Scaling Law for a Low-Pressure Gas Breakdown in a Homogeneous DC Electric Field

Gas breakdown in nitrogen, air, and oxygen in a dc electric field at various interelectrode distances L is studied experimentally. A scaling law for a low-pressure gas breakdown Udc=f(pL,L/R) is deduced. According to this scaling law, the breakdown voltage Udc is a function not only of the product of the gas pressure p and the gap length L, but also of the ratio of the gap length L to the chamber radius R. It is shown that, for any dimensions of the cylindrical discharge chamber (in the range of L/R under investigation), the ratio of the breakdown electric field to the gas pressure p at the minimum of the ignition curve remains constant: (Edc/p)min = const. A method for calculating the ignition curve in a cylindrical discharge chamber with arbitrary values of L and R is proposed

Experimental Study of a Low-Pressure Glow Discharge in Air in Large-Diameter Discharge Tubes: I. Conditions for the Normal Regime of a Glow Discharge

The initiation and characteristics of a low-pressure glow discharge in air in large-diameter discharge tubes are studied. A deviation from the Paschen law is observed: the breakdown curves Udc(pL) shift toward the higher values of Udc and pL as the interelectrode distance L increases. It is shown that the normal regime of a glow discharge is accompanied by gas ionization in the anode sheath. This takes place only for pL values lying to the right of the inflection point in the breakdown curve. The cathode-sheath characteristics in the normal and abnormal regimes of an air discharge for a duralumin cathode are determined. The axial profiles of the ion density, electron temperature, and plasma potential, as well as the anode voltage drop, are measured at various air pressures

Low-pressure gas breakdown in uniform dc electric field

This paper studies in experiment and theory the breakdown of argon, nitrogen, air and oxygen in a uniform dc electric field at different discharge gaps L, discharge tube radii R and cathode materials. At arbitrary geometric dimensions of the cylindrical discharge vessel and cathode materials the ratio of the breakdown electric field value to the gas pressure p at the minimum of the breakdown curves is shown to remain constant, (Edc/p)min ≈ constant. A modified breakdown law for the low-pressure dc discharge Udc = f (pL, L/R) is obtained. That is, the breakdown voltage Udc is shown to depend not only on the product pL, but also on the ratio L/R. A method is presented enabling one to predict a dc breakdown curve in the cylindrical discharge vessel possessing arbitrary L and R values from the measured data on the dc breakdown

Characteristics of discharge in crossed ЕxН fields near breakdown curve in acceleration and plasma regime

In the present study the characteristics of discharge in crossed EH fields in acceleration and plasma regimes have been researched at low voltages near the breakdown curve. The new experimental data for current-voltage characteristic and their dependence on argon pressure and magnetic fields strength are presented. It is shown that initial stage of the current-voltage characteristic in acceleration and plasma regime are quite similar and correspond to regime with “oscillating” electrons. The theoretic model based on the energy balance of electrons in plasma regime is presented as well as the comparison of the theory with the experiment. The obtained results may be useful for further development of magnetron sputtering systems and plasma accelerators with closed electrons drift.Исследованы характеристики разряда в скрещенных ЕxН полях в ускорительном и плазменном режимах вблизи порога зажигания. Получены новые экспериментальные данные для вольт-амперных характеристик и их зависимости от давления и напряженности магнитного поля. Показано, что стартовые участки вольт- амперных характеристик в ускорительном и плазменном режимах идентичны и соответствуют режиму с «осциллирующими» электронами. Также представлена теоретическая модель на основе энергетического баланса электронов и проведено сравнение с экспериментом. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития магнетронных распылительных систем и плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов.Досліджено характеристики розряду в схрещених ЕxН полях у прискорювальному та плазмовому режимах поблизу порогу запалювання. Отримано нові експериментальні дані для вольт-амперних характеристик та їх залежності від тиску та сили магнітного поля. Показано, що стартові участки вольт- амперних характеристик у прискорювальному та плазмовому режимах ідентичні і відповідають режиму з «осцилюючими» електронами. Також представлено теоретичну модель на базі енергетичного балансу електронів та проведено порівняння з експериментом. Отримані дані будуть корисні для подальшого розвитку магнетронних розпилювальних систем та плазмових прискорювачів з замкнутим дрейфом електронів

Optical and mass spectra from reactive plasma at magnetron deposition of tantalum oxynitride

