Разработка физических основ создания холодных источников электронов для газовых лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

V 73 ОД

О з ОЕЗ №

На правах рукописи

ПРАСИПКИЙ ВАСИЛИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ХОЛОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ /ДЛЯ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Специальность 01.04.07-физи1са твердого тела

Автореферат диссертации па соискание ученой степени лектора технических наук

Мсскза-1936

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте материалов электронной техники

Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Бондаренко Г.Г.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Акишин А.И. доктор физико-математических наук Пименов В.Н. доктор физико-математических наук, профессор Панеш А.М.

Ведущая организация НИИ высоких напряжений при Томском политехническом институте

Защита состоится " " ¿рд^ря^Л " 1997г. в час.

на заседании диссертационного Совета Д963.68.04 в Московском государственно?.! институте электроники и математики по адресу:

109028 , Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3\12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЗМ.

Автореферат разослан " № " " \'99%г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат физико - матема -

тических наук, доиент у^^-г^ Ю.И. Сезонов

ВВЕДЕНИЕ

Проблема создашш холодных источников электронов возникла как прикладная в связи с широким применением в' науке и промышленности гелий-неоновых лагеров, - которые, благодаря сбоим свойствам, стали незаменимыми в медицине, геодезии, устройствах иашшшни а т.д.

В подавляющем большинстве таких лазеров генерация излучения происходят вследствие тлеющего ■ разряда постоянного тока, обеспечиваемого наличием холодного источника электронов - холодного катода (ХК). Именно его свойства определяют основные параметры лазера: механическую устойчивость, стабильность и долговечность.

Следует отметать, что требования к параметрам, и, особенно, долговечности, в настоящее время резко возросли. Так, например, ресурс холодных катодов, применяемых в монобяотавд: датчиках навигационных систем, должен быть на уровне 50..Л00 тысяч часов при максимальном габарите 49...50 ит'лллчетров. Обеспечить такой уровень моасно только па оскою гиубогся наукгых исследований, результатом которых станет определение оптимальной конструкции катода, материала подлошш и эмиссионного слоя, яарамехров фикгессхзк процессов нх изготовлена . Сложность запаян подтверждается тем, что лишь самые высокорззвтпнс страны мпра обладают производством лазерных ишвдящоншлх систем, явлдпсь монополистами на «даровом рынке. Пря этом ьигрог.сй рынок атомарных газовых яазероз из года а год растет на 5.. .10% и "составляет о коло '500'тыс. Шул в год, вхкклая дорогостоящие навигационные системы хгаяопп5л.рзшше относительно дешевые считыватели шгркхсг--ого кода.

Для оснащения отечественной науки а техники атомарными лазерами современного уровня и успешной конкуренции на мировом рпгасе необходимо, в конечном итоге, создание холодных катодов с параметрами, удовлетворяющими все требования сегодняшнего дня. Именно решению этой задачи псссящена настоящая работа.

Актуальность проблемы. За время, прошедшее с момента создания первого гелий-неонового лазера, было проведено множество фундаментальных физических исследований, приведших к созданию различных классов приборов, решающих задачи обороноспособности и Шфодкого хозяйства.

Реализация практических задач привела к тому, что в настоящее время незаменимыми оказались приборы, сконструированные на базе гелкй-неоновых лазеров, используемые в измерительных системах (кольцевые датчики бгзынерщйлышх навигационных комплексов) и медицине (лазерные терапегл шсскпе установки).

Исхода из характера областей применения, наиболее важными характеристиками лазеров каяяются их долговечность, ста5*шьность и высокая вздехснссть. Б то л;е время основным элементом, обеспечивающим перечисленные параметры, служит холодный источник электронов (холодный катод - ХК). Особо жесткие требования предъявляются к ХК квантовых гироскопов: при шшимыгьных габаритах их долговечность до сегодняшнего дня не превышала 30 тыс. часов, а требуемая составляет 50... 100 тыс.часов.

Проблема создания холодных катодов, таким образом, является одной из центральных для исследователей и производителен назкгашюншй и медицинской техники на базе Ke-Ne лазеров. Ей посушено большое количество пу&шканкй п кателтоа в России и за рубежом. Однако бодышшетао из них - зга эмпирически обнаруженные способы улучшения работы традиционных конструкций, а '.серьезные научные неследования посвящены решению частных задач и нг носят систематизированного характера, охаативаюшего весь цикл от иссяедозания до организации производства ХК, отвечающих требованиям сегодняшнего дня и дельней перспективы.

Многолетние исследоь-лтт, проведенные в НИИ материалов -алеэтрошюй техники' позволили построить четкую картину фи зическнх процессов в системе эмиссионная поверхность - плазма тлеющего разряда, выделить основные параметры катода, обеспечивающие его долговечность и стабильность, создать методы исследований и инженерных расчетов, необходимых для разработки

холодных источников современным требованиям.

электронов, отвечающих

Постановка задачи. Исходя из анализа отечественных и зарубежных публикаций, обобщения работ автора и требований разработчиков и изготовителей гелий-неоновых лазеров, установлено, что холодные источники электронов, отвечающие современным требованиям, должны иметь следующие параметры.

- минимальная наработка в кольцевых датчиках навигационных систем - 50 тысяч часов;

- минимальная наработка в кедвцинских лазерах - 15 тысяч часов;

- рабочий ток катода для моноблочных, датчиков - 1,5 ... 5 мА при давлении газовой смеси 400...600 Па;

- рабочий ток катода для медицинских лазеров -20...30 мА при давлении газовой смеси 133...200 Па.

