ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИБОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛОГО ХОЛОДНОГО КАТОДА В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ
PROCESS DEVICE FOR TREATMENT OF HOLLOW COLD CATHODE IN GAS DISCHARGE

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при производстве газоразрядных приборов, в частности холодных катодов моноблочных газовых лазеров.
Известно устройство для обработки полых цилиндрических катодов в тлеющем разряде [1]. Устройство содержит вакуумную камеру, анод, обрабатываемое изделие - катод, держатель катода, системы откачки и напуска газа. Анод расположен коаксиально внутри катода и равноудален от его поверхности, при этом держатель катода, выполненный из того же материала, что и катод, имеет центральное отверстие с диаметром, равным диаметру внутренней полости катода, и боковые отверстия, расположенные по окружности центрального отверстия.
Недостатком является то, что данное устройство эффективно может использоваться при обработке катода, в частности для его окисления, лишь при отрицательном потенциале подаваемого на катод напряжения постоянного тока. В противном случае, при подаче на катод положительного потенциала в среде электроотрицательного газа, например кислорода, когда получается более стойкая к распылению в тлеющем разряде защитная аморфная окисная пленка [2], будет иметь место катодное распыление анода и загрязнение рабочей поверхности катода продуктами распыления материала анода, что не позволит получать однородную по составу анодную окисную пленку на катоде. Невозможность получения однородного по эмиссионным и защитным характеристикам анодного окисла на катоде приводит к нестабильности электрических характеристик газового лазера во время его эксплуатации, что особенно негативно сказывается на рабочих параметрах моноблочных лазеров.
Кроме того, в случае большей степени шероховатости держателя катода по сравнению с внутренней поверхностью катода, возможно перепыление материала держателя на внутреннюю поверхность катода. Устройство не позволяет проводить обработку катода на других конструктивно отличных от него вакуумных откачных постах.
Нет возможности автономно использовать устройство для тренировки и испытаний катода после отпайки от вакуумного поста.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является технологический прибор для обработки полого холодного катода в газовом разряде [3], содержащий полый холодный катод, вакуумно-плотно закрепленный в стеклянной колбе с токоподводом из проволоки сплава 29НК (ковар), в котором внутрь катода введен анод, расположенный коаксиально внутри катода и равноудаленный от его поверхности, выполненный в виде проволоки из этого же сплава и вакуумно-плотно впаянный в корпус прибора. Прибор имеет стеклянную вакуумно-плотную оболочку, при этом со стороны анода на катод одевается стеклянная втулка.
Недостатками этого технологического прибора для обработки полого холодного катода в газовом разряде являются: невозможность эффективно проводить обработку катода, в частности, анодное окисление в тлеющем разряде при подаче на него положительного потенциала напряжения, вследствие большой доли вероятности загрязнения катодной поверхности продуктами распыления анода, так как материалом анода является сплав НК29 (ковар), недостаточно устойчивый к распылению в тлеющем разряде при работе под отрицательным потенциалом; невозможность демонтировать анод для его реставрации или замены при установке в технологический прибор нового катода для обработки, при этом требуется замена стеклянной колбы и монтаж в новую колбу нового анода; таким образом, отсутствует возможность многократного использования технологической колбы и анода; невозможность автономно использовать технологический прибор для тренировки и испытаний катода после отпайки от вакуумного поста.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции технологического прибора для обработки полого холодного катода в газовом разряде, в частности для его окисления, которая позволяет проводить окисление катода в газовом разряде электроотрицательного газа с целью получения защитного анодного окисла, исключить массоперенос продуктов распыления анода на керн катода, многократно использовать анод и оболочку прибора, позволяющую осуществлять межоперационный демонтаж анода для его замены или реставрации и возможность автономно использовать технологический прибор для тренировки и испытаний катода после отпайки от вакуумного поста.
Указанная задача решается тем, что в технологическом приборе для обработки полого холодного катода в газовом разряде, содержащем полый холодный катод, анод, расположенный коаксиально внутри катода и равноудаленный от его поверхности, стеклянную вакуумно-плотную оболочку, анод выполнен составным, рабочая часть анода, контактирующая с газовым разрядом, соединена с его внешней частью, электрически контактирующей с внешним источником напряжения или тока посредством разъемного соединения, выполнена из того же материала, что и рабочая поверхность катода, обработана с не меньшим классом чистоты, чем у катода, со стороны входа в катод частично экранирована диэлектриком, расположенным коаксиально снаружи анода, при этом неэкранированная рабочая часть анода расположена внутри полости катода и ограничена максимальной длиной, не превышающей длины катода, обрабатываемый катод закреплен в держателе, который электрически соединен с токоподводом к катоду, причем токоподвод вакуумно-плотно вмонтирован в стеклянную вакуумно-плотную оболочку технологического прибора. При этом конструкция предлагаемого технологического прибора позволяет тренировать и испытывать катод автономно от вакуумного поста, а также неоднократно использовать анод и стеклянную вакуумно-плотную оболочку при установке нового катода.
