КАТОД

Заявляемое техническое решение относится к катодам, в том числе катодам газонаполненных разрядных приборов, включая газоразрядные источники света, и, прежде всего, к полым катодам для источников света тлеющего и дугового разряда, в которых источником излучения является положительный столб разряда. В то же время заявляемое техническое решение может представлять интерес для ионных источников (приборов с ионным пучком), плазменных двигателей, плазмотронов и т.д.
Источники света, излучение которых генерируется главным образом положительным столбом дугового или тлеющего газового разряда, широко распространены и используются в светотехнике, фотохимии, микроэлектронике, экологических приложениях (бактерицидная обработка воды и воздуха). К таким источникам относятся, в том числе, ртутные (включая люминесцентные) и натриевые лампы низкого и среднего давления ([1]: Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М: Энергоатомиздат, 1991. - 720 с.), эксимерные лампы на галогенидах и димерах инертных атомов ([2]: Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А. и др. Эксилампы - эффективные источники спонтанного УФ- и ВУФ-излучения. УФН, 2003, т. 173, №2, с. 201-217), импульсно-периодические лампы среднего давления на инертных газах ([3]: сайт компании «НПП Мелитта» https://melitta-uv.ru/technology/principle/) и т.д.
Как известно, основными требованиями к катодам таких газоразрядных источников света (ламп) являются высокий ресурс (минимальное распыление материала катода) и позволяющее увеличить эффективность излучения положительного столба разряда возможно более низкое катодное падение напряжения, составляющее в некоторых случаях до половины падения напряжения на разрядном промежутке в целом [2]. В случае высокой химической активности применяемой в лампе газовой среды, например в лампах на галогенидах инертных газов, дополнительным требованием к электроду является его химическая инертность.
Укажем также, что для ряда широко распространенных ламп, прежде всего ртутных и натриевых ламп низкого давления (РЛНД и НЛНД) с нагревными катодами и значительным разрядным током существенным параметром катода является эффективность генерации им тока. Например, экономичность катодов из торированного вольфрама составляет ~ 50 мА/Вт, то есть для генерации типичного для РЛНД тока разряда 2÷3 А необходима выделить на катоде мощность ~ 50 Вт, что недопустимо много. В связи с этим в лампах такого типа применяются практически только оксидные термокатоды с экономичностью ~ 250 мА/Вт, однако и энергопотребление ~ 20 Вт (на два электрода при возбуждении разряда переменным током) существенно снижает эффективность известных источников света.
Различные конкретные варианты выполнения как «холодных» катодов, так и катодов, работающих при повышенных температурах, хорошо известны и подробно описаны в научной ([1], ряд монографий) и патентной литературе.
К недостаткам применения известных, в том числе оксидных, катодов относятся:
умеренная экономичность (значительные затраты энергии на поддержание рабочей температуры);
низкий ресурс, особенно при малом давлении газовой смеси (обычно ≤ 2÷2,5 мбар);
значительное катодное падение (в том числе, для тлеющих разрядов эксимерных ламп);
низкая химическая стойкость, в том числе при работе с галогенидами.
Частично исправить перечисленные недостатки известных катодов позволяет применение в газоразрядных источниках света так называемых полых катодов. Согласно известному определению [4] ([4]: Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М., Энергия. 1969. - 184 с.), полым катодом называется катод, рабочая поверхность которого имеет отрицательную кривизну или состоит из отдельных поверхностей (включая и плоские), ограничивающих часть пространства газоразрядного прибора и создающих полость. В качестве полых катодов часто используются трубки (круглого или прямоугольного сечения), а также две плоские параллельные друг другу пластины любой формы, имеющие электрическое соединение, см. фиг. 1.
Ключевым преимуществом разрядов с полым катодом для определенного диапазона соотношений поперечного размера такого катода D (диаметр круглого полого катода, расстояние между пластинами П-образного полого катода, в последнем случае ширина пластин L, как правило >D) и давления газовой среды Р состоит в следующем: при заданном напряжении ток разряда оказывается существенно (многократно) больше, чем в случае использования плоского катода - это «эффект полого катода». То же самое можно сформулировать и иначе: катодное падение напряжения в случае полого катода, необходимое для поддержания заданного тока разряда, значительно меньше, чем для плоского катода. Соответственно, доля падения напряжения на положительном столбе разряда выше в случае полого катода - выше и эффективность преобразования электрической энергии в свет.