При этом катоды для моноблочных датчиков должны быть малогабаритными, вакуумнеплотными и обеспечивать герметичность соединения с корпусом датчика.

Технология изготовлении катодов, з свете современных требований, должна быть экологически чистой, безопасной для рабочего персонала и окружающей среды.

Как известно, основным фактором, приводящим к выходу из строя катода, является ионная бомбардировка эмиссионной поверхности. Анализ состояния работ по данному вопросу показывает, что не существует законченной картины процессов, указывающей в единый механизм явления панно-: лехтронной эмиссии, распыление эмиссионной поверхности, перераспределение материала по поверхности катода, изменение параметров плазмы и, в конечном итоге, ресурс катода.

Поэтому первой задачей работы является вывод аналитических выражений, описывающих взаимосвязь параметров перечисленных процессов.

Поскольку выпускаемые б настоящее время холодные катоды для гироскопических датччкез обеспечивают долговечность до 30 тысяч часов при использовании высокотоксичного бериллия, считающегося наилучшим приемлемым материалом, понятно, что для повышения

долговечности до 50 и 100 тысяч часов должны быть определены новые системы металл-диэлектрик-плазма. Это вторая задача, решаемая в работе.

Для экспериментального определения свойств системы металл-диэлектрик-плазма необходимы реализуемые способы измерения, методики испытания и прогнозирования, разработка которых является третьей задачей работы.

И, наконец, на основе решения первых трех задач решена четвертая - разработка оптимальных материалов и констру1сций источников электронов.

Основные научные цели работы: проведение комплекса исследований физических процессов в системе металл-диэлектрик-плазма в стационарных и динамических режимах, соответствующих условиям изготовления и долговременной эксплуатации источников электронов;

- изыскание новых, методов исследования временной эволюции системы металл-диэлектрик-плазма;

определение закономерностей, связывающих эмиссионные параметры, геометрический профиль, микрогеометрию эмиссионного слоя и условия эксплуатации с долговечностью;

разработка аналитических способов подхода к конструированию системы металл-диэлектрик-плазма и создание технологии формирования необходимых ее параметров.

- впервые проведен математический анализ процессов, происходящих в естественных условиях эксплуатации холодных источников электронов, на основе которого получено выражение для расчета их долговечности;

впервые исследована возможность подавления физического распыления эмиссионной поверхности системы металл-диэлектрик-плазма при создании на ней специального микрорельефа;

впервые разработан новый способ исследования параметров системы. основанный на взаимосвязи расстояния от эмиссионной поверхности до начала области отрицательного свечения и плотности разрядного тока на катоде;

- впервые разработан метод форсированных испытаний системы металл-дизлектрик-плазма, учитывающий температурные условия работы ;

- впервые разработаны экспериментальные методы контроля эмиссионных параметров голодных катодов в процессе операции формирования эшгссшяшсй поверхности;

- разработаны способы изготовления холодных катодов для квантовых гироскопов и медицинских лазеров, исключающие применение токсичных материалов типа бериллия и экологически грязного технологического типа производства.

Практическая ценность рпбзты. Научные результаты» поденные в ходе выполнения диссертационной работы, использованы для составления более детальной картины взаимодействия составляющих системы металл-диэлектрик-плазма как при разработке Не-Мс лазероз с холодными катодами, так и при решении задач плазменной обработки поверхности, например, очистке внутренних поверхностей лазеров.

Результаты экспериментальных исследований физических процессов позволили создать композиционные материалы и экологически чистое производство холодных источников электронов для медицинских установок и навигационных приборов с долговечностью 80 тысяч часов и перспективой ее увеличения до 100 тнсяч часов. При этом разработаны:

долговечные выносные холодные катоды холпачкового типа для моноблочных квантовых гироскопов;

- долговечные холодные катоды, сформированные на корпусе .моноблока и медицинского лазера;

- способы по операционного контроля параметров технологического процесса формирования эмиссионной поверхности;

- ряд холодных катодов для атомарных газовых

лазероз,

работающих на газовом разряде постоянного тока, выпускаемых в России, Украине, некоторых странах дальнего зарубежья.

.Большинство. полученных технических решений защищено авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и используется при разработке и производстве холодных катодов .

Оснозные положения и результаты, выносимые на зашиту.

1. -Разработка физическим основ создания холодных источников электронов для газэеых лазеров.

2. Физическая модель системы холодный источник электронов - газоразрядная плазма, устанавливающая функциональную взаимозависимость ее основных параметров.

3. Результаты исследований зависимости распределение плотности разрядного тока по поверхности холодного катода от его геометрической формы и способ измерений плотности тока.

4. Результаты исследования завшшосга ресурса холодны;! катодов от параметров м&тсригяа эмиссионного слоя, геометрической формы, испытательных условий и способ прогнозирования ресурса .

5. Результаты «ссяедоиангй защитных и эмиссионных свойств рабочей поверхности катодов и физические процессы их оптимизации.

6 Созданные на базе Полуниных б диссертационной работе результатов кат оды глч лг-.^р^а :;оакекалшой ¡инструкции с ресурсом 15 тысяч часои и холодные катоды для кольцевых датчиков лазерных гпроскопоа с ресурсом 80 тысяч часов.