Возможность неоднократного использования технологического прибора достигается его разгерметизацией и демонтажом ранее обработанного катода, затем после монтажа нового катода часть прибора с первоначально установленным составным анодом и другую часть прибора с установленным катодом вакуумно-плотно соединяют по стеклянной оболочке, например, заваркой при помощи пламени газовой горелки.
В предлагаемой конструкции технологического прибора для окисления полого холодного катода в газовом разряде имеется возможность проводить окисление катода в газовом разряде электроотрицательного газа и получать анодный защитный окисел, как наиболее стойкий к катодному распылению в условиях тлеющего разряда, вследствие того, что рабочая часть анода выполнена из того же материала, что и рабочая поверхность катода. Этим исключается загрязненность внутренней рабочей поверхности катода пленками других соединений вследствие эффекта катодного распыления [4] электрода, в данном случае - анода, находящегося под отрицательным потенциалом в тлеющем разряде в электроотрицательном газе.
В случае использования материала анода, отличного от материала внутренней рабочей поверхности катода, на рабочей поверхности катода могут осаждаться эмитирующие пленки соединений, отличных от материала катода, и поэтому имеющие различные эмиссионные характеристики, вследствие чего после окисления в тлеющем разряде катод будет иметь нестабильные электрические характеристики, что недопустимо при его эксплуатации в составе газового лазера.
На чертеже представлена конструкция предлагаемого технологического прибора для окисления полого холодного катода в газовом разряде.
Анод выполнен в виде сборной конструкции и состоит из двух частей 1 и 2. Съемная рабочая часть 1 анода соединена с внешней частью 2 анода посредством разъемного соединения, например, резьбового 3, что позволяет проводить, при необходимости, смену анода для его реставрации или для установки анода из материала, соответствующего материалу рабочей поверхности обрабатываемого катода.
Задача осуществления вакуумно-плотного соединения со стеклянной оболочкой технологического прибора 4 внешней части 1 анода, электрически контактирующей с внешним источником напряжения или тока, решается при помощи использования для внешней части анода 2 материала с коэффициентом термического расширения (КТР), близким к КТР стекла, например сплава 29НК (ковар).
Рабочая часть 1 анода, непосредственно контактирующая с газовым разрядом, выполнена из того же материала, что и материал внутренней поверхности катода, например из алюминия АД1, и обработана с не меньшим классом чистоты, чем у катода. Этим исключается распыление анода при его работе под отрицательным потенциалом при анодном окислении катода в разряде электроотрицательного газа, например кислорода. В случае использования другого материала для анода невозможно эффективно проводить окисление катода под положительным потенциалом напряжения в тлеющем разряде вследствие большой доли вероятности загрязнения катодной поверхности продуктами распыления материала анода.
Съемная рабочая часть 1 анода коаксиально частично экранирована диэлектриком со стороны его входа в катод, например, стеклянным капилляром 5, расположенным коаксиально снаружи анода, при этом неэкранированная рабочая часть анода 1 расположена внутри полости катода 6 и ограничена максимальной длиной, не превышающей длины катода.
Минимальная по длине область экранированной части анода должна быть не менее расстояния до плоскости входа анода в полость катода. Такая длина выбрана для предотвращения зажигания и горения разряда по кромке катода со стороны анодного ввода. При меньшей длине экранирования анода разряд загорается по внешней поверхности катода, что является недопустимым вариантом обработки. Максимум экранирования не превышает длины катода и выбран из условия распространения разряда с открытого торца анода по внутренней обрабатываемой полости холодного катода. При большей величине экранирования разряд между катодом и анодом не будет нормально зажигаться.
Стеклянная втулка 7 предохраняет внешнюю часть катода от воздействия тлеющего разряда. В противном случае разряд будет стремиться загораться по кромке катода как по наиболее неплоской зоне проводника, имеющей максимальную напряженность электрического поля.
Обрабатываемый катод механическим образом закрепляется в токопроводящем держателе 8, охватывающем катод с наружной поверхности, при этом держатель электрически соединен с токоподводом 9 к катоду, причем токоподвод вакуумно-плотно вмонтирован в корпус технологического прибора. Наличие у держателя упругих направляющих 10, выполненных в виде лепестков, охватывающих катод по его наружной поверхности, исключает механические повреждения внутренней рабочей поверхности катода при его установке и извлечении из технологического прибора, а также центрирует катод относительно продольной оси прибора, чем исключает несоосность его установки. Установка и выемка катода осуществляется механически, например, пинцетом, зажимающим катод с его наружной (нерабочей) стороны.
