Введение к работе
Актуальность проблеми. За время, прошедшее с момента создания первого гелий-неонового лазера, было проведено множество фундаментальных физических исслсдоваішй, приведших к созданию различных классов приборов, решающих задачи обороноспособности и народного 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 безьшерщюдькых наьипщионкых кошшсксов) и медицине (лазерные терапевтические установки).
Исходя из характера областей применения, наиболее
важными характеристиками лазеров валяются их
долговечность, стабильность и высокая їїадехзі'ссть. Б то jue
время основным элементом, обеспечивающим
перечисленные параметры, служит холодный источник электронов (холодный катод - ХК). Особо жесткие требования предъявляются к ХК квантозых гироскопов: при минимальных 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 назнгашїошіой и медицинской техники на базе Ke-Ne лазеров. Ей посушено большое количество публикаций н патентен ь России и за рубежом. Однако большинство из них - зю эмпирически обнаруженные способы улучшения работы традиционных конструкций, а '.серьезные научные исследования посвящены решению частных задач и не носят систематизированного характера, охватывающего весь цикл от исследования до организации производства ХК, отвечающих требованиям сегодняшнего дни и дальней перспективы.
Многолетние иесяедоіашїя, проведенные в НИИ материалов -электронной техники' позволили построить четкую картину физических процессов в системе эмиссионная поверхность - плазма тлеющего разряда, выделить основные параметры катода, обеспечивающие его долгсзечносп> и стабильность, создать методы исследований и инженерных расчетов, необходимых для разработки
холодных источников электронов, отвечающих современным требованиям.
Постановка задачи. Исходя из анализа отечественных и зарубежных публикаций, обобщения работ автора и требований разработчиков и пзготошггелей гелий-неоновых лазеров, установлено, что холодные источники электронов, отвечающие совремеиньш требованиям, должны иметь следующие параметры.
- минимальная наработка в кольцевых датчиках
навигационных систем - 50 тысяч часов;
минимальная наработка в медицинских лазерах - 15 тысяч часов;
рабочий ток катода для моноблочных, датчиков - 1,5 ... 5 мА при дашіенші газовой смеси 400...600 Па;
- рабочий ток катода для медицинских лазеров -
20...30 мА при давлении газовой смеси 133...200 Па.
При этом катоды діл моноблочных датчиков должны быть малогабаритными, вакуумнеплотными и обеспечивать герметичность соединения с корпусом датчика.
Технология изготовлений 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 прогресса, увязывающей з единый механизм явления ионно-злектронной 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 виражений, описывающих взаимосвязь параметров перечисленных процессов.
Поскольку выпускаемые в настоящее время холодные катоды для гироскопических датчиков 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 конструїсций источников электронов.
Основные научные пели 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 метатл-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-диэлекгрик-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-диэлектрик-плазма, учитывающий
температурные условия работы ;
- впервые разработаны экспериментальные' методы
контроля эмиссионных параметров холодных катодов в
процессе сперацки формирования эштсснонной
л поверхности;
- разработаны способы изготовления холодных катодов для
квантовых гироскопов и мешплагекнх лазеров,
исключающие применение токсичных материалов типа
бериллия и зкологачесіш грязного технологического типа
производства.
Практическая ценность рпбзты. Научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, использованы для состаатеншг более детальной картины взаимодействия составляющих системы металл-диэлектрик-плазма как при разработке He-Nc лазеров 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 тысяч часов. При этом разработаны:
долговечные выносные холодные катоды колпачкового типа для моноблочных квантовых гироскопов;
- долговечные холодные катоды, сформированные на
корпусе моноблока и медицинского лазера;
- способы пооперационного контроля параметров
технологического процесса формирования эмиссионной
поверхности;
- ряд холодных катодов для атомарных газовых лазеров,
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 н производстве холодных катодов .
Осиозные положеній и результаты, выносимые на зашиту.
1. -Разработка физически?; основ создания холодных
источников электронов ддя газ~шых лазеров.
2. Физическая модель системы холодный источник
эдешронов - газоразрядная плазма, устанавливающая
функциональную взаимозависимость ее ссноьных
параметров.
3. Результаты исследовании зависимости распределении
плотности разрядного тока но поверхности холодного
катода от его геометрической формы и способ излїсренил
плотности тока.
4. Результаты исследования зависимости ресурса холодны;!
катодов от параметров мат-'рнсла эмиссионного слоя,
геометрической формы, испытательных условий и способ
прогнозирования ресурса .
5. Результаты нселедоланкй защитных и эмиссионных
свойств рабочей поверхности катодов и физические
процессы их оптимизации.
6 Созданные на базе полученных б диссертационной работе рег'удьтатоь катоды хяя ;i?:tp^n коаксиальной конструкции с ресурсом 15 тысяч- 4zmh и холодные катоды для кольцевых датчиков лазерных тпроекхшоа с ресурсом 80 тысяч часов.
Апробации работы и ;^ЛШЗДШЪ Основные
результаты настоящей работы докладывались п
обсуйшалнсь на 15 Всесоюзных и мкздународны:-; симпозиумах, конференциях ?: семинарах, ь том числе: II отраслевой научно-технической конференции по катодам для гелий-неоновых лгзеров (Рязань, 1986 г,), V и VI Всесоюзных семинар;»,?-: -"Вторкчло-ионная и ионно-
эмиссия"'(Харьков, 1983, 1991 гг.), Всесоюзных семинарах-сивещаниях "Диягкостика поверхности ионными пучками"" (Донецк, 1938 г., Одесса, 1990 г.). XII конференции' "Взаимодействие иснсз с поверхностью" (Зпепшород, 1995 г.), IV , У и V? мсяакщиональньгх совещаниях 'Радиационная физики твердого тела" (Севастополь, 1994, 1995, 1996гг.), II «ау»но-методігческой конференции "Использование каучно-театческнх достижений в демонстрационно.!! эксперименте и постановке лабораторных практикумов" (Саранск, 1994 .г.), III Российско-Китайской симпозиум "Advanced Materials and Processes" (Калуга, 1995 г.), Шучво-техшгческой конференции "Вакуумная наука и тегшика" (Гурзуф, 1994-1995г.), Всероссийской научна-технической конференции "Автоматизация исследовании, проектирования и испытания елочных технических систем" (Калуга, 1994 г.), Jekcnd International Conference MPSL-9o( Sumy, 1996г.).
По материалах!, бошсякптм в данную диссертацию, опубликовано 55 рпбот, з том числе 14 авторских :,Г5Пдстельстз н патентов.
Структура шжп>лШШЬ Диссертационная работа состоит из введення, патл глав, выводов и списка литературы. Ее обшиїі объем составляет 219 страниц, включая 65 рисунков-, 3 таблиц и список литературы из 214
наименований.'