Апробация работы ;Основное результаты настоящей работы докладывались п обсуждались на 15 йсесоюзиих и меасдународш-к симпозиумах, конференциях к семинарах, ь том числе: II отраслевой научно-технической конференции г;о катодам для гелий-неоновых лазоров (Рязань, 1986 г,), V и VI Всесоюзных ссминар;«с -"Еторичло-ионная и ионно-

эмиссия"'(Харьков, J 983, 1991 гг.), Всесоюзных семинарах-оивещанштх "Диагностика поверхности ионными пучками" (Донецк, 1938 г., Одесса, 1990 г.). XII к.окферекпии "Взаимодействие пенсз с поверхностью" (Звенигород, 1S95 г.), IV , У и V? меясиахшонажшх совещаниях 'Радиационная флзжса твердого тела" (Севастополь, 1994, 1995, 1996rr.), II «ау»но-метод1этеской конференции "Использование тгаучно-тсяппеских достижений в демонстрационно.!! эксперименте к постановке лабораторных праетяхумов" (Саранск. 1994 .г.), III Российско-Китайском симпозиума "Advanced Materials and Processes" (Калуга, 1995 г.), Кг^но-технкчсской конференции "Вакуумная нзука и техника" (Гурзуф, 19941935г.), Всероссийской каучиз-технатсской конференции "Автоматизация исследования, проектирования и испытания слолиьгс техшгчесшк систем" (Калуга, 1994 г.), Jekcnd International Conference MPSL-96( Sumy, 1996г.).

По материалам, вошгхкпгм з данную диссертацию, опубликовано 55 рпбот, з том числе 14 авторских :,йпдетельстз и патентов.

Структура аассещшши. Диссертационная работа состоит из введения, иатп глав, выводов и списка литературы. Ее общий объем составляет 213 страниц, включая 65 рисунков-, 3 таблиц и список литературы из 214 наименований.'

СОДЕРЖАЛ И £ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы тли и аадачк работы. Изложена научная новизна и практическая значимость работы, а также сеназиыс положения, зьносимые на защиту.

В первой главе определено современное состояние проблемы создания- холодных источников электронов {.холодных катодов) для атомарных газовых лазеров. Установлено, что их разработка и изготовление базируются

большей частью на эмпирических подходах, отсутствуют общие физические основы подхода к определению физических параметров материала катода, расчету его характеристик, измерению основных параметров. Следствием перечисленного является невозможность обеспечения минимально необходимого ресурса 15 тысяч часов для катодов медицинских терапевтических установок и 50 тысяч часов - для лазерных датчиков кольцевых гироскопов,

Вторая глава посвящена изучению физических процессов в системе холодный катод-газоразрядная плазма.

В первом разделе выяснена взаимосвязь физических параметров эмиссионного слоя катода и газоразрядной плазмы, определяющих ресурс катода.

Во втором разделе рассчитано количество ионов с энергиями, превышающими пороговую энерпт распыления эмиссионного слоя, обусловливаемо: основными параметрам катода и газового разряда. Показано, что количество ионов неона с энергиями, превышающими пороговую, на порядок больше, чем ионое гелия.

В третьем разделе показано, что в результате процессов, перезарядки в катодном слое газового разряда образуются быстрые атомы неона и гелия, часть из которых имеет энергию. превышающую пороговую. При этом коэффициент распыления поверхности катода быстрыми атомами вдвое больше, чем ионами.

В четвертом разделе разработана методика расчета ресурса холодного катода, позволяющая по результатам испытаний в течение 500... 1000 часов определить его прогнозируемую долговечность. Учитывая, что реальный ресурс катода имеет порядок 50 тысяч часов и больше, необходимость метода прогнозирования очевидна.

Для расчета ресурса получено аналитическое выражение

I « () а £( 1+7 ) ехр{£ (1+ у) И},

где : I - ресурс катода •;

у - коэффициент ионно-элекгронной эмиссии;

Е - пороговая энергия рйсштаекня материала

эмиссионной поверхности; а- коэффшшент замуровывания чаеппи г -за

раепшенным материалом поверхности; Q,F -постоянные для данного рода газовой сдася, ее давления и материала эмиссионной поверхности.

Проведен сравнительный расчет ресурса для катода с эмиссионной погерхностью из различных материалов. Показано, что применение эмиссионного слоя из оксила алюминия с низким уровнем содержания примесей обеспечивает ресурс катода в два рма Сояез высокий, чем с применением оксида бериллия. Сделан швед о теп, что аысокочистый алюминий типа А39 является наиболее подходящим материалом для изготовления катодов как с гочки зрения обеспечения максимального ресурса, так к .¿¿нелогичности пзгетезл.якя и обеспечения экологических требований.

Третья глава посвящена разработка физических основ создания методов измерения основных параметров катодов.

В первом разделе главы разработал метод измерения распределения плотности разрядного тока яа поверхности катода.

Метод основывается , на щт предвслоякшод, подтвержденных большим числом axcnepjiMeiríoB. Пс^&Ье предшжяште - фпззгедошг прошсск в холодно?! катоде, изготовленном т сетка поверхностью той же площади, что и у сплошного катода, одинакова. Второе - физическая природа образования области катодного падения йотешиала на длине « начала видимой области отрицательного свечения на рзеегокшз de от эмиссионной поверхности едина. Исходя из этого сделан вывод о существовании зависимости, описываемой выражением :

pdc = B<j/P2)A (1)

где : р - давление газового наполнения ;

d t- расстояние между эмиссионни;": поверхностью

и началом области отрицательного свечения ; ] - плотность разрядного тока ,* А, В - постоянные для данного материала катода и газового состаЕз.

Большое число экспериментов с последующей, машинной обработкой результатов позволили определить, в частности, что для эмиссионного слоя из оксида алюминия А = -0,25, В = 0,1 .