Физический механизм возникновения эффекта полого катода состоит в том, что рожденные в полости электроны покидают ее гораздо медленнее, чем катодную область плоского электрода. Распределение электрического поля в полости приводит к осцилляциям при движении электронов к выходу из полости, на таком гораздо большем пути электроны эффективно размножаются, что и обеспечивает больший ток по сравнению с плоским катодом при том же напряжении.
Следует указать, что для реализации такого режима работы полости необходимо перекрытие областей отрицательного свечения у противолежащих сторон полого катода, то есть минимальный поперечный размер полости D должен быть не больше удвоенного размера отрицательного свечения [4], в другой формулировке [5] ([5]: Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., Наука, 1987 - 592 с.): минимальный размер полости D должен быть сравним с толщиной катодного слоя разряда.
Поскольку глубина проникновения поля в полость ограничена, то ограничена и целесообразная глубина Н полого катода. Как правило, оптимальная глубина полого катода составляет ~ (2÷3)D, хотя известны цилиндрические и П-образные полые катоды с отношением высоты к диаметру и 4÷5, принципиального ограничения на отношение H/D нет. Для умеренного отношения H/D, когда вся внутренняя поверхность полости генерирует ток с близкой эффективностью, «рабочая площадь» цилиндрического полого катода в (4D/H+1) ~ 10 раз превосходит площадь плоского катода близкого диаметра. Заметим, что здесь необходимо также, чтобы выполнялось условие D>>δ, δ - толщина стенки цилиндрического полого катода. В случае полого катода малого диаметра, когда D~δ выигрыша в эффективной «рабочей площади» в случае полого катода нет (и даже есть «проигрыш», если D<δ).
По указанной причине ограниченной глубины проникновения поля в полость в ряде случаев возможно без заметной потери эффективности использовать в качестве полого катода не «стакан», как на фиг. 1а, а просто трубку («без дна»), как на фиг. 1б, прежде всего при Н>(3÷4)D, такого рода полые катоды использовались, например, при разрядном возбуждении эксимерных ламп. При Н ~ D эффективность известного технического решения снижается, хотя сам по себе эффект полого катода и сохраняется, при Н существенно меньшем D эффект полого катода практически исчезает. Отметим, что в большинстве случаев оси полого катода и разряда (а также анода) совпадают и именно такая геометрия в первую очередь относится к предмету настоящего изобретения, хотя известны и разряды с полым катодом другой геометрии, см. также ниже.
Применение полого катода также снижает влияние эрозии электрода на ресурс работы лампы - обычно продукты эрозии оседают на стенки лампы и снижают их пропускание. В случае же полого катода большая часть продуктов эрозии остается в полости, что уменьшает не только потери света вследствие поглощения стенками лампы, но и скорость эрозии полого катода самого по себе.
Таким образом, в случае реализации эффекта полого катода применение известного технического решения позволяет улучшить ряд его характеристик:
1. Повысить светоотдачу за счет уменьшения доли катодного падения, прежде всего для ламп продольного тлеющего разряда.
2. Повысить экономичность генерации тока за счет возможности работы при меньшей температуре катода и дополнительного размножения электронов в полости.
3. Улучшить ресурс полого катода и пропускания стенок лампы за счет уменьшения скорости его эрозии и влияния осаждения продуктов эрозии на стенки лампы.
Указанные факторы, например, согласно расчетам [6] ([6]: Базаркин А.Ф. Компьютерное моделирование и расчет оксидного катода натриевой лампы низкого давления. Диссертациия ктн. Саранск. 2015), позволяют в натриевой лампе низкого давления ДНаО-85 с полым цилиндрическим катодом с внутренним оксидным покрытием дополнительно увеличить ее световую отдачу до 25%, а также повысить стабильность светового потока в процессе эксплуатации лампы.
