Содержание к диссертации
стр
ВВЩЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ... 15
I.I. Постановка задачи 15
Обоснование постановки задачи 16
Методы исследований 26
Методика исследования эмиссионных свойств и теплот испарения эффективных термокатодов ............ 26
Методика исследования устойчивости прессованных катодов к ионной бомбардировке
в условиях вакуума и газового разряда ... 31
Определение параметров плазмы с помощью метода зондов . 34
Масс-спектрометрический метод контроля изменения состава смеси и газовых прм&& сей в разрядных трубках гелий-неоновых
лазеров 37
1.3.5 Методы контроля активности плазменной
среды гелий-неоновых ОКГ 41
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ШЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОВЫХ ТИПОВ
ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕВЮКАТОДОВ 43
Исследование эмиссионных свойств и теплот испарения прессованных термокатодов .... 44
Влияние нейтрального и ионизованного водорода на электронную эмиссию прессованных катодов 51
Исследование устойчивости прессованных катодов к ионной бомбардировке в условиях вакуума 56
Исследование работы прессованных катодов в условиях газового разряда 65
Исследование работы прессованных скандатных катодов в макетах гелий-неоновых лазеров . 76
2.6 Обсуждение результатов 79
Выводы ...... 85
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЛЕКЩЕГО РАЗРЯ
ДА С ПОЛЫМИ ХОЛОДНЫМИ КАТОДАМИ 88
Исследование катодного падения потенциала тлещего разряда с полыми цилиндрическими катодами 89
Исследование то ко распределения в полых цилиндрических катодах пр изменении их геометрических размеров ........... 98
Исследование плазмы внутри полых цилиндрических катодов диаметром 20 мм пр изменении
их длины ИЗ
Исследование параметров плазмы в полых катодах различных диаметров 125
Выбор оптимальной формы полых катодов для гелий-неоновых лазеров 133
3.6 Обсуждение результатов ..... 150
Выводы ... ...... 155
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ НА ОСНОВЕ ТОН
КИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК 158
4.1 Выбор метода создания окисной пленки . . . 159
4.2 Исследование параметров линейного тлеющего
разряда с холодными катодами, покрытыми
диэлектрическими пленками 161
Методика определения нормального катодного падения и потенциала зажигания разряда. Экспериментальные лампы ....... 161
Параметры тлеющего разряда с катодами
на основе пленок ,Л^2^з , МдО и Be О . 165
4.2.3 Расчет обобщенного коэффициента вто
ричной ионно-электронной эмиссии (ОКВИЭЭ)
для диэлектрических пленок 180
Исследование тлещего разряда с полыми холодными катодами, покрытыми диэлектрическими пленками 182
Токораспределение в полых цилиндрических катодах с переменной толщиной окисной пленки 185
Сравнительные исследования монолитных алюминиевых катодов и новых типов холодных катодов в активных элементах гелий-неоновых
ОКГ 190
4.6 Обсуждение результатов . . . 194
Выводы 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 201
ЛИТЕРАТУРА 207
Введение к работе
Гелий-неоновые лазеры находят самое широкое применение в целом ряде отраслей науки и техники, например, связи, метрологии, голографии, в интерферометрии для прецезионных измерений длины и перемещений, в устройствах выдачи опорного напряжения, для физических исследований и целей обучения и т.д.
В гелий-неоновых оптических квантовых генераторах (ОКГ) активной средой является плазма газового разряда, для создания и поддержания которого используются накливаемые и холодные катоды. Физические процессы на катоде, в катодной области разряда, а также тип и свойства катодов определяют такие важные параметры лазеров как режим горения, мощность, к.п.д., надежность и долговечность.
Среди накаливаемых катодов наибольшее распространение получили оксидные катоды. Однако долговечность активных элементов Не-№>(Ш с оксидными катодами ограничена, в основном, низкой устойчивостью к ионной бомбардировке и потерей эмиссии последних, они имеют большой разброс параметров и малый срок службы ( ~500 часов). Как наиболее перспективные среди термоэлектронных катодов в сильноточных гелий-неоновых лазерах использовались некоторые типы металлопориотых катодов (МІЖ: прессованные, импрегнированные). Основным недостатком МШС по сравнению с оксидным катодом является более высокое значение рабочей температуры.
