ХОЛОДНЫЙ КАТОД ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРИБОРА С ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ
COLD CATHODE OF A GLOW DISCHARGE GAS DISCHARGE DEVICE

Изобретение относится к области вакуумной и плазменной электроники и может быть использовано при совершенствовании и создании новых типов газоразрядных приборов с холодным катодом (лазеров, приборов О-типа и др.).
Известен холодный катод газоразрядного прибора с тлеющим разрядом, выполненный из алюминия в форме цилиндрического стакана [Еркин A.M. «Лампы с холодным катодом».- М.: издательство «Энергия», 1967 80 с., Козлов А. Н. «Особенности выбора ионных источников с холодным катодом для точной ионно-лучевой обработки полупроводниковых структур». - М.: издательство ФГУП «Научно-производственное объединение "Орион" Государственный научный центр РФ].
Известный холодный катод используется в управляемых газоразрядных приборах с холодным катодом с тлеющим разрядом и работает следующим образом. Для зажигания тлеющего разряда в приборе может быть расположен накаливаемый катод (внутри полого катода или рядом с ним). Кратковременным включением накаливаемого катода при поданном анодном напряжении разрядное пространство ионизуется, формируется анодная плазма, которая бомбардирует катод. Поверхность катода начинает эмитировать электроны и поддерживать разряд. Зажигание разряда может осуществляться подачей повышенного анодного напряжения без накаливаемого катода. Далее состояние разрядной плазмы и ее характеристики устанавливаются в соответствии с законом Пашена. Устойчивость разряда обеспечивается геометрией прибора, составом и давлением газа в приборе, эмиссионными процессами (гамма-процессами) на катоде и напряжением между анодом и катодом.
Считается, что в прототипе на рабочей поверхности холодного катода из алюминия образуется тонкий электропрочный диэлектрический слой из оксида алюминия. Поверхность этого слоя заряжается положительными ионами плазмы, которые создают сильное электрическое поле в оксидном слое, вытягивающее электроны из алюминия в межэлектродное пространство, то есть реализуется процесс наподобие эффекта Мальтера. Эмитированные электроны ускоряются, ионизуют молекулы газа над поверхностью катода, а ионизованные атомы ускоряются в направлении эмитирующей поверхности, бомбардируют ее и вызывают эмиссию электронов с не нагретой поверхности. При этом ионная бомбардировка распыляет атомы поверхности и может вызывать разрушение ее исходного состояния. Подбором конструкции и материала катода достигают распределение тока разряда по всей внутренней поверхности полого катода, что уменьшает плотность тока плазмы на катоде и может обеспечивать длительную стабильную работу катода и прибора в целом.
Недостатком известного холодного катода является большая неравномерность плотности тока по поверхности катода, вероятность концентрирования разряда на открытой торцевой поверхности цилиндра катода, что приводит к повышению плотности ионного тока на торцевой поверхности, к интенсивной эрозии поверхности и потере работоспособности прибора.
Техническое решение направлено на повышение ресурса работы холодного катода газоразрядного прибора с тлеющим разрядом.
отв
внеш
отв
Технический результат достигается тем, что в холодном катоде газоразрядного прибора с тлеющим разрядом, выполненном из алюминия в форме цилиндрического стакана, дополнительно открытый торец стенки цилиндра выполнен в закругленной форме в сечении, толщину стенки цилиндра выполняют плавно уменьшающейся по толщине от открытого торца к дну, внутреннюю поверхность цилиндра выполняют шероховатой, а внешнюю поверхность выполняют полированной, при этом катод дополнительно содержит установочный держатель, выполненный из материала с малой теплопроводностью и прикрепленный к внешней стороне дна цилиндра, а также дополнительно материал цилиндра легируют магнием концентрацией в пределах 0,5 5%, при этом площадь внешней поверхности цилиндра определяется из условия  где Р - потребляемая мощность газоразрядного прибора; η - кпд прибора,  - коэффициент Стефана-Больцмана; Т - температура поверхности цилиндра катода, К; е - коэффициент серости отверстия открытого торца катода; е - коэффициент серости внешней поверхности цилиндра катода; k - коэффициент экранирования излучения; S - величина площади отверстия открытого торца цилиндра катода).
На фиг.1 приведена схема геометрии и устройства полого холодного катода газоразрядного прибора с тлеющим разрядом (далее - катод).