Однако, как указано выше, эффект полого катода для его разумных габаритов (D ~ 10 мм) проявляется в известных катодах только при достаточно низком давлении газовой среды, указанному габариту полого катода соответствует давление в диапазоне 0,5÷10 мбар в зависимости от состава газа (например, для РЛНД и обогащенного неоном состава буферного газа ~ 1 мбар). В то же время указанное низкое давление является во многих случаях неоптимальным, а в ряде случаев вообще не обеспечивает сколько-нибудь заметную светоотдачу, например:
для РЛНД оптимальное с точки зрения ресурса давление буферного газа ~ 2 мбар;
2
в ВУФ-лампах на димерах инертных газов высокая эффективность (потенциально до 50%) может быть достигнута только при давлениях > 150÷200 мбар (желательно > 300 мбар), поскольку заселение излучающих состояний происходит в результате трехчастичных процессов, имеющих очень низкую скорость при малых давлениях. Например, время образования излучающего димера ксенона (длина волны ~ 172 нм) в реакции Хе* + 2Хе → Хе* + Хе превышает 3 мс при давлении 5 мбар, за это время заведомо произойдет безызлучательное тушение возбужденного состояния Хе*;
в УФ-лампах на галогенидах йода и брома, представляющих значительный интерес для ряда приложений, необходима быстрая VT-релаксация колебательно высоковозбужденных молекул типа RX** (R - инертный атом, прежде всего ксенон, X - атом брома или йода), для обеспечения которой необходимо давление рабочей среды > 50÷60 мбар.
Эффект полого катода может быть реализован и при больших давлениях газа за счет соответствующего уменьшения габарита полости, в первом приближении D ~ 1/Р, поскольку именно так зависит от давления толщина катодного слоя [5]. В частности, в ксеноне для давления ~ 600 мбар эффект полого катода был реализован при D ≈ 0,1 мм. Однако при таких габаритах полости сколько-нибудь значительный ток разряда реализовать не удается и, соответственно, мощность источника света с таким полым катодом мала и такой источник не представляет практического интереса (при этом, с другой стороны, тепловая нагрузка на такой компактный полый катод избыточно велика, что также неприемлемо).
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность эффективного использования эффекта полого катода при существенно большем давлении газовой среды в разрядном промежутке, то есть генерация большего тока разряда при малой величине катодного падения напряжения для повышенного давления газового разряда и большая экономичность катода.
Технический результат достигается тем, что по крайней мере часть поверхности катода выполнена перфорированной, причем минимальный поперечный размер перфорации d и глубина перфорации h связаны соотношением h≥d.
Под перфорированной поверхностью авторы настоящей заявки понимают поверхность, в которой выполнены сквозные выборки или несквозные углубления («канавки»), при этом для сквозного отверстия или углубления круглой формы минимальный поперечный размер перфорации - это его диаметр, а для канавок минимальный поперечный размер перфорации - это их ширина при обычно выполненном для заявляемого технического решения условии, что длина канавок существенно превосходит их ширину. В последнем случае канавка представляет собой, как правило, прямой или изогнутый (например, спираль - см. ниже) профиль радиус кривизны которого существенно превосходит d, конкретные примеры вариантов перфорации и способов ее осуществления приведены ниже.
-1
Максимальный допустимый в заявляемом техническом решении поперечный размер перфорации d определяется условием, что для этого размера реализуется эффект полого катода при заданном давлении и составе рабочей среды газоразрядного прибора - оптимальных с точки зрения решаемой задачи, а именно максимальный КПД, максимальная мощность излучения, необходимый спектр излучения и т.д. Соответствующий размер d в предпочтительном варианте может быть предварительно определен экспериментально для конкретного состава и давления газа, в ряде случаев может быть использовано приблизительно выполняющееся упомянутое выше соотношение d ~ Р, то есть если уже известно, что для некоторого состава газовой смеси при Р=2 мбар эффект полого катода выполняется при d≤15 мм, то предварительно можно ориентироваться на то, что при давлении газовой смеси того же состава Р=50 мбар эффект полого катода будет выполняться при d≤0,6 мм. Отметим, что в этом случае оптимальный размер d, как правило, близок к максимально допустимому - это предпочтительно, в том числе и технологически с точки зрения простоты и удобства изготовления катода.