Реализуется метод следующим образом: из сетки, изготовленной из исследуемого материала (исследуемый материал также может быть напылен на поверхность произвольной сетей), формируется катод необходимой геометрической формы; катод монтируется в стеклянный корпус, обрабатывается на откачиом посту; обработанный прибор с катодом наполняется газовой смесью требуемого состава и в нем зажигается тлеющий разряд; производится фотографирование плазмы в катоде (рис. 1), после чего при помощи микрофотометра определяется расстояние йс в любой точке.

Рис. ]

Форш газоразрядкой плазмы внутри сетчатого катода

Расчет по формуле (1) позволяет определить г; лот кость разрядного тока ] на каждом участке

эмиссионной поверхности (.рлс.2), что невозможно при использоватши других методов.

Во втором разделе описана примененная методика измерения коэффициента "замуровывания" газа распыленными частицами катода , основанная на взвешивании катода до и после распыления , а также на измерении давления гсзз до и после эксперимента.

В третьем разделе разработан метод определения оптимальной толщины оксидного слоя катода по минимуму напряжения горения разряда.

Проведенные исследования, результаты которых подтверхдаются существующими литературными данными, свидетельствуют о наличии зависимости мезду толщиной оксидного слоя 6 катода и коэффициентом ионно-электронной эмиссии у : так, для охеида алюминия у максимальна при & ~ 20им. (рис. 3).

Катодное падение потенциала, определяющее энергию распыляющих частиц, связано с коэффициентом сбратно-пропорцнональной зависимостью. Поэтому оптимальной является толщина оксидного слоя, при которой катеднег падение потенциала минимально. Поскольку з напряжение

горения разряда при фиксированных значениях давления и состава газового наполнения в качестве переменной величины входит только катодное падение потенциала, то напряжение горения может быть использовано как контролируемый параметр при определении толщины оксидного слоя.

¿Г

отн. еЭ

<0

0.5

40 20 АО 60$.

Рис. 3

Зависимость коэффициента ионно - электронной эмиссии

от толщины оксидного слоя алюминиевого катода

При проведении процесса катодного оксидирования в экспериментальном приборе (рис.4) через определенные промежутки времени зажигают тлеющий разряд в инертном газе между катодом и измерительным анодом и измерют напряжение горения. На графике, отображающем измеренную зависимость, находят значение времени, соответствующее минимальному напряжению горения.

В четвертом разделе обосновывается необходимость определения температуры катода и газоразрядного объема при исследовании ресурса катода, а также конструкция измерительной установки. .

Рис. 4

Прибор для определения оптимальной толщины оксидного слоя 1,2-катоды, 3-окисдительный анод, 4-измерительчый анод, 5 - экран.

Вследствие того , что выделение значительной части кинетической энергии ноксв и быстрых атомов , оомбардирующих поверхность катода, приводи г к его термическому разогргву, в то время , как остальное элементы лазера остаются практически холодными, троисходит перераспределение ксшхетрзшш гаи г, поразрядном объеме: в катодном слое она уменьшается, а в положительном столбе разряда увеличивается. В связи с этим изменяются такие параметры системы катод-плазма, как длина перезарядки, длина катодного падения потенциала и напряженность электрического поля в .¡рикатодном слое, определяющие, наряду с параметрами шссионной поверхности катода, его ресурс.

Для измерения температурных режимов 'катода и лазера гспсльзовался экспериментальный прибор, оснащенный хрэмелъ-алюмслевыми термопарами из проволоки диаметром 20 мкм., изображенный на рис. 5.

Измерение температуры газовой среды в катодном объеме и балластном объеме прибора позволяет определить распределение концентраций газа в установившемся режиме работы, что особенно важно при проведении форсированных испытаний при больших плотностях разрядного тока.

Рис. 5

Прибор для измерения температуры газового объема. 1 - корпус, 2 - катод, 3 - анод, 4,5,6, - термопары.

В пятом разделе описан метод измерения коэффициента ионно-электронной эмиссии, основанный на измерения потока вторичных электронов квазисферичсским коллектором, имеющим отверстие для ионного пучка, образованного дуоплазмотроном.

Измерения проводились при вакууме в камере образца порядка 10 Па. В качестве зондирующих применялись ионы гелия как определяющие эмиссию катойа в

газоразрядном приборе. Кроме того, вследствие малой массы, ионы гелия дают практически нуде вуто кинетическую эмиссию, что делает измерение более достоверным. Система измерения предусматривала возможность получения ионов с энергиями порядка 100—500 эв., характерными для ионов, .бомбардирующих катод атомарного газового лазера.

'В шестом раздела описан метод ' измерения коэффициента распыления поверхности катода У.

Работоспособность холодного катода определяется наличием на его поверхности эмиссионного слоя толщиной около 20им. Поэтому количества распыленного вещества при площади зошшрозания в несколько квадратных миллиметров явко недостаточно для измерения методом взвешивания. Недостаточна и чувствительность установок, реализующих метод кварцевого резонатора.

Поэтому для измерения коэффициента У была использована следующая методиги.

Если известна толщина окисной пленки 1г на поверхности массивного алюмтшезого кятода, то, после "блучешш ее яоттм пучком диаметром с! в течение ; :..с:-;енп ?, необходимое для распыления пленки, с поверхности образца распылится число атомов К, которое можно расчитап. по формуле :

где: N - количество рашшеннш атомов: р - плотиоегь распыляемого б «несши; А - атомарный номер распыляемого кшеетга.

Коэффициент распыления V будет равен

V

где N - количество распыляющих конов.

Таким образом, при известном токе ионного пучка задача измерения У сводится к определению количества ионов, то есть, времени распыления, отличаемого по появлению резкого.пика выхода ионов, принадлежащих подложке.