Катод содержит цилиндрический стакан (далее - цилиндр) 1 и электропроводящий теплоизолирующий держатель 2. Основные функциональные области катода: внутренняя поверхность 3 цилиндра 1 получает кинетический импульс ионов плазмы, эмитирует электроны в плазму, излучает тепло; внешняя поверхность 4 цилиндра 1 излучает тепло и охлаждает цилиндр; объем 5 стенки цилиндра 1 выполнен уменьшающимся по толщине от торца в направлении дна в соответствии с распределением мощности воздействия плазмы и потока тепла от более нагретого открытого торца в направлении дна; торцевая поверхность 6 цилиндра 1, с которой начинается зажигание и развитие разряда, получает наибольшее кинетическое воздействие ионов плазмы и выполнена плавной формой сечения для равномерного распределения электрического поля во время зажигания.
внеш
внеш
Шероховатость внутренней поверхности 3 увеличивает рабочую площадь катода. Полированная внешняя поверхность 4 имеет малый коэффициент серости е<0,1 и ограничивает потери тепла излучением. Подбором коэффициента серости е и коэффициента экранирования k можно устанавливать нужный температурный режим работы катода в равновесии нагрева катода ионной бомбардировкой и охлаждения его излучением тепла внешней поверхностью, а также излучением из открытого торца цилиндра катода. Коэффициент серости открытого торца определяется по аналогии цилиндра с моделью абсолютно черного тела в виде шара с отверстием. Из практики известно, что форма цилиндра полого холодного катода подбирается в виде цилиндрического стакана с соотношением диаметра D к длине L меньше единицы. Это сводит распыление поверхности катода к перепылению на противолежащие внутренние поверхности цилиндра. Величина отношения D/L выбирается по условию глубины проникновения плазмы в полый цилиндр.
Несмотря на название катода (холодный) ионная бомбардировка нагревает катод. Температурный режим работы холодных катодов находится в пределах 400÷600 К.
В предполагаемом изобретении материал цилиндра - алюминий легирован магнием концентрацией менее 5%, сформирован в виде твердого раствора. Верхний предел концентрации магния ограничен во избежание образования отдельных фазовых соединений.
Объем материала держателя 2 служит для электрического соединения катода с внешней схемой и для ограничения тепловых потерь.
n
m
Принцип действия предполагаемого изобретения отличается от прототипа и основан на обратимой сегрегации атомов магния на поверхности алюминия в форме моноатомной пленки при нагреве материала цилиндра. Это явление обнаружено авторами экспериментально. При кинетическом воздействии ионов плазмы цилиндр катода нагревается и на его поверхности при температурах выше 400 К формируется моноатомная пленка магния на поверхности алюминия, представляющая собой пленочный эмиттер Mg-[Al, AlO].
Это происходит в результате нагрева катода ионной бомбардировкой, вызывающего диффузию магния из объема легированного алюминия на поверхность и сегрегацию атомов магния на поверхности по механизму Странского - Крастанова, то есть при диффузии пленка магния формируется сначала моноатомной толщины до полного монослоя, а затем может происходить рост островков в разнообразной форме (согласно механизму Странского - Крастанова). На практике рост трехмерных островков атомов щелочных и щелочноземельных металлов трудно осуществим, так как энергия связи атомов щелочных и щелочно-земельных металлов (ЩМ и ЩЗМ) на собственных атомах небольшая, и трехмерные островки испаряются. При этом моноатомная пленка адатомов (практически любых) обладает энергией связи с поверхностью, сравнимой с энергией связи атомов адсорбента друг с другом. В предполагаемом изобретении моноатомная пленка магния снижает работу выхода алюминия  до величин  меньше работы выхода и алюминия, и магния  Рост пленки по механизму Странского - Крастанова является следствием высокой подвижности (миграции) атомов магния по поверхности адсорбента, в частности, алюминия.
Значительное уменьшение работы выхода внутренней поверхности полого цилиндра на порядки раз увеличивает эмиссию электронов, в том числе кинетическую и потенциальную ионно-электронную эмиссии. В результате этого разряд распределяется по внутренней поверхности цилиндра более равномерно и снижает скорость ионно-эрозионных процессов на поверхности катода.
