульсов отрицательной полярности на подложку. Предлагается и обсуждается физический механизм для объяснения различного характера эрозионного поведения

Palladium erosion behavior under low/high local hydrogen recycling in steady state plasmas

Sputtering experiments were carried out in steady state plasma of a mirror Penning discharge with cathodes made from hydrogen saturated/non-saturated palladium. For the both cases no difference in erosion behavior was found under hydrogen, helium or nitrogen plasma impact, in contrast to observed earlier erosion behavior of deuterium saturated/non-saturated lithium. Possible reasons are suggested and discussed to explain such erosion behavior

The effect of nitrogen pressure during vacuum-arc TiN coatings deposition on the erosoin resistance in plasma of magnetron type discharges

The erosion process was investigated of TiN coatings which were made with the vacuum-arc sputtering of Ti at the different nitrogen pressures (10⁻⁴…5•10⁻³ Torr). The erosion rates were measured by the weighting on analytical balance before and after treatment by plasmas of magnetron type, axial symmetrical discharges in nitrogen atmosphere, at the temperatures of 500…1100ºС. It was shown that an erosion rate of TiN coatings deposited at low pressures (~10⁻⁴ Torr) is essentially (up to 1.5 times) lower than that for coatings produced at the more high pressures (5•10⁻³ Torr). For samples produced in the regime with high voltage pulses supply on substrate the erosion is lower than for coatings deposited in the regime without pulses supply. Taking into account the results of X-ray diffraction measurements, the physical mechanisms are suggested to explain such character of erosion behavior.Исследован процесс эрозии TiN-покрытий, полученных вакуумно-дуговым распылением титана при различных давлениях азота (10⁻⁴…5•10⁻³ Торр). Скорости эрозии измерялись методом взвешивания на аналитических весах до и после плазменной обработки в атмосфере азота при температурах 500…1100ºС. Обнаружено, что скорость эрозии TiN-покрытий, осажденных при низких давлениях (~1•10⁻⁴ Торр), существенно (до полутора раз) ниже, чем для покрытий, нанесенных при более высоких давлениях азота (5•10⁻³ Торр). Для образцов, полученных в режиме с подачей импульсов на подложку, эрозия в среднем несколько ниже, чем у покрытий, осажденных в безимпульсном режиме. С учетом результатов исследований покрытий методом рентгеновской дифракции предложены и обсуждаются возможные физические механизмы для объяснения такого характера поведения эрозии.Досліджено процес ерозії TiN-покриттів, отриманих вакуумно-дуговим розпилюванням титану при різному тиску азоту (10⁻⁴…5•10⁻³ Торр). Швидкості ерозії вимірювалися методом зважування на аналітичних вагах до і після плазмової обробки в атмосфері азоту при температурах 500…1100ºС Виявлено, що швидкість ерозії TiN-покриттів, осаджених при нижчому тиску (~1•10⁻⁴ Торр), істотно нижче, ніж для покриттів, нанесених при вищому тиску азоту (5•10⁻³ Торр). Для зразків, отриманих у режимі з подачею імпульсів на підкладку, ерозія в середньому декілька нижча, ніж у покриттів, осаджених у безімпульсному режимі. З урахуванням результатів досліджень покриттів методом рентгенівської дифракції запропоновані і обговорюються можливі фізичні механізми для пояснення такого характеру поведінки ерозії

Investigation of some factors influence on the work of extra pure hydrogen generator

The developed models of ultra-pure hydrogen generators had been designed, produced and tested. The influence of membrane temperature and form, position in the flame, installation of additional screens etc. were investigated. The special device, so called hydrogen compremator (accumulator-compressor), was designed, produced and investigated. Its function is to accumulate low pressure pure hydrogen flow (pressure is less than 1 Torr) from generator and to convert it to high hydrogen pressure of about 15 atm in the compremator volume. The combined work of hydrogen generator and compremators was investigated. Hydrogen generator and compremator were tested in the regime of pure hydrogen puffing in plasma device DSM-1, providing the required parameters during experiment on the examine of metal erosion. The examines had shown capacity for work of both hydrogen generator and compremator in the conditions of real plasma physical experiments.Разработаны, изготовлены и испытаны усовершенствованные модели генераторов особо чистого водорода. Изучено влияние на производительность генераторов таких факторов, как температура и форма диффузионно-каталитических мембран, их положение в пламени, установка дополнительных экранов и др. Специальное устройство, так называемый компрематор (аккумулятор-компрессор водорода), был изготовлен и испытан. Его функцией является накопление водорода низкого давления (ниже 1 Торр), поступающего из генератора, и конвертация его в водород высокого давления (около 15 атм) в объёме компрематора. Исследована совместная работа генератора водорода и компрематора. Генератор и компрематор испытаны в режиме напуска чистого водорода в плазменную установку ДСМ-1, обеспечивая необходимые параметры во время экспериментов по изучению эрозии металлов. Испытания показали хорошую работоспособность генератора и компрематора в условиях реального физического эксперимента.Розроблено, виготовлено і випробувано вдосконалені моделі генераторів особливо чистого водню. Вивчено вплив на продуктивність генераторів таких чинників, як температура і форма дифузійно-каталітичних мембран, їх положення в полум'ї, установка додаткових екранів і ін. Спеціальний пристрій, так званий компрематор (акумулятор-компресор водню), був виготовлений і випробуваний. Його функцією є накопичення водню низького тиску (нижче 1 Торр), що поступає з генератора, і конвертація його у водень високого тиску (близько 15 атм) в об'ємі компрематора. Досліджена спільна робота генератора водню і компрематора. Генератор і компрематор випробувані в режимі напуску чистого водню в плазмову установку ДСМ-1, забезпечуючи необхідні параметри під час експериментів з вивчення ерозії металів. Випробування показали хорошу працездатність генератора і компрематора в умовах реального фізичного експерименту