Четвертая глава посвящена исследованию физических процессов изготовления холодных катодов и измерению их основных параметров.

В первом разделе рассмотрены общие вопросы изготовления катодов - формирование подложки, создание эмиссионного слоя, стабилизация параметров. Показано, что лучшим современным материалом для изготовления катодов медицинских терапевтических установок является алюминиевый сплав типа АД, а осободолговгчных катодов навигационных систем - алюминий марки А99.

Определено, что наиболее подходящим снособпи изготовления подложки катода может быть объемнее выдавливание заготовок из пересиленных материалов.

Во втором разделе описаны результаты измерения распределения плотности разрядного тока} по поверхности холодных хатодов различной геометрической формы.. Измерения проводились с применением методики, разработанной в главе 3. Цель проведенных исследований -определение оптимальной геометрии катода, при которой плотность разрядного тока на всех участках эмиссионной поверхности постоянна. В обобщенном виде графические результаты измерений приведены на рис.6.

Как следует из рисунка, при сравнимых габаритах 11 условиях испытаний, формы распределений плотности разрядного тока для катодов разной геометрии существенно различны. Максимальная неравномерность присуща цилиндрическому катоду с донышком, а минимальная -полусферическому. Объяснить полученные результаты можно введением понятия локального эффекта полого катода.

Эффект полого катода проявляется в случае перекрывания областей отрицательного свечения от противоположных сторон катода и обусловлен более полной реализацией ионизирующей способности электронов в прикатодном слое плазмы.

\

01

\ V

\

лУ

ЦЗ 0,5 ■ . 0 7 00 Л/

/2. л

Ью.Ь

Распределение плотности изрядною гож». ] по

длине полых катодов.

1- цилиндрический катод с плоским дном, 2- , цилиндрический катод бе: дна, 3- полусферический катод, 4- цилиндрический катод с полусферическим дном.

В случае цилиндрического катода с плоским дном перекрытие областей отрицательного свечения от дна и прилегающей части цилиндрической стешя приводит к возникновению локального эффекта гюггаго катода, увеличению плотности тока и снижению ресурса катода.

Менее всего этот эффект проявляется в полусферическом катоде, чью геометрическую форму можно считать оптимальной.

В третьем разделе приведены результаты исследования физических процессов очистки поверхности катода от примесных элементов.

Исследуемые образцы в виде таблеток диаметром 7мм. вырезались нз стенки катода и помещались в вакуумную камеру измерительной установки. Анализ масс-спектров в остаточном газе до обработки показал наличие С^Н.,, С, Н20, 02, Са, N3, N30.

После снятия спектра остаточных газов производился термический разогрев образца и через каждые тридцать минут снимались масс-спектры. Анализ полученной информации показал, что через два часа пики указанны?; компонентов снизились до уровня 10% от исходных, снятых в момент достижения температуры 623К и дальнейшая выдержка практически не изменяет их величину.

Таким образом, можно считать, что физический процесс термической очистки алюминиевых катодов прк температуре 623К практически завершается в течение двух часов.

В четвертом разделе проанализированы свойства защитных охнсных пленок, их основные параметры, а также физические процессы их получения. Показаны преимущества комбинированного метода получения окисных пленок - термическою окисления на первом этапе и плазменного - на втором, - позволяющего осуществить дополнительную очистку поверхности катода и оптимизировать толщину охисного слоя.

Экспериментальные исследования процесса окисления катода в тлеющем разряде кислорода проводились с применением сетчатого катода.

В зависимости от параметров процесса окисления -давления кислорода в газоразрядном промежутке, величины разрядного тока и времен): протекания процесса, - изменяется толщина оксидного слоя 6 и коэффициент иенно-электронной эмиссии у, обусловленные различной плотностью разрядного тока при оклслстш на различных участках поверхности, как показано на рис.7.

Рис. ?

Распределение коэффициента ионно - электронной эмиссии

по длине полого цилиндрического катода.

В пятом разделе приводится описание результатов экспериментального определения температурных параметров катодов и газовой среды. Характерная зависимость представлена на рис.8.

При изменении плотности разрядного тока от 0,1 до 4,5 миллиампер на квядратный сантиметр тешггржгур* к-т^сда возрастает от 30ÖK до 470К, При этом температура газоразрядного »>5ыгма изменяется незначительно, что приводит к перергепргдгяению концентраций частиц газа: концентрация в катодной объеме погшкастся, 2 в остальной части газоразрядного промеясузка возрастает. Влгдствие этого увеличивается энергия распыжпощкх катод ионов и снижается его ресурс.

Учет данного фактора осойенно важен при прогнозировании долговечности катода по результатам ускоренных испытаний при больших плотностях разрядного тока: игнорирование явления изменения концентрация газового наполнения приводит к получению существенно недостоверных данных.

Тк

3 80 660 $40 320 ■200

9 ¿»А

Рис.8

Зависимость температуры от величины разрядного тока для различных участков газового объема лазера.

1- температура в темном катодном пространстве, 2- температура на оси катода, 3- температура в балластном объеме.

Шестой раздел посвящен прогнозированию ресурса холодных катодов.

Это одна из наиболее важных задач системного подхода к разработке физических основ создания холодных катодов: учитывая, что ресурс современных катодов составляет десятки тысяч часов, его прямое измерение практически невозмогло в процессе разработки, исследования и внедрения в производство. Поэтому был разработан способ определения прогнозируемого ресурса катодов, достоверность которого -подтверждена сравнением с результатами испытаний катодов, изготовленных ранее и к

моменту применения созданного способа прогнозирования исчерпавшими свой ресурс.