Processes in reactive plasma during the magnetron deposition of tantalum oxynitride with ICP activation of reactive gas are studied in dependence on Oxygen fraction. Results of spectroscopic study of optical emission from the plasma and of mass-spectrometry of gas composition in the vacuum chamber in response to ignition of magnetron discharge and inductively coupled plasma are presented. It is shown that dissociation level of all species grows with the magnetron current increase while its dependence on oxygen/nitrogen ratio is non-monotonic.Вивчаються процеси в реактивній плазмі під час магнетронного осадження оксинітриду танталу з ICP-активацією реактивного газу залежно від частки кисню. Представлені результати спектроскопічного дослідження оптичного випромінювання з плазми та мас-спектрометрії газового складу у вакуумній камері у відповідь на запалювання магнетронного розряду та індуктивно зв'язаної плазми. Показано, що рівень дисоціації всіх молекул зростає із збільшенням струму магнетрона, тоді як його залежність від співвідношення кисень/азот є немонотонною.Изучены процессы в реактивной плазме при магнетронном осаждении оксинитрида тантала с ICP-активацией реактивного газа в зависимости от процентного содержания кислорода. Приведены результаты спектроскопических исследований оптического излучения плазмы и масс-спектрометрии состава газа в вакуумной камере при зажигании магнетронного разряда и индуктивно связанной плазмы. Показано, что уровень диссоциации всех молекул растет с увеличением тока магнетрона, а его зависимость от соотношения кислород/азот немонотонна

Discharge characteristics of combined low energy ion source – magnetron sputtering system

The discharge characteristics of a new combined low energy magnetron-ion-source sputtering system are presented. The ignition curves, current-voltage characteristics of the system in dependence on gas pressure, magnitude and topology of magnetic field have been researched both for autonomous operation of the planar magnetron discharge and Hall type ion source in plasma mode and for their combination. Spatial distributions of ion current are also presented.Проведено дослідження розрядних характеристик нової комбінованої низькоенергетичної іоннопроменевої магнетронної розпорошувальної системи з питомими параметрами, які відповідають промисловому виробництву. Досліджено криві запалювання, розрядні характеристики в залежності від тиску робочого газу, величини та топології магнітного поля як при автономній, так і при сумісній роботі планарного магнетронного розряду та джерела іонів холлівського типу у плазмовому режимі. Досліджені просторові розподіли потоків іонів.Проведены исследования разрядных характеристик новой комбинированной низкоэнергетичной ионнолучевой магнетронной распылительной системы с удельными параметрами, отвечающими требованиям промышленного производства. Исследованы кривые зажигания, разрядные характеристики в зависимости от давления рабочего газа, величины и топологии магнитного поля как при автономной, так и при совместной работе планарного магнетронного разряда и источника ионов холловского типа в плазменном режиме. Исследованы пространственные характеристики потоков ионов

The corrosion properties of multilayer coatings deposited on stainless steel and Ti4Al6V substrates

Stainless steel (SS), titanium (Ti) and its alloys are the most widely used for clinical applications. The surface modification of metals with ceramic coatings by means of modern plasma methods is perspective way to reduce corrosion, to achieve better biocompatibility and to improve the performance of medical devices. The comparative analysis of the TiN, ZrO₂, Al₂O₃ and multilayer nitride/oxide coatings adhesion properties, hardness, elastic modulus, thickness, and corrosion resistance parameters at 05 N NaCl and SBF solution was made.Нержавіюча сталь та титанові сплави широко використовуються в сучасній медицині. Поверхнева модифiкацiя металів шляхом нанесення керамічних покриттів сучасними плазмовими методами э перспективним напрямком з метою зменшення корозії та покращення бiосумісності та ефективності застосування медичних приладів. Виконано порівняльний аналіз наступних властивостей плівок: адгезії, твердості, пружних модулів, корозійних властивостей різних багатошарових оксидних та нітридних покриттів.Нержавеющая сталь и титановые сплавы широко применяются в современной медицине. Поверхностная модификация металлов путем нанесения керамических покрытий современными плазменными методами является перспективным направлением для уменьшения коррозии, повышения биосовместимости и эффективности применения медицинских изделий. Проведен сравнительный анализ следующих свойств пленок: адгезии, твердости, упругих модулей, коррозионных характеристик различных многослойных нитридных и оксидных покрытий

Technological aprobation of integral cluster setup for complex compound composites syntesis