Образование моноатомных пленок магния на поверхности алюминия и миграция по поверхности авторами изучено экспериментально методами спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий, оже-спектроскопии и вторично-ионной масс-спектроскопии. Авторами также показано экспериментально, что при малых плотностях токов эрозионные разрушения пленочных катодов практически отсутствуют. Экспериментально установлено, что дозы ионного облучения, которые при больших плотностях тока разрушают моноатомный слой пленочной системы, при малых плотностях токов поверхность не разрушают, и пленочные моноатомные катоды работают длительное время стабильно. Сравнительно низкая температура катода (меньше 600 К) не вызывает испарения магния, но обеспечивает достаточную скорость диффузии его из объема, восполняющая любые потери магния из монослоя. При малых плотностях токов на катоде время релаксации ударных воздействий одиночных ионов существенно меньше времени повторного воздействия ионов на релаксирующий участок.
n
m
Режим малых плотностей тока в приборе с холодным катодом обеспечивается распределением разряда по всей внутренней поверхности катода увеличиваемой формированием геометрической шероховатости и увеличением размеров полной площади катода. Величина полной площади поверхности катода ограничена сверху необходимостью ограничения теплового излучения для обеспечения температурного режима работы и в, конечном итоге, для формирования устойчивой пленочной системы Mg-[Al, AlO]. При этом температура катода ограничивается сверху во избежание заметного испарения магния вследствие температурного уменьшения коэффициента распыления магния с поверхности алюминия.
Катод работает следующим образом. При зажигании разряда электрическое поле с наибольшей напряженностью формируется над поверхностью торца 6 цилиндра 1 катода. Вследствие образования ионного облака площадь внутренней поверхности 3, эмитирующая электроны из катода, увеличивается в направлении дна цилиндра 1, рабочая площадь расширяется по внутренней стенке в направлении дна цилиндра с убыванием величины поверхностной плотности разрядного тока. Одновременно вследствие ионной бомбардировки внутренняя поверхность 3 цилиндра и объем 5 его стенки нагреваются; тепловая энергия распределяется по всему объему стенки цилиндра и излучается с внешней поверхности 4, а также из открытого торца цилиндра, что приводит к охлаждению катода. Повышение температуры поверхности улучшает эмиссионную способность катода, что, в свою очередь, приводит к распределению тлеющего разряда по большей части внутренней поверхности 3 цилиндра 1 катода. Распределение тепловой энергии по всей длине катода оказывается более равномерной при утоньшающейся стенке 5 цилиндра 1 в направлении дна цилиндра.
получ
потр
При выборе определенного значения рабочей температуры катода внешняя площадь 4 поверхности может быть определена из равенства получаемой катодом и излучаемой им энергии в единицу времени. Получаемую катодом мощность Р можно определить либо по кинетической энергии ионов, либо по потребляемой мощности прибором Р с учетом коэффициента полезного действия η, а именно
Излучаемая мощность определяется законом Стефана-Больцмана и равна
I
внеш
отв
внеш
отв
где  - коэффициент Стефана-Больцмана; Т - температура рабочей поверхности цилиндра катода, К; е - коэффициент серости внешней поверхности цилиндра катода; е - коэффициент серости отверстия открытого торца катода; k - коэффициент экранирования излучения окружающими деталями; S - величина внешней поверхности цилиндра катода; S - величина площади отверстия открытого торца цилиндра.
При равенстве энергий (1) и (2) величина внешней площади цилиндра катода определяется равенством
отв
внеш
где Р - потребляемая мощность газоразрядного прибора; η - кпд прибора,  - коэффициент Стефана-Больцмана; Т - температура поверхности цилиндра катода, град. К; е - коэффициент серости отверстия открытого торца катода; е - коэффициент серости внешней поверхности цилиндра катода; k - коэффициент экранирования излучения.
В практическом плане стабильная работа катода с большим ресурсом работы обеспечивается выбором температурного режима катода в пределах 400÷600 К, при котором энергия связи атомов магния с поверхностью алюминия значительно превышает энергии активации диффузии и миграции магния. Такие условия позволяют осуществлять режим малых плотностей тока на катоде и устойчивой работы пленочного катода Mg-[Al, AlO].
Так как работа выхода пленочного с магнием катода более чем в два раза меньше работы выхода алюминия, то термостимулированная вторичная ионно-электронная эмиссия больше чем на порядок в сравнении алюминием. Поэтому рабочая площадь катода может быть уменьшена в два раза или при тех же габаритах катода повышается равномерность распределения плотности катодного тока по меньшей мере в полтора раза. Это позволяет увеличить ресурс работы катода на десятки процентов.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что вследствие уменьшения работы выхода катода равномерность распределения плотности тока по поверхности катода улучшается более чем в полтора раза, а соответственно ресурс работы увеличивается более чем на десятки процентов.