Существовавшие способы определения прогнозируемого, ресурса катода I , основанные на пересчете ресурса при форсированных параметрах испытания на нормальные, являются эмпирическими и основаны на применении - эмпирического выражения вида

где индекс ''р" относится к нормальному режиму работы, а индекс "ф" - к форсированному. Значения тип у разных авторов изменяются от 1,5 до 3, что не позволяет получать достоверные результаты прогноза.

Примененный в диссертации метод, выведений аналитическим путем и проверенный на большом числе экспериментов, свободен от подобных неопределенностей, поскольку учитывает как температурные перераспределения концентраций газового наполнения, так и изменения физических условий работы катода в различных диапазонах токов и давлений. Аналитическое выражение метода имеет вид

где : Б- постоянная, зависящая от рода газа и материала катода;

к- отношение температуры в катодном объеме и балластном объеме прибора;

Устранение краевых эффектов, приводящих к ускоренному распылению эмиссионной поверхности катодов, особенно малогабаритных, является непременным условием достижения необходимого ресурса холодных источников электронов для кольцевых датчиков лагерных гороскопов.

В седьмом разделе описан разработанный катодный узел, конструкция которого обеспечивает снижение до минимума краевых эффектов благодаря наличию специальной формы торцевой части катода и плоского диэлектрического экрана, изображенный на рисунке 9.

Рис.9

Катодный узел моноблочного лазерного датчика гироскопа

1. Катод. 2. Корпус датчика. 3. Разрядный капилляр.

4. Оптимизированный радиус изгиба катода.

В восьмом разделе исследовано распределение распыленных частиц катода в объеме лазера и расчитан коэффициент "замуровывания" газа распыленными частицами, равный 0,1 для алюминиевого катода.

Пятая глава посвящена исследованию и оптимизации физических процессов изготовления катодов и результата их натурных испытаний.

В первом разделе произведен анализ существующих способов изготовления подложки и эмиссионной поверхности катода для мощного лазера коаксиального типа. Предложена оптимальная конструкция в виде композиции корпус прибора - пленка металла -эмиссионный слой, в которой соединение корпус - пленка обеспечивается применением процесса свар.« с

наложением электрического поля. Исследован процесс получения соединения и определены его основные параметры. Разработана базовая конструкция холодного катода для мощного гелий-неонового лазера.

Как известно, приложение электрического поля к двум приведенным в соприкосновение деталям, одна из которых является проводником, а другая - диэлектриком ионного типа (стекло, ситалл ), приводит к возникновению кулоновских сил взаимодействия (рис.10) при условии нагрева диэлектрической детали до температуры, обеспечивающей подвижность ионов.

Рис Л О

Распределение зарядов при приложении электрического

поля

к элементу свариваемых деталей. I- проводник. 2- диэлектрик, 3- область контакта.

Если поверхности соединяемых деталей обработаны с достаточной степенью чистоты, процессы электрохимического взаимодействия обеспечивают получение их прочного соединения.

Это явление было использовано для создания композиционного катода стеклянный корпус-металлическая пленка, отличающегося тем, что толщина пленки в 3-5 раз превышает максимально достижимую при отсутствии ее закрепления электростатической сваркой. Преимущество созданного катода в том, что более толстая плеша не разрушается в результате термических перегревов при^ больших' разрядных токах, а также допускает использование простого и надежного пружинного токоподпода (рис.11).

Рис. и

Катод, совмещенный с корпусом лазера. 1- корпус лазера, 2- пружина, 3- коваровог кольцо, 4- токоподводс 5- капилляр, б- катод.

Во втором разделе ".пложены результаты исследований физических процессов создания холодних источников-электронов для кольцевых дагчикев лазкргшх гироскопов.. Обоснован выбор оптимального способа формирования подложки, базирующегося на приемах объемной деформации металла, обеспечивающей впоследствии наиболее однородную структуру эмиссионного слоя и максимальный ресурс катода.

Как показали исследования, при обработке подложки катода с применением резцов, 'Прукгурные нарушения материала ис устранится последующей обработкой и зыезшеиная впоследствии склепал пленка имеет дефект, существенно сшс-хающие ресурс катода. Кроме того, использование в гглестве осиозного материала зысокочистого алюминия, обладающего высокой пластичностью, предопределяет нспользотешше методов пластической деформации.

Разработана физическая хг>дель рельефной эмиссионной поверхности я способ ее создания. Обнаружено, что, з случае воронкообразны:; углублений ширенной величины з подложке катода, на которой сформирован эмиссионный слой, значительная часть распыленных частиц не покидает объема углублений, переосалщаясь на их стенках. Вследствие этого замедляется процесс "замуровывания" газа на деталях лазеря и увеличивается его долговечность.

Разработан катод оптимальной 'конструкция для лазерных датчиков кольцевых гироекопез. В состзстсз ш с результатами иссдедокчш^, излокегадомг: в четвертой главе, он представляет собой колпачок с соотношением длины и диаметра, равным едишшс. . Эмиссионная поверхность пргдегавляет собой комбинацию участков плоскости и воронкообразных углублений. Материал катода - алюминий гдпя А99.

В третьем разделе изложены методы я результаты натурных испытаний созданных холодных источников электронов.

Испытания проводились с использованием так называемых контрольных приборов, представляющих собой эквивалент газоразрядного промежутка лазера, по дчум методикам.

Первая, общепринятая, основана на измерении величины падения давления газа внутри прибора, обусловленном замуровыванием его распыленными частицами катода.