In the present paper the results of technological approbation of the integral cluster set-up for synthesis of various types of high-quality coatings such as Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, AlN, TiN, and others with coating thickness up to 10 mkm are presented. Сurrent-voltage characteristics of magnetron discharge in argon mixtures with oxygen and nitrogen for various gas pressures and for various target materials have been measured.Представлены результаты технологической апробации интегральной кластерной установки для синтеза высококачественных покрытий типа Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, AlN, TiN и других, толщиной до 10 мкм. Были измерены вольт-амперные характеристики магнетронного разряда в смесях аргона с кислородом и азотом, при различных давлениях рабочего газа и разных материалах мишени.Представлено результати технологічної апробації інтегральної кластерноїї установки для синтезу високоякісних покриттів типу Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, AlN, TiN та інших, товщиною до 10 мкм. Було виміряно вольт-амперні характеристики магнетронного розряду в сумішах аргону з киснем та азотом, при різних тисках робочого газу та різних матеріалах мішені

Investigation of interaction between ion-beam plasma and processed surface during the synthesis of tantalum diboride and pentaoxide

The paper is devoted to investigation of spatial distributions of ion current density to a sample in technological set-up with magnetron sputtering system and ICP source. The dependence of the ion flux towards the processed surface on the parameters of the deposition process was measured. The following parameters were varied: magnetron discharge power, gas type and pressure, target-sample distance, inductive discharge power, and bias potential applied to the samples. The effect of nonequilibrium heating of the sample surface due to relaxation of kinetic energy of ions, atoms and electrons, as well as energy of exothermic chemical reactions at synthesis of Ta₂O₅ and TaB₂ films is discussed. The influence of sample shape on the ion bombardment is also investigated.Досліджено просторові розподіли щільності іонного струму на зразок у технологічній установці з магнетроном та індукційним джерелом плазми. Виміряно залежності потоку іонів на оброблювану поверхню від параметрів процесу осадження, таких як: потужність магнетрона і індуктивного розряду, тип і тиск газу, потужність, потенціал зсуву на зразок. Обговорюється вплив нерівноважного нагріву поверхні зразка за рахунок релаксації кінетичної енергії іонів, атомів і електронів, а також енергії екзотермічних хімічних реакцій при синтезі плівок Ta₂O₅ і TaB₂. Досліджено вплив форми зразка на іонне бомбардування.Исследованы пространственные распределения плотности ионного тока на образец в технологической установке с магнетроном и индукционным источником плазмы. Измерены зависимости потока ионов на обрабатываемую поверхность от параметров процесса осаждения, таких как: мощность разряда магнетрона и индуктивного разряда, тип и давление газа, мощность, потенциал смещения, подаваемый на образец. Обсуждаются влияние неравновесного нагрева поверхности образца за счет релаксации кинетической энергии ионов, атомов и электронов, а также энергии экзотермических химических реакций при синтезе пленок Ta₂O₅ и TaB₂. Исследовано влияние формы образца на ионную бомбардировку

Design and research of combined magnetron-ion-beam sputtering system

The design and characteristics of a new combined magnetron-ion-beam sputtering system are presented. The system allows coating deposition both by means of magnetron discharge, and by sputtering of complex composite targets by high-energy ion beam. Computer simulation and optimization of magnetic field topology on the system, which is common for the magnetron discharge and the Hall-type ion source, have been carried out. The ignition curves, current-voltage characteristics of the system, in dependence on gas type and pressure, magnitude and topology of magnetic field have been researched both for autonomous operation of the planar magnetron discharge and ion source and for their combination. Spatial distributions of ion current are also presented.Розроблено та досліджено характеристики нової комбінованої магнетронно-іонно-променевої розпорошувальної системи з питомими параметрами, які відповідають промисловому виробництву. Система дозволяє наносити покриття як за допомогою магнетронного розряду, так і шляхом перерозпорошення складнокомпозиційних мішеней високоенергетичним іонним пучком. Досліджено криві запалювання, розрядні характеристики в залежності від типу та тиску робочого газу, величини та топології магнітного поля як при автономній, так і при сумісній роботі планарного магнетронного розряду та джерела іонів. Досліджені просторові розподіли потоків іонів.Разработаны и исследованы характеристики новой комбинированной магнетронно-ионно-лучевой распылительной системы с удельными параметрами, отвечающими требованиям промышленного производства. Система позволяет наносить покрытия как с помощью магнетронного разряда, так и путем перераспыления сложнокомпозиционных мишеней высокоэнергетическим ионным пучком. Исследованы кривые зажигания, разрядные характеристики в зависимости от типа и давления рабочего газа, величины и топологии магнитного поля как при автономной, так и при совместной работе планарного магнетронного разряда и источника ионов. Исследованы пространственные характеристики потоков ионов