Холодные катоды (ХК) имеют ряд несомненных преимуществ перед накаливаемыми, поскольку отсутствие подогревателя позволяет упростить конструкцию прибора, повысить его надежность и экономичность. Однако они уступают накаливаемым катодам в отбираемой плотности тока с поверхности. Замена накаливаемых ка-
тодов холодными связана с переходом от газотронного разряда к тлеющему, который характеризуется большим катодным падением потенциала и мало! плотностью тока на катоде ( для режима, используемого в гелий-неоновых лазерах, необходимо обеспечить плотности тока, превышающие нормальную плотность тока на катоде ), что накладывает ряд требований на выбор материала, форму и геометрию холодного катода. Особый интерес представляет использование тлеющего разряда с полыми цилиндрическими катодами. Следует отметить, что срок службы полых холодных катодов из алюминиевых сплавов, тантала, магния, бериллия, на поверхности которых создана защитная окисная пленка, значительно больше накаливаемых. Средняя долговечность отпаянных гелий-неоновых лазеров с ХК в настоящее время по литературным данным составляет ~ 10 тыс. часов при токе 0,05-0,1 мА/сшг [ 2, 4-6 ].
Несмотря на достигнутые успехи, главный недостаток ХК -большие габариты. Уменьшение же размеров полых холодных катодов приводит к возрастанию величины токовой нагрузки и ее неравномерности, что вызывает распыление материала и заметное снижение долговечности катода и всего прибора. Поэтому актуальным является повышение надежности и долговечности малогабаритных гелий-неоновых квантовых генераторов, где плотности тока на катоде составляют больше 0,5 мА/см^. Успех в этом направлении связан, прежде всего, с комплексным решением целого ряда физических задач, относящихся к исследованию плазмы в катодной области разряда и свойств новых катодных материалов.
В настоящее время имеются сведения о выборе оптимальной геометрии полых цилиндрических катодов [45,48,52,53 1, материа-
лаі2,3,5,68-70] и методов создания защитной окисной пленки на поверхности монолитных холодных катодов Q4,5,6,72,76-79^ , на объем физических данных, на основе которых можно было бы целенаправленно разрабатывать конструкцию малогабаритных, надежных и долговечных катодов для квантовых генераторов недостаточен.
Целью данной работы является экспериментальное исследование катодной области разряда гелий-неоновых лазеров с различными типами катодов, включающее:
исследование устойчивости новых типов эффективных термокатодов (прессованных) к ионной бомбардировке;
исследование электрических характеристик тлеющего разряда с полыми цилиндрическими и другими типами холодных катодов, структуры плазмы в них и закономерностей распределения тока по их внутренней поверхности при изменении геометрических размеров катодов;
исследование холодных катодов на основе диэлектрических пленок для гелий-неоновых ОКГ;
разработка малогабартных холодных катодов и выдача рекомендаций для повышения их надежности и долговечности.
Краткое содержание работы.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе сформулирована постановка задачи, ее обоснование и описаны основные методы исследований. В обосновании дан краткий анализ литературных данных, касающихся характерс-тик и механизма работы различных типов катодов, используемых в гелий-неоновых лазерах. Рассмотрены недостатки оксидных катодов, кратко описаны новые типы распределительных катодов (прессованные, импрегнированные), состояние проблемы холодных
катодов. Отмечаются неиследованные вопросы.
Оригинальной частью работы являются следующие три главы.
Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования физических свойств пяти типов прессованных катодов на основе новых соле образующих окислов бария. В качестве ак -тивного вещества использовались карбонаты, алюминаты, иттраты, танталати и скандаты бария.
Измерены эмиссионные константы прессованных катодов (П.К.) (эмиссионная способность, работа выхода, теплота испарения) и проведены исследования их устойчивости к ионной бомбардировке в условиях вакуума и непосредственно в газовом разряде в атмосфере гелия, неона, гелий-неоновой и криптон-ксеноновой смесей.
Для сравнительной оценки влияния ионной бомбардировки на различные типы катодов использован параметр <г6 , характеризующий скорость распыления активных центров на поверхности П.К., когда реактивация еще практически отсутствует и зависимость этого
параметра от величины ионного тока, бомбардирующего катод.
Показано,что под влиянием ионной бомбардировки изменяются
как работа выхода, так и константа Ричардсона А прессованных катодов. Исследовано также влияние энергии ионов и температуры катода на временные изменения эмиссии П.К. Проведена оценка параметров ионного тока, бомбардирующего катод в условиях разряда.