Вторая методика предполагает измерение напряжения горения разряда и основана на том факте, что при распылении эмиссионной поверхности коэффициент ионно-электронной эмиссии резко понижается, приводя к росту напряжения горения. Для алюминиевого км ода екачо;: напряжения составляет около 90 В. Поскольку источник питания лазера обычно допускает изменение напряжения горения на величину порядка 20В, то указанный процесс практически определяет окончание ресурса катода. Характерный ход кривых измеления напряжения горения и давления показан на рис.12.

Ur.fi

V

1 р

\ V.

70 \

¿/г

V

'Ч

А Па

чии

X

£00

200

— 1 4000 с '»ее

Рис.12

Зависимость напряжения геренпя и давления га^яюк смеси от времени наработки лазера.

Как вкдно на рисунке, первая методика дает знечешы ресурса на 15...20% более высокие, но, поскольку катод должен выполнять свои функции б лазере при заданном напяжении источника питания, вторая методика шшется более объективной.

Испытания, проведенные с применением второй методики, показали, что ресурс созданных катодов для мощных гелий - неоновых лазеров составил 15 тысяч часов, а катодов для лазерных датчиков кольцевых гироскопов - 80 тысяч часов.

вывозы

- Разработаны физические основы создания холодных источников электронов для атомарных газовых лазеров, включающие в себя:

а) нахождение физических параметров материала катода, способных обеспечить зх.-анные требования к последнему, путем проведения расчетов с использованием выведенных аналитических зависимостей;

б) способы оптимизации физических процессов создания эмиссионного с::оя на основе предложенных .методик контроля;

в) кратковременные испытания образцов материала со сформироззншш эмиссионным еле;« б ссопзстствии с разработанной методикой, позволяющей определить адекватность результатов расчетов;

г) нахождение оптимальной геометрической формы источника электронов с учетом локальных эффектов полого катода па баге результатов применения созданной методика измерения распре ютештя плотя сети разрядного тока j по эмиссионной ПОПСрХЬ'осли.

- Описана фушашепзугькая гашеашеп» физических параметров эмиссионного елея и ресурса катода, использование которой сОеоаечЕзгет возможность инженерных расчетов различных типоп катодов по заданным требованиям.

- На основе провел*кнт иссягдоганий зависимости распределения плотности разрядного тока ] по поверхности катода от его геометрической формы создан ношй метод измерения .1, являющийся базошм при разработке оптимальной конфигурации катода и физичексих процессов формирован!'!! оксидного покрытия поверхности ПОДЛОЖКИ.

- На базе проведение исследований зависимости ресурса различных чипов тятодо» разработан метод

ускоренных испытаний, учитх-тааюшнй распределение температуры в газоразрядном объеме и на поверхности катода, а также парциальные давления компонентов газовой смеси. Применение метода позволяет с погрешностью, ле превосходяшгй 10%, определять ресурс катода в широком интерзале разрядных токов п давлений газового наполнения в течение 500...1000 часов, чго является необходимым условием при разработке катодов.

- По результатам исследований физических процессов формирования эмиссионного слоя создан метод оперативного определения его оптимальной толщины, обеспечивающий минимальное напряжение горения и, соответственно, минимальные энергии ионов и быстрые атомов rasa, распыляющих катод.

- Создана оптимальная конструкция холодного кагодн, созмещенного с корпусом лазера коаксиального тип;:, обеспечивающая при мощности излучения 40 мВт ресу].-;; порядка 15 тысяч часов.

- Созданы оптимальные конструкции гшеночных ¿¿ объемных катодов для кольцевых датчиков лазерные гироскопов, исключающих применение высокотоксичиого бериллия. Разработанные холодные катоды позволил»; увеличить ресурс с 1С до 80 тысяч часов.

- Созданные б результате проведения работы холодные источники электронов применяются в серийных и экспериментальных лазерах, выпускаемых девятью фирмами России, стран' бгавшего и дальнего зарубежья.

Основные результаты диссертации опубликованы с . следуюииис работах.

!. Бондар&нхо Г.Г., Праслшкпй В.В., Хабибулии Р.И. Теоретические аспекты выбора металлических материалов

для холодных катодов,- Изпесшя РАН. Металлы, 1995, МЗ, с.153...157.

2. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В. Радиационные факторы, определяющие долговечность холодного катода гелий - неонового лазера.- Тезисы докладов Пятого межнационального совещания: " Радиационная физика твердого тела ", Севастополь, 1994, с.'53.

3. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В. Расчет вклада ионов и быстрых атомов в распыление катодов гелий-неоновых лазеров. - Электронная техника. Серия 6. Материалы, 1989, Вып.6,с.23...28.

4. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В. Метод расчета срока службы холодных катодов в газоразрядных приборах. - Электронная техника. Серия 6. Материалы, 1987, №1,с.73...75.

5. Прасицкий В.В. Способ определения плотности разрядного тока на поверхности холодного катода. -Радиотехникам электроника, 1995, №7, с.1574...1578.

6. Прасицкий В.В., Лишух Н.В. Изучение плазмы тлеющего разряда в холодном катоде. - Тезисы докладов второй научно-методической конференции "Использование научно - технических достижений в демонстрационном эксперименте и в постановке лабораторных практикумов". Саранск, 1994, с. 176.

7. Прасицкий В.В. Экологически чистая технология производства холодных катодов для атомарных газовых лазеров. - Journal of Advanced Materials, 1995, №3, p.

8. Бондаренко Г.Г., Коржавый А.П., Прасицкий В.В., Кристя В.И. Физико - технические пути улучшения параметров металлических катодов. - Известия РАИ. Металлы, 1994, №6, C.83...87.