Минимальный допустимый в заявляемом техническом решении поперечный размер перфорации определяется, прежде всего, техническими возможностями ее выполнения при разумной стоимости этой операции при том условии, что с подобной перфорацией должна быть выполнена большая часть поверхности катода. Здесь следует учитывать, что в предпочтительном варианте реализации, для увеличения общей площади генерирующей ток поверхности сформированных согласно заявке «микрополых катодов», период перфорации, то есть сумма d+b (см. обозначения на фиг. 2-7), существенно не превышает сам поперечный размер перфорации d: и b < в или b ~ d. В тоже время количество выборок - углублений (канавок или близкой к круглой формы) и/или сквозных отверстий (пазов) определяется тем током I, который катод должен генерировать: I=Σi, i - ток, генерируемый отдельным сформированным согласно заявляемому техническому решению «микрополым» катодом.
Заметим, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения, когда d,b,h << D,H увеличение общей площади поверхности катода составляет (для прямоугольной формы выборок) 1+2h/(b+d), при этом доля поверхности, для которой выполняется условие полого катода составляет ~ 2h/(2h+b+d). В то же время для известного катода с такими же D,H при достаточно большом давлении принципиально важного для заявляемого эффекта полого катода нет.
кр
При большей плотности «выборок», то есть меньшей величине d+b при том же значении d катод может быть выполнен более компактным. В то же время это автоматически увеличивает мощность тепловыделения на катоде и средний размер b в этом случае может быть ограничен перегревом катода. Отметим также, что в ряде случаев выбор достаточно малой величины «перемычки» b между соседними выборками может быть предпочтительным с точки зрения предотвращения горения разряда на такой перемычке, прежде всего для предотвращения перехода разряда на катоде в дуговой с возникновением катодных пятен, ускоряющих эрозию, типичная величина такого критического размера, зависящего от состава и давления газа b ~ 0,3 мм (0,1÷1 мм).
Оптимальное соотношение d и b определяется экспериментально в зависимости от потребной величины тока разряда, геометрии газоразрядного прибора (габарита катода), состава и давления газовой смеси. При этом прежде всего определяется d (давлением и составом газа), затем h (предпочтительно h/d ~ 2÷4) и далее оптимизируется геометрия выборок и величина b: типичное отношение b/d = 0,3÷3, в большинстве случаев предпочтительно b/d = 0,5÷2.
Варианты конкретной геометрии катодов согласно заявляемому техническому решению приведены на фиг. 2-7. На этих фигурах 1 - несквозная выборка, 2 - сквозная выборка (паз или отверстие), d - поперечный размер выборки, формирующей внутреннюю поверхность полого катода, h - глубина сформированного выборкой «полого микрокатода» (толщина материала полого катода или его соответствующей составляющей в случае сквозной для нее выборки), b - ширина слоя материала полого катода между соседними выборками, b+d - период перфорации.
Здесь также укажем, что перфорация может быть выполнена не периодической, поперечный размер перфорации может быть разным на разных участках катода, различные «канавки» могут быть не параллельны, как, например, на фиг. 5, а формировать более сложную конфигурацию (фиг. 6в), прерываться (фиг. 3 и 6в), не быть отрезками прямой и т.д. и т.п.
На фиг. 2, 3 приведено два варианта полого катода по заявляемому техническому решению, когда перфорация выполнена на цилиндрическом полом катоде распространенной формы «стакана», как на фиг. 1а. На фиг. 2 перфорация несквозная, на фиг. 3 - перфорация сквозная, в обоих случаях перфорация представляет собой выполненные по окружности выборки или пазы, в последнем случае на окружности (в перпендикулярном оси катода сечении) остается по меньшей мере один сплошной участок, чтобы сохранить целостность катода, то есть паз выполняется прерывистым.