Изучены режимы и условия, приводящие к повышению эмиссионной способности катодов. Исследовано активирующее действие нейтрального водорода и ионов водорода и гелия на малоактивные катоды. Экспериментально обнаружено, что в разряде в гелии имеет место эффект дополнительного активирования прес -
сованных катодов, благодаря этому малоактивные катоды могут быть наактивированы до уровня эмиссии ^ 10 А/см . Обсуждаются возможные механизмы активирования катодов в гелии.
Изложены результаты комплексного исследования активных элементов с прессованными скандатными катодами.
Третья глава диссертации посвящена исследованию тлеющего разряда с полыми холодными катодами. В ней приводятся результаты экспериментального исследования влияния геометрических размеров, материала катода и рода газа на величину катодного падения потенциала и распределение тока по внутренней поверхности полых цилиндрических катодов.
Основное внимание в третьей главе уделяется установлению закономерностей в характере токораспределения ПЦК различных диаметров при изменении их длины, определению оптимальных условий для повышения равномерности токовой нагрузки и объяснению этих закономерностей, что можно было выявить в корреляции с исследованиями плазмы в катодной полости.
В результате исследований плазмы в ПЦК с помощью подвижного одиночного зонда, а также методом двойного зонда, установлено наличие зональной неоднородной структуры плазмы в полом катоде и зависимость ее от длины катода.
На основании анализа экспериментальных результатов установлено наличие корреляции между закономерностями токораспределения по внутренней поверхности полых цилиндрических катодов и пространственным распределением параметров плазмы в катодной полости. Обоснован выбор оптимальных размеров ПЦК для гелий-неоновых лазеров^
Рассмотрены результаты исследования тлеющего разряда с предложенными полыми катодами других форм (резонаторный, коак-
спальный, конический ) и их преимущества по сравнению с цилиндрическим полым катодом.
Четвертая глава диссертации посвящена исследованию пленочных холодных катодов, в качестве активной поверхности которых используются тонкие диэлектрические слои окислов JIBgO^i MqOj ЗеО , нанесенных различными методами ( электроннолучевым испарением, методом катодного распыления в высокочастотном разряде и ионно-плазменным методом ) на молибденовые или ситалловые металлизированные подложки.
Изучены зависимости нормального катодного падения потенциала зажигания тлеющего разряда для различных пар материал катода-газ от толщины окисной пленки и установлен немонотонный характер этих зависимостей; проведена оценка обобщенного коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии для различных окисных покрытий и величины падения напряжения в окисном слое от его толщины; исследовано изменение напряжения горения тлеющего разряда с полыми пленочными цилиндрическими катодами в области рабочих давлений гелий-неоновых лазеров; экспериментально обоснованы выбор оптимальной толщины окисного покрытия и целесообразность применения ПЦК с переменной толщиной окисной пленки, в которых можно получить равномерную токовую нагрузку с меньшей величиной плотности тока.
На основании качественных исследований полых катодов с пленками Л^2^3 , нанесенных различными методами, показано, что наибольшую устойчивость к распылению в условиях тлеющего разряда имеют пленки, осажденные ионно-плазменным методом. Обсуждаются полученные экспериментальные результаты.
Приведены результаты комплексного исследования алюминие-
- II -
вых монолитных и пленочных катодов в макетах гелий-неоновых ОКГ, в которых одновременно контролировались параметры разряда, активность плазменной среды и с помощью масс-спектрометри-чеокого анализа состав газа.
В заключении кратко суммируются основные полученные ре -зультаты.
Научная новизна работы:
В диссертационной работе впервые:
Установлена зависимость продольной неоднородной структуры плазмы в полых цилиндрических катодах от их длины и диаметра, а также связь неравномерного характера токораспределения по внутренней поверхности полого катода со структурой плазмы в катодной полости.
Получен критерий выбора оптимальных размеров полых ци -линдрических катодов для гелий-неоновых лазеров.
3# При исследовании электрических характеристик линейного тлеющего разряда с пленочными холодными катодами ( диэлектри -чеокие слои ЛР- Оа , МоО на поверхности тугоплавких метал -лов ) установлена немонотонная зависимость нормального катодного падения потенциала от толщины окионрй пленки.