Erosion behavior of nickel diffusion membranes in conditions of water electrolysis

Preliminary studies of the erosion resistance of Ni diffusion membranes under the conditions of water electrolysis in various modes were carried out. Particular attention was paid to the time dependencies of the current, voltage and the electrolyte temperature during the process. Both electrodes, anode and cathode, were in the form of tubes of Ni-99.5% wt. The electrolyte was pure drinking water after the filter with mineralization (ppm) 14, as well as water with the addition of sodium bicarbonate (mineralization 140...160 ppm). It is demonstrated that after several hours of operation cathodes showed no signs of erosion or other damages. The degree of erosion was assessed by weighing, and the state (morphology) of the surface was visually examined using an optical microscope. As for the anode, even when electrolyzing sufficiently pure water (ppm = 14), there is noticeable erosion and surface damage. To elucidate the reasons for such behavior of Ni electrodes, further studies are planned, in particular, using some other materials as an anode.Проведено попередні дослідження ерозійної стійкості дифузійних мембран з Ni в умовах електролізу води в різних режимах. Особливу увагу було приділено вимірюванню залежності струму та напруги на електродах, температури електроліту від часу процесу. Обидва електроди, анод та катод, були виконані у вигляді трубок з Ni-99,5 ваг.%. Як електроліт використовували чисту воду після фільтра з мінералізацією 14 проміле, а також воду з додаванням соди (мінералізація 140...160 проміле). Показано, що катоди після декількох годин роботи не виявили жодних ознак ерозії чи інших ушкоджень. Ступінь ерозії оцінювали шляхом зважування, а стан (морфологію) поверхні візуально за допомогою оптичного мікроскопа. Що стосується анода, навіть при електролізі достатньо чистої води (14 проміле), спостерігається суттєва ерозія та пошкодження поверхні. Для з’ясування причин такої поведінки планується провести подальші дослідження, зокрема, використовуючи інші матеріали в якості аноду

Helium release from 12Cr18Ni10Ti stainless steel after impact of steady-state glow discharge helium plasma

The thermal desorption experiments were carried out to study the process of helium outgassing from the stainless steel 12Cr18Ni10Ti after exposure to a steady state glow discharge (GD) plasma in He atmosphere. The currentvoltage characteristics in different plasma regimes have been measured and estimation of He ions energy has been made. Measurements of He release from the stainless steel probes showed the saturation of probe surface with He after the fluencies of ~ 4⋅10¹⁹ ion/cm². The value of He outgassing strongly depends on the regime of GD plasma: pressure of work gas, discharge voltage, etc. Several maximums, including the maximum at the temperature of 100…150 °C, were registered in the He desorption curves that indicated different He atom states on the surface and in the nearest surface bulk. Physical mechanisms of such He outgassing are discussed.Проведені термодесорбційні експерименти по вивченню процесу виділення гелію з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т після дії плазми стаціонарного тліючого розряду в атмосфері He. Зміряні вольт-амперні характеристики в різних режимах плазми, і проведена оцінка енергії іонів He. Вимірювання газовиділення He з нержавіючої сталі методом імпульсної термодесорбції показали, що спостерігається насичення поверхні зонда гелієм при дозах ~ 4⋅10¹⁹ іон/см². Величина швидкості десорбції He сильно залежить від режиму плазми: тиску робочого газу, напрузі розряду і т.д. На кривих десорбції He зареєстровано кілько максимумів, включаючи максимум при 100…150 °C, що вказує на різні стани перебування атомів He на поверхні і в приповерхневому об'ємі. Обговорюються фізичні механізми такої поведінки газовиділення He.Проведены термодесорбционные эксперименты по изучению процесса выделения гелия из нержавеющей стали 12Х18Н10Т после воздействия плазмы стационарного тлеющего разряда в атмосфере He. Измерены вольт-амперные характеристики в различных режимах, и произведена оценка энергии ионов He. Измерения выхода He из нержавеющей стали методом импульсной термодесорбции показали, что наблюдается насыщение поверхности зонда гелием при дозах ~ 4⋅10¹⁹ ион/см². Величина газовыделения He сильно зависит от режима плазмы: давления рабочего газа, напряжения разряда и т.д. На кривых десорбции He зарегистрирован ряд максимумов, включая максимум при температуре 100…150 °C, указывающих на различные состояния атомов He на поверхности и в приповерхностном объеме. Обсуждаются физические механизмы такого характера газовыделения He