На фиг. 4 сквозная выборка в цилиндрическом полом катоде в форме стакана выполнена в виде спирали. Подобного рода спиральный полый катод согласно заявляемому техническому решению может быть также выполнен навитием в спираль проводящей проволоки, в том числе проволоки прямоугольного сечения b*h с расстоянием между соседними витками d, в этом случае глубина сформированной перфорации h соответствует «толщине» проволоки, а характерный (минимальный) поперечный размер перфорации - d (обозначения на фиг. 4). Такого рода спираль может быть как «открытой» (без «дна») аналогично известному трубчатому полому катоду (фиг. 1б), так и присоединена (например, приварена) к основанию аналогично известному полому катоду в форме стакана (фиг. 1а), в одном из вариантов реализации спираль также дополнительно может быть соединена с кольцевой «крышкой» полого катода со стороны анода разрядного промежутка. Отметим, что сечение проволоки может также отличаться от прямоугольного и, в частности, быть круглым, в этом случае эффективная глубина перфорации в таком спиральном катоде несколько меньше диаметра проволоки, а эффективный поперечный размер перфорации несколько больше минимального расстояния между соседними витками, в этой ситуации для реализации заявляемого эффекта полого катода в такой «спиральной микрополости» необходимо, чтобы расстояние между соседними витками было по меньшей мере меньше диаметра проволоки.
В случае сквозных выборок фиг. 3, 4 глубина перфорации h равна толщине боковой стенки полого катода, то есть разнице внешнего и внутреннего радиусов цилиндрической части полого катода.
Сечение как сквозной, так и несквозной выборок может быть прямоугольным (см. например, фиг. 2а, фиг. 3), так и с фасками различной формы - округлой (фиг. 2б) или плоской (фиг. 7в) и т.д.
Технология выполнения катода согласно заявляемому техническому решению может быть различной. Например, полый катод типа показанного на фиг. 2-4 может быть выполнен точением исходной металлической прутковой или трубной заготовки, полый катод типа изображенного на фиг. 5 - фрезеровкой исходной сплошной металлической заготовки или обработкой соответствующего (уже с выполненными «пазами») экструдированного профиля, сквозная перфорация может быть выполнена, в том числе с помощью лазерной резки как плоских, так и трубных заготовок. С целью упрощения и ускорения механической обработки исходная заготовка, в том числе, может быть выполнена из неметаллического материала, например пластмассы, с его последующей металлизацией известными методами (гальванический, напыление и т.д.).
Катод согласно заявляемому техническому решению может быть также выполнен составным, возможные варианты приведены на фиг. 6, 7. В этом случае одна или несколько составляющих может быть выполнена со сквозными пазами или отверстиями (например детали на фиг. 6а или детали 7а, 7б, 7б') и затем соединена с другой «разумно тонкой» по сравнению с h составляющей - также с пазами, как детали 7б, 7б', которые могут формировать «крышку» каждого из формируемых таким образом «микрополых катодов» на фиг. 7, и/или без пазов, в этом случае, таким образом, может быть сформировано опора - «дно» соответствующих «микрополых катодов», как детали на фиг. 6б, 7в. При этом составляющие катода по настоящему изобретению представляют собой эквипотенциальную поверхность, например между ними имеется электрический контакт и/или все они заземлены.
Использование составных катодов может быть предпочтительно в случае, когда необходимый поперечный размер перфорации d достаточно мал для того, чтобы быть эффективно выполненным методами механической обработки. Например, с помощью лазерной резки в заготовке толщиной h=300÷600 мкм могут быть с высокой скоростью и точно выполнены пазы шириной d=100÷150 мкм (и даже меньше), что обеспечивает отношение h/d согласно заявляемому техническому решению, при этом расстояние b между соседними пазами может не превышать 200÷300 мкм. Такого рода геометрия перфорации позволила реализовать эффект полого катода для давлений газовой среды вплоть до атмосферного и более (в том числе для разряда в ксеноне, включая импульсный разряд). При этом необходимая жесткость и прочность катода в целом может быть получена за счет соединения такой перфорированной детали с опорой.
По той же схеме может быть выполнен и цилиндрический катод: предварительная перфорация (в том числе лазерная перфорация) тонкостенной трубной заготовки и последующее ее соединение с более толстостенной заготовкой соответствующего диаметра. Кроме того, описанным способом предварительно может быть изготовлена соответствующая плоская заготовка, затем после ее сворачивания образуется, например, цилиндрический профиль катода.