Надежность электрического контакта катода с токопроводящим держателем достигается посредством соприкосновения упругих направляющих держателя, выполненных в виде лепестков, с токопроводящим корпусом катода.
Возможность неоднократного использования технологического прибора достигается его разгерметизацией и демонтажом ранее обработанного катода. После установки нового катода часть прибора с первоначально установленным составным анодом и другую часть прибора с установленным катодом вакуумно-плотно соединяют по стеклянной оболочке 4, например, заваркой при помощи газовой горелки.
Предлагаемую конструкцию можно использовать практически на любых откачных постах, а также автономно - для процессов тренировки и испытаний катодов.
Окисление полого холодного катода в газовом разряде с использованием предлагаемой конструкции проводят следующим образом.
2
После сборки технологического прибора и установки катода 6 и составного анода 1,2 в соответствии с приведенным чертежом, конструкцию напаивают на вакуумный пост, проверяют на вакуумную плотность, откачивают до высокого вакуума, наполняют неоном до давления в несколько мм рт.ст., присоединяют отрицательный вывод, например, от источника питания постоянного тока, к токоподводу 9 катода, положительный вывод - к выводу анода 2. Зажигают газовый разряд между рабочей частью анода 1 и внутренней поверхностью катода. Проводят ионное травление (очистку) катода. Затем снимают напряжение с токовых вводов, откачивают прибор до высокого вакуума, наполняют кислородом до давления в несколько мм рт.ст. Меняют полярность постоянного тока на выводах электродов: отрицательный вывод источника присоединяют к выводу анода 2, положительный вывод - к токоподводу 9 катода. Зажигают газовый разряд между рабочей частью анода 1 и внутренней поверхностью катода. Проводят анодное окисление катода в течение нескольких десятков минут при плотности тока 0,1-0,4 мА/см. Затем откачивают прибор до высокого вакуума, наполняют рабочей, например гелий-неоновой, лазерной смесью до давления в несколько мм рт.ст., присоединяют отрицательный вывод от источника питания постоянного тока к выводу катода 9, положительный вывод - к выводу 2 анода. Зажигают газовый разряд между рабочей частью анода 1 и внутренней поверхностью катода. Проводят тренировку и стабилизацию рабочих свойств холодного катода при рабочих токах в течение времени, достаточного для достижения стабильных электрических параметров катода. Далее технологический прибор с рабочим наполнением спаивают с откачного поста и передают на следующую технологическую операцию.
При необходимости установки нового катода для обработки стеклянную оболочку 4 вскрывают по окружности в области над втулкой 7, разъединяют оболочку прибора на две части, вынимают, например пинцетом, катод из держателя 8, вставляют новый катод 6 в держатель, заваривают оболочку по месту разъема, после чего технологический прибор готов для установки на откачной пост и дальнейшей обработки нового катода.
Техническим результатом применения технологического прибора является возможность проводить анодное окисление катода в среде электроотрицательного газа, избегая катодного распыления анода, при этом исключается загрязнение катодной поверхности продуктами распыления анода.
Имеется возможность многократного использования анода и оболочки прибора, а также возможность осуществлять межоперационный демонтаж анода для его замены или реставрации. Предлагаемую конструкцию для обработки катодов можно устанавливать практически на любых откачных постах. Появляется возможность автономно использовать технологический прибор для тренировки и испытаний катода после отпайки от вакуумного поста.
Использование предлагаемого технологического прибора повышает качество защитной окисной пленки холодного катода с одновременным повышением стабильности его электрических характеристик, при этом увеличивается ресурс работы катода и, соответственно, газового лазера.
Источники информации
1. Трофимов Е.А., Кулаков М.М., Арцыхович В.Ф., Каменцев В.Е., Кондратенко В.Д, Стрелов В.И., Файфер С.И. Устройство для окисления полых цилиндрических катодов в тлеющем разряде, а.с. №543039, заявка №2031638, 29.05.1974, опубликовано 15.01.1977.
2. Кучеренко Е.Т. / Получение окисных пленок алюминия переменной толщины в плазме газового разряда // Вакуумные технологии и оборудование. - Харьков, 2001.
3. Хворостов В.И., Горбунов А.К., Хворостова Н.Н, Силаева Н.А. Физико-технологические особенности применения эмитирующих структур в газоразрядных лазерных датчиках. // Наукоемкие технологии. 2012. №10. С.34-39 (прототип).
4. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. // М.: Атомиздат, 1968.