Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы, происходящие при взаимодействии плазмы тлеющего разряда с поверхностью холодных катодов 8
1.1. Особенности гелий-неоновых лазеров 8
1.2. О процессах в тлеющем разряде и на поверхности катодов 16
1.3. Материалы и конструкции современных холодных катодов 26
1.4. Методы прогнозирования долговечности холодных катодов в тлеющем разряде * 41
Выводы к главе 1 48
Глава 2. Изучение физико-химических свойств материалов для холодных катодов 49
2.1. Эмиссионные свойства холодных катодов 49
2.2. Пороговая энергия распыления 52
2.3. Термодинамические свойства материалов для холодных катодов 57
Выводы к главе 2 72
Глава 3. Экспериментальное исследование влияния формы холодного катода на его работоспособность 73
3.1. Особенности конфигурации экспериментальных образцов 73
3.2. Техника эксперимента при получении материалов металл-диэлектрик на поверхностях различного профиля 83
3.3. Исследование работоспособности холодных катодов с различной геометрией поверхности 85
Выводы к главе 3 91
Глава 4. Разработка способа оценки качества холодных катодов 93
4.1. Послеразрядная эмиссия материалов с оксидными пленками 93
4.2. О модели послеразрядной эмиссии холодных катодов 102
4.3. Особенности способа оценки качества холодных катодов 106
Выводы к главе 4 120
Заключение 121
Общие выводы по работе 124
Список литературы 126
Приложение 139
- О процессах в тлеющем разряде и на поверхности катодов
- Термодинамические свойства материалов для холодных катодов
- Техника эксперимента при получении материалов металл-диэлектрик на поверхностях различного профиля
- О модели послеразрядной эмиссии холодных катодов
Введение к работе
В настоящее время в связи с бурным развитием техники всё больший интерес вызывают многокомпонентные материалы и слоистые структуры, так называемые сандвич-материалы. Применение таких материалов в промышленности потребовало решения проблемы их устойчивости к воздействию различного вида излучений, что является одной из задач физики конденсированного состояния.
На основе многокомпозиционных материалов в последнее десятилетие разрабатывают холодные катоды газоразрядных приборов, широко используемых в современной науке, технике и медицине. Важнейшими из газоразрядных приборов с холодным катодом являются гелий-неоновые (Не-Ne) лазеры, не превзойденные до сих пор по монохромности пучка излучения.
Такие их особенности, как холодный катод, малая потребляемая мощность, высокая долговечность (средняя наработка на ресурс), высокая когерентность излучения, позволяют этим приборам успешно конкурировать с доведенными в настоящее время до высокого совершенства полупроводниковыми лазерами, а по ряду свойств и превосходить их.
Наблюдаемые в He-Ne лазере тлеющего разряда с холодным катодом процессы катодного распыления и жестчения газа определяют его срок службы (долговечность). Поскольку требования по долговечности таких лазеров непрерывно возрастают, то поиску материалов для холодных катодов и совершенствованию технологии их изготовления посвящено достаточно много работ как отечественных, так и зарубежных исследователей. Однако данные этих исследований до настоящего времени не были обобщены и проанализированы во взаимосвязи, в том числе с основными свойствами используемых материалов.
Все возрастающие требования по миниатюризации и долговечности отечественных гелий-неоновых лазеров как обычной (ГН-1, ГН-3, ГН-5м, ГН-7м), так и моноблочной (ЗЛК-16, ЛГК-200) конструкций предопределяют не
5 только разработку и применение материалов для холодных катодов, но и постановку фундаментальных исследований. Они должны быть посвящены изучению физических процессов, происходящих при бомбардировке катодных материалов в гелий-неоновом разряде, во взаимосвязи с их физико-химическими свойствами. Только с применением результатов таких исследований будет возможна разработка новых или оптимизация уже известных материалов, конструкций холодных катодов и способов их изготовления. Этим определяется актуальность и своевременность представленной проблемы, поскольку без их решения не видны пути создания малогабаритных (миниатюрных) He-Ne лазеров, остро востребованных в настоящее время, например, в навигационной технике (лазерная гироскопия).
Целью настоящей работы является научное обоснование выбора материалов системы металл-диэлектрик для холодных катодов малогабаритных He-Ne лазеров на основе физических и физико-химических свойств веществ, выявление влияния формы