Авторами обнаружено, что для катода в соответствии с заявляемым техническим решением, когда эффект полого катода выполняется для каждого сформированною «микрополого катода» (то есть соотношение d и Р соответствует условию существования этого эффекта), то генерируемый катодом ток существенно возрастает по сравнению с плоским катодом и в том случае, когда для катода в целом условие эффекта полого катода не выполняется, то есть, например, когда диаметр цилиндрического катода D и давление газовой смеси Р таковы, что произведение D*P слишком велико. Например, резкий рост тока разряда при заданном напряжении может быть реализован в эксимерной лампе на молекуле XeBr* (λ ~ 282 нм) для давления газовой смеси 40÷50 Торр при использовании полого катода, выполненного в соответствии с фиг. 2 при D=20 мм, Н=30 мм, d=0,5 мм, h=1,3 мм, b=0,7 мм) - в частности, удалось реализовать ток разряда в 7÷10 раз больший, чем для известного полого катода в форме «стакана» (фиг. 1) с той же геометрией: D=20 мм, Н=30 мм значительно снизилось также катодное падение напряжения.
Предпочтительное соотношение h/d, как и в случае известного полого катода, находится в диапазоне h/d≥2,5, ориентировочно h/d ~ 3÷4, хотя возможно применение и катодов согласно заявляемому техническому решению с h/d ~ 1÷1,5, прежде всего в случаях, когда выполнение более «глубоких» выборок (пазов) представляет значительные технологические проблемы.
Заявляемое техническое решение может быть использовано также и в случае, когда по меньшей мере часть поверхности катода имеет покрытие с большей эмитирующей способностью, чем у материала катода, в том числе оксидное покрытие, то есть оно применимо и для нагревных катодов. Такого рода покрытие может быть нанесено известными методами на поверхность катода, участвующую в эмиссии тока разряда - как на всю поверхность катода, так и прежде всего на перфорированные участки, формирующие «микрополые катоды», в частности на «боковые поверхности» соответствующих выборок. Например, для сквозных пазов такого рода покрытие может быть нанесено на формирующие паз поверхности после выполнения пазов. Такого рода покрытие в рамках заявляемого технического решения позволяет снизить потребную температуру подогревного катода и, таким образом, повысить его экономичность (генерируемый катодом ток в расчете на ватт затрачиваемой на поддержание его температуры мощности). Укажем, что в случае спирального варианта заявляемого катода и, в частности, в варианте выполнения такой спирали из проволоки оксидное покрытие также может быть выполнено методом намотки на спираль оксидированной проволоки существенно меньшего диаметра. Например, если спираль имеет профиль d=1 мм, b=1 мм, h=2,5 мм, то возможно использовать намотку оксидированной проволокой диаметром ~100 мкм (0,1 мм). В этом случае, как установлено авторами, эффект усиления тока за счет эффекта полого катода также проявляется и позволяет повысить экономичность и ресурс нагревных катодов (скорость эрозии катода быстро уменьшается при уменьшении его температуры), в том числе катодов для ламп низкого давления, прежде всего ртутных и натриевых. Дополнительно отметим, что ось катода по настоящему техническому решению в предпочтительном варианте реализации совпадает с осью разряда (близка к оси разряда).
2
2
2
Кроме того, предлагаемое техническое решение может использоваться для генерации импульсных и импульсно-периодических токов (разрядов). Известно применение общепринятых полых катодов типа показанных на фиг. 1, а также, например, полых катодов с трубчатой щелевой геометрией [7] ([7]: Иванов И.Г., Олейников А.А. Генерация лазеров на парах металлов с разрядом поперечного типа и комбинированной активной средой. Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2017, №3. ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2017/4298, статья в формате.pdf http://ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_37_Ivanov_Olejnikov.pdf_77ef523abd.pdf) с целью генерации импульсов тока длительностью микросекундного и субмикросекундного диапазонов с частотой вплоть до 100 кГц (отметим также, что в [7] анод не находится на оси симметрии полого катода). Однако в известных случаях давление рабочей среды также существенно ограничено - в [7] давление буферного газа гелия составляло не более 12-16 Торр при диаметре полости катода 3-8 мм. Заявляемое техническое решение позволяет существенно увеличить давление газовой смеси вплоть до десятков и сотен Торр, например в тлеющем разряде при давлении рабочей смеси 60 Торр с трубчатым полым катодом типа показанного на фиг. 2 при D=18 мм, Н=40 мм, d=0,8 мм, h=2 мм, b=0,8 мм (для стандартного полого катода при D=18 мм, Н=40 мм площадь эмитирующей поверхности πHD ~ 23 см и нет эффекта полого катода, для описанного здесь варианта площадь эмитирующей поверхности ~ 80 см, причем для площади около 60 см проявляется сильный эффект полого катода).