9. Прасицкий В.В., Хабибулии Р. И. Определение плотности разрядного тока на поверхности холодного катода гелий-неонового лазера. - Тезисы докладов XII международной конференции " Взаимодействие ионов с поверхностью", Звенигород, 1995, с.49.

10. Прасицкий В.В., Хабибулии Р.И. Определение оптимальной геометрии малогабаритного холодного катода. - Тезисы докладов международного симпозиума " Advanced Materials and Processes", Калуга, 1995, c.95.

3i

11. Корхавый А.П., Кристя В.Й., Прасицкий В.В. О влиянии нагрс-ва газа на характеристики катодного слоя тлеющего разряда. - Электронная техника. Серия 6. Материалы, 1983, №2, С.56...58.

12. Бондаренко Г.Г., Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В., Лищук Н.В. Метод прогнозирования срока службы холодного катода в гелий - неоновом лазере. -Тезисы докладов Всероссийской научно - технической конфкренцни "Автоматизация . исследования, проектирования и испытания сложных технических систем и технологических процессов", Калуга, 1994, с. 100.

13. Прасицкий В.В., Коржавый А.П., Кристя В.И Способ определения долговечности гелий - неонового лазера. - Авторское свидетельство №1708096.

14. Прасицкий В.В., Коржавый А.П., Курятов В.Н., Журавлева E.H. Катодный узел. Авторское свидетельство №1572317.

15. Прасицкий В.В., Актов Р.Д., Лишук Н.В. Газовый лазер. -Авторское свидетельство №4906029 /

16. ПрасицкийВ.В., Коржавый АЛ., Лищук Н.В. Гелий -неоновый лазер. Авторское свидетельство №4906030.

17. Прасицкий В.В., Коржавый А.П., Корчагина Е Е. Получение композиционных материалов и изделий из компонентов с существенно различными КЛТР. Электронная техника. Серия 6. Материалы, 1986, N:7,c.66...67.

18. Прасицкий В.В.. Баренцев В.В., Коржавый А.П. Газовый лазер. Авторское свидетельство №1602262.

19. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В. Овлиянии шероховатости эмиггирующей поверхности холодного катода на его долговечность.- Электронная техника. Серия 6. Материалы, 1990, №3, с.15.,.19.

20. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В,, Лищук Н.В. Распыление ионным пучком поверхности с углублениями цилиндрической формы. - Тезисы докладов Всесоюзного совещания - семинара "Диагностика поверхности ионными пучками", Одесса, 1990, с. 100... 101.

2L Литое Р.Ц., Бондаренко Г.Г., Кристя В.И., Прасицкий В.В., Прозоров А.Н. Влияние рельефа поверхности холодного Катода на его распыление ь тлеющем разряде. - Тезисы докладов международного

симпозиума "Advanced Materials and Processes", Калуга, 1995, p.95.

22. Прасшпшй B.B., Коряавый Л.П., К-::;стя В.И. Холодный катод гелий - кеспсвого лазера. Авторское свидетельство №1658757.

* 23. Прасннкпй В.В., Корчагина . Е.Е. Выносной холодный катод гелий - неонового лазера. - Тезисы докладов второй отраслевой научно - технической конференции "Газовые лазер*!", Рязань, 1986, с.36.

24." Прасишшй В.В., Коржзвый А.П., Лоренц Г.Ф. О механизме локального распилешш катодов гелий -неоновых лазеров. - Электронная техшпса. Серия б. Материалы, 1987, №1, c,2L..23~

25. Коржавый Л.Н., Крисгя В.Й., Прасишшй Б.В. Расчгт вклада быстрых атомов в распыление катода гелий -неонового лазера. - Элеетронная техника.Серня б. Материалы, 19S9, У?8, С.23...28.

26. Прасшшш Б.В.Д&ржтатй Д.П., Лоренц Г.Ф. О локальном распылении эмиссионного материала ка торцевой части шшшдрическод« холодного катода. -Электронная техника. Серая . 6. Материалы, 1936, №8, С.65...67.

27. Прасшшш В.В., Ефимов- S.B., Мелкумян Б.В., Чеботарев С. И. Холодный катод. Авторское свидетельство N° 1367765.

28. Прасицкий В.В., Коржааый А.П., Лвшук Н.В., Рожанец А.В. Гелий - яеоисшй лазер. Патент РФ №2009586.

29. Бонлзренко Г. Г., Крцсш В .К, Прасишшй В.В., Коржавпй А.П. Исследование тепловых процессов у поверхности катода в тлеющем разряда. - Тезисы докладов научно - технической копферешии "Вгкуушгая наука и техника", Гурзуф, 1954, с.24.

30. Прасишшй Б. П. Экспериментальное определение параметров плазмы в кзгодс газеразрядного прибора. -Тезисы докладов научно - тгхганеской конференции "Вакуумная наука н техккгх", Гурзуф, 1994, с.22.

31. Коржавый А.П., Крисгя В.И., Прасишшй В.В. Расчет распределения ряспл.-<гнных атомоа вблизи мишени в тлеющем разрдае. - Тезисы докладов VI Бессоюзного

семинара "Вторичная ионная и ионно - фотонная эмиссия", Харьков, 1991, с.223.,.224.

32. Bonaarenlco G.G., Koizhavyi А.Р., Rristya W.I., Prasitsky WAV.

Composition materials for secondary emission elektron sources prodused by ion-plasma sputtering.- Abstrakts of Sekond International Conference vMPSL'f96, Sumy, Yune 3-7, 1996. Sumy'Stale Umveisiti, 1996, p.97.