Обнаружен эффект увеличения эмиссионной способности прессованных скандатных катодов при тренировке в разряде в среде гелия.
Показано,что прессованные скандатные катоды обладают повышенной устойчивостью к ионной бомбардировке в среде инертных газов и имеют более высокую теплоту испарения активных веществ по сравнению с оксидным и другими типами эффективных термокатодов ( алюминатными, Л-катодами, оксидно- никелевыми).
Практическая ценность работы:
1. Исследования новых типов прессованных катодов позволили
создать катод на основе скандата бария, обладающий по сравнению
с оксидным и другими типами эффективных термокатодов повышенной
устойчивостью к ионной бомбардировке и химическому отравлению.
Обнаружены и исследованы режимы и условия,приводящие к стабили
зации и улучшению эмиссионных характеристик катодов. Малоактив
ные катоды могут быть наактивированы до уровня эмиссии 2-3 А/см
под воздействием нейтрального и ионизованного водорода и до
I ^ 10 А/сыг под действием ионной бомбардировки в разряде в гелии. Разработаны рекомендации по увеличению и стабилизации теплоты испарения и эмиссии прессованных скандатных катодов, позволяющие снизить рабочую температуру этих катодов в гелий-неоновых лазерах.
На основании исследования тлеющего разряда с холодными катодами предложены и защищены 4 авторскими свидетельствами три варианта полых холодных катодов ( резонаторний, конический, пленочный катод с переменной толщиной окисной пленки ), а также конструкция активного элемента с коаксиальным полым катодом, позволяющие уменьшить распыление материала катода и тем самым повысить надежность и долговечность гелий-неоновых лазеров.
Результаты исследования тлеющего разряда с различными типами полых холодных:, катодов и устойчивости прессованных термокатодов к ионной бомбардировке могут быть использованы на предприятиях электронной промышленности при разработке новых конструкций активных элементов гелий-неоновых ОКГ, а также разработчиками прессованных катодов.
- ІЗ -
Основные положения и результаты,выносимые на защиту :
I .Характер токораспределения по внутренней поверхности полых цилиндрических катодов определяется неоднородной зональной структурой плазмы, зависящей от геометрических размеров катода ( отношения длины к диаметру ); повышение равномерности токовой нагрузки в катоде достигается в случае более однородного распределения параметров плазмы ( концентрации, продольного хода потенциала ), которое реализуется при наличии в катодной полости двух областей плазмы - переходной и отрицательного тлеющего свечения.
2. В процессы эмиссии электронов из полого холодного катода в гелий-неоновых лазерах существенный вклад вносит потенциаль ное выбивание,
3* Нормальное катодное падение потенциала тлеющего разряда холодным катодом на основе окисных пленок ^^0^, МдО зависит от толщины диэлектрической пленки немонотонным образом.
Тренировка прессованных термокатодов в разряде в гелии является эффективным методом достижения стабильных эмиссионных свойств металлопористых катодов, позволяющих повысить их эмиссионную способность и устойчивость к ионной бомбардировке.
Предложены новые типы полых холодных катодов ( резона -горный, конический и пленочный катод с клинообразной окисной пленкой ) и конструкция активного элемента с коаксиальным полым хатодом для гелий-неоновых лазеров.
Апробация.
Основные результаты, полученные в диссертации были представ' гены на Международной конференции по газовому разряду ( Лондон, 1970 г.), 5-ой Чехословацкой конференции по электронике и ва -
куумной физике ( Брно, 1972 г.); докладывались и обсуждались на 3-ей Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме ( Москва, 1971 г.); на 2-ой Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии ( Ленинград, 1974 г.); на Х,ЛУ,Ш1 и ХЗПП-ой Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике ( Ташкент, 1962 г., 1970 г., Ленинград, 1979 г., Москва, 1981 г.); на XXI Украинской республиканской научно-технической конференции, посвященной 50-летию образования СССР ( Киев, 1972 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ. Три конструкции полых холодных катодов ( резонаторний, конический и пленочный ) и конструкция активного элемента гелий-неонового лазера с коаксиальным полым катодом, разработанные при выполнении диссертационной работы , защищены авторскими сви -детельствами.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 142 страницах основного машинописного текста ; содержит 93 рисунка на 62 страницах, 10 таблиц , список использованной литературы из 184 наименований.