Кроме того, авторы предлагают, прежде всего, в газовых разрядах с химически активными газами (в частности, с галогенами, когда в разряде присутствуют не только молекулы, но и атомы галогенов), работающими в импульсно-периодическом режиме, использовать заявляемый катод, по меньшей мере часть поверхности которого имеет химически стойкое диэлектрическое покрытие. Предпочтительно химически стойкое диэлектрическое покрытие имеет вся контактирующая с разрядом поверхность катода. В этом случае замыкание тока в разрядном промежутке происходит за счет тока смещения, а диэлектрическое покрытие обеспечивает высокий ресурс и стойкость катода в агрессивных средах, в том числе в эксимерных лампах и разрядах с щелочными металлами. Укажем также, что предлагаемый вариант применения катода с диэлектрическим покрытием типа оксида алюминия с высокой химической и тепловой стойкостью (с температурой плавления выше 2000°С) может также быть полезным при использовании заявляемого катода в ионных источниках, ионных двигателях и т.д.
5
-1
2
2
0
0
0
0
0
Предпочтительные варианты применения указанного диэлектрического покрытия связаны со случаем, когда сопротивление разряда достаточно велико по сравнению с обусловленным слоем диэлектрика емкостным сопротивлением. Такая ситуация можем иметь место, например в эксимерных лампах продольного тлеющего разряда [2] с характерным напряжением 3÷5 кВ при токе разряда ~ 100÷300 мА, то есть при сопротивлении положительного столба разряда R ~ 20 кОм и более (заметим, что типичное сопротивление разряда современной амальгамной ртутной лампы низкого давления на порядки меньше и составляет обычно 50÷100 Ом). Поскольку в заявляемом варианте катода катодное падение напряжения не превышает 200÷500 В (для эксимерной лампы на молекуле KrCl* измеренное авторами катодное падение составило ≈ 100 В), то для химической защиты поверхности катода и гарантии электрической прочности покрытия (отсутствия его пробоя) толщины покрытия δ = 10÷20 мкм более, чем достаточно (вообще, потребная толщина покрытия определяется указанными выше факторами: химическая и электрическая стойкость). Тогда, принимая длительность отдельного токового импульса 5 мкс (в синусоидальном режиме это соответствует частоте f ~ 100 кГц и круговой частоте ω =6,3*10 рад), получим, что для типичной диэлектрической проницаемости покрытия ε=10 емкостное сопротивление катода r составит 10% сопротивления положительного столба (принимаем соотношение r=0,1R в качестве приемлемого критерия) для площади диэлектрической поверхности катода S= δ / (εεωr) ≈ 2 см, ε - диэлектрическая проницаемость вакуума. Такая площадь катода согласно заявляемому техническому решению реализуется, в том числе для разрядов достаточно высокого давления, в то время как с известными полыми катодами в этом случае D,H таковы, что площадь катода многократно меньше S. Более того, оценки показывают, что для продольных разрядов в трубке диаметром ~20 мм заявляемое техническое решение обеспечивает реализацию эффекта полого катода с S~30÷50 см и более, что позволяет использовать импульсы длительностью десятки микросекунд. Здесь также важно подчеркнуть то обстоятельство, что толщина покрытия может быть выполнена малой, в обычной геометрии емкостного разряда [2] типичная толщина диэлектрического слоя ~ 1 мм (в 50-100 раз больше, чем по предлагаемому техническому решению).