Hydrogen permeation through VPD and CVD tungsten films on palladium

Isobars and isotherms were measured for hydrogen permeation through porous tungsten films on palladium, activation energy values were calculated for various Pd-W systems. The analysis of the obtained data and its comparison with the ones for dense tungsten coatings are carried out.Представлено результати дослідження ізобар та ізотерм проникнення водню крізь пористі плівки вольфраму на паладії, визначені величини енергії активації водневої проникності у системах Pd-W. Проведено аналіз одержаних даних і порівняння з даними що до щільних вольфрамових покриттів.Представлены результаты исследований изобар и изотерм проникновения водорода через пористые пленки вольфрама на палладии, определены величины энергии активации водородопроницаемости в различных системах Pd-W. Проведен анализ полученных данных и сравнение с данными для плотных вольфрамовых покрытий

Vacuum-plasma properties of stainless steel after impact of combined glow-microwave discharges in argon atmosphere

The experiments were carried out to determine the vacuum-plasma characteristics (mainly erosion and outgassing rate in a vacuum) of the stainless steel 12X18H10T before and after processing the walls of the vacuum chamber with the glow discharge and combined, glow-microwave plasma discharges in argon atmosphere. The current-voltage characteristics, the electron density and electron temperature were measured. It was observed that the discharge voltage in the combined regime is significantly lower than in glow discharges. In some modes, this voltage decrease can be up to 200 V. It was shown that erosion of stainless steel 12X18H10T in the combined discharges is ≈ 70 %, less than in the glow discharges. Measurements were made of the outgassing rate of 12X18H10T stainless steel with the thermal desorption probe in situ in the DSM-1 vacuum chamber. It was shown that cleaning the chamber wall by the glow discharge during 5 h leads to a decrease in the outgassing rate from 5.5·10⁻⁵ to 1·10⁻⁵ (Torr.l)/(s.cm²). When the chamber wall is treated with GM discharge starting from nearly the same initial conditions the outgassing rate decreased to 3·10⁻⁶ (Torr.l)/(s.cm²). Spectral measurements of the plasma radiation of a glow and combined discharges show a decrease in the ratio of the peaks of argon ions and neutrals during the transition from a glow discharge to a combined one.Проведені експерименти з визначення вакуумно-плазмових характеристик (ерозія, газовиділення у вакуумі) нержавіючої сталі 12Х18Н10Т до і після обробки стінок вакуумної камери плазмою тліючого і комбінованого (тліючий розряд з введенням НВЧ-потужності) розрядів в аргоні. Вимірювались вольтамперні характеристики, електронна густина, потенціал плазми. Показано, що напруга розряду в комбінованому режимі істотно нижча, ніж у тліючому. У деяких режимах це зниження може бути до 200 В. Показано, що ерозія нержавіючої сталі 12Х18Н10Т у комбінованому розряді приблизно на 70 % менша, ніж у тліючому. Проведені вимірювання швидкості газовиділення нержавіючої сталі 12Х18Н10Т in situ у вакуумній камері ДСМ-1. Показано, що чищення стінки камери тліючим розрядом протягом 5 годин призводить до зниження швидкості газовиділення з 5,5·10⁻⁵ до 1·10⁻⁵ (Торр·л)/(с·см²). А при обробці стінки камери комбінованим розрядом за цей же час швидкість газовиділення зменшується до 3·10⁻⁶ (Торр·л)/(с·см²). Проведені спектральні вимірювання випромінювання плазми тліючого і комбінованого розрядів. Аналіз спектрів показує зменшення співвідношення інтенсивностей піків іонів аргону і нейтралів при переході від тліючого розряду до комбінованого.Проведены эксперименты по определению вакуумно-плазменных характеристик (эрозия, газовыделение в вакууме) нержавеющей стали 12Х18Н10Т до и после обработки стенок вакуумной камеры плазмой тлеющего и комбинированного (тлеющий разряд с введением СВЧ-мощности) разрядов в аргоне. Измерены вольт-амперные характеристики, электронная плотность, потенциал плазмы. Показано, что напряжение разряда в комбинированном режиме существенно ниже, чем в тлеющем. В некоторых режимах это снижение может быть до 200 В. Показано, что эрозия нержавеющей стали 12Х18Н10Т в комбинированном разряде на ≈ 70 % меньше, чем в тлеющем. Проведены измерения скорости газовыделения нержавеющей стали 12Х18Н10Т in situ в вакуумной камере ДСМ-1. Показано, что чистка стенки камеры тлеющим разрядом в течение 5ч приводит к снижению скорости газовыделения примерно в пять раз ‒ с 5,5·10⁻⁵ до 1·10⁻⁵ (Торр·л)/(с·см²). А при обработке стенки камеры комбинированным разрядом за это же время скорость газовыделения снижается до 3·10⁻⁶ (Торр.л)/(с.см²). Проведены спектральные измерения излучения плазмы тлеющего и комбинированного разрядов. Анализ спектров показывает уменьшение соотношения интенсивностей пиков ионов аргона и нейтралов при переходе от тлеющего разряда к комбинированному