Simulation des Vakuumbogens in industriellen Beschichtungsanlagen als Wechselspiel von nichtlinear-determinierten und von stochastischen Prozessen

Der Vakuumbogen ist eine stromstarke Gasentladung, die in einem evakuiertem Raum im von ihm selbst erzeugten Dampf des Kathodenmaterials brennt. Diese Erscheinungen sind seit ueber hundert Jahren bekannt und werden industriell z.B. zur Abscheidung von Hartstoffschichten und bei Hochleistungsschaltern genutzt. Trotz dieses industriellen Interesses und zahlreicher Grundlagen- arbeiten sind die beim Vakuumbogen ablaufenden Prozesse nur unvollstaendig verstanden. Dies ist insbesondere auf die komplexe Struktur und das komplizierte Verhalten der Kathodenbrennflecken, der Quellen der Lichtbogenentladungen, zurueckzufuehren. Bei ihnen ueberlagern sich im zeitlichen Ablauf wie in der raeumlichen Bewegung deteminierte und zufaellige Prozesse: Die Brennflecken teilen sich mit wachsender Stromstaerke, so dass sie (unabhaengig von der Gesamtstromstaerke) im Mittel einen (vom jeweiligen Kathodenmaterial abhaengigen) konstanten Bogenstrom tragen. Die Teilungs- und Absterbewahrscheinlichkeiten haengen vom Brennfleckstrom ab. Die einzelnen Brennflecken stossen sich unter der Wirkung aeusserer und innerer Magnetfeld ab. Dabei ist zusaetzlich die Richtung des Magnetfeldes gegenueber der (durch Verdampfungsprozesse veraenderten) Kathodenoberflaeche zu beruecksichtigen. Gleichzeitig fuehren sie eine stochastische Diffusions- bewegung aus. Die sich daraus ergebenden Brennfleckspuren entsprechen fraktalen Dimensionen um 1,5. Ausgehend von experimentellen Untersuchungen an industriellen Vakuumbogen- Beschichtungsanlagen und deren Weiterentwicklung zum gepulsten Hochstrom- bogen wurde ein Simulationsmodell entwickelt, dass die stochastischen und die determinierten Aspekte der Brennfleckteilung und Brennfleckbewegung sowie deren Rueckwirkung auf die Kathodenoberflaeche in gegebenen aeusseren Magnetfeldern beruecksichtigt. Insbesondere werden daraus die Bahnen der Kathodenbrennflecken sowie das sich daraus entwickelnde Erosionsprofil der Kathode ermittelt.