Как результат, при использовании заявляемого технического решения в эксимерных лампах удалось с высоким ресурсом более 5000 часов и эффективностью свыше 22÷23% реализовать продольный тлеющий разряд (длина разрядного промежутка 15÷90 см) с током сотни миллиампер при использовании компактных цилиндрических катодов аналогично фиг. 2 (катодное падение напряжения не превышало 150 В), давлении рабочей среды более 10 Торр, в том числе 40÷80 Торр, возбуждении разряда импульсами квазипрямоугольной формы длительностью ~ 5 мкс (2÷10 мкс) со скважностью в диапазоне 1,5÷10. При использовании аналогичных по размерам (D,H) известных катодов (фиг. 1) с аналогичным диэлектрическим покрытием и таком же режиме возбуждения разряда не удалось получить эффективность выше 12÷14% (катодное падение напряжения при этом превышало 1 кВ), а без диэлектрического покрытия ресурс катода не превышал 150÷200 часов. Здесь специально укажем, что выбор оптимальных составов газовой среды и условий ее разрядного возбуждения не относится к предмету настоящего технического решения.
Известны полые катоды с цилиндрической геометрией, боковая поверхность которых выполнена из сетки, то есть формально может рассматриваться как перфорированная [8] ([8]: патент SU 1818641 с приоритетом от 11.09.1990 г. Полый катод для газоразрядного прибора), в котором использовалась сетка с диаметром проволоки 0,15 мм и шагом 0,5 мм, то есть с d≈0,35 мм и h≈0,15 мм (с учетом сделанного выше замечания относительно определения d,h для проволоки круглого сечения), то есть существенное условие заявляемого технического решения h>d здесь не выполняется. Далее, в известном цилиндрическом полом катоде давление наполняющего газа (водорода) таково, что условие эффекта полого катода выполняется для всей «основной» цилиндрической полости с D=4 мм и Н=17 мм (в примере, согласно формуле [8] H/D=1÷8) и в этом смысле, то есть с точки зрения распределения поля в полости, такая сетка не отличается от сплошной проводящей поверхности. Более того, поскольку h<d, причем в несколько раз меньше, то в такой ситуации для каждой отдельной «полости» в сетке, как известно, эффект полого катода практически отсутствует (практически не происходит дополнительного размножения электронов, которые эмитируются «боковой» поверхностью сетки), в частности, по этой причине практически не дает эффект такой известный способ «развития поверхности», как дробеструйная обработка. Заявляемое же техническое решение позволяет эффективно увеличить поверхность катода с сохранением эффекта полого катода для такой «развитой поверхности».
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемой полезной модели совокупностью признаков, является эффективная генерация большего тока разряда при малой величине катодного падения напряжения, в том числе для повышенного давления газового разряда, а также большая экономичность катода.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели и известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков, что обеспечивает ей соответствие критерию «новизна».
Возможность создания заявляемого катода на базе известных материалов (как проводящих, так и диэлектрических и оксидных покрытий) и технологий их обработки, включая механическую обработку с выполнением канавок и пазов точением и фрезеровкой, выполнение пазов резкой, в том числе лазерную или электроэрозионную, пластическую деформацию (например, выполнение выборок по технологии типа накатки резьбы), экструдирование профиля, в том числе из пластмасс с последующей металлизацией, нанесение диэлектрических покрытий и т.д. обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «промышленная применимость», некоторые конкретные варианты его реализации были описаны выше.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения катода, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, катод может быть выполнен из того или иного металла (титан, вольфрам, никель, алюминий, сталь и т.д.), металла с металлическим же покрытием с большей химической стойкостью (сталь с никелевым покрытием), геометрия катода и его перфорации может отличаться от приведенных выше конкретных примеров (с сохранением соотношения между h, d и выполнении условия реализации полого катода для заданного d и давления среды в разряде), возможно использование различных диэлектрических и эмитирующих ток покрытий различной толщины, катод для генерации тока большой амплитуды может состоять из нескольких объединенных вместе описанных выше катодов, анод в разрядном промежутке может быть выполнен аналогично заявляемому катоду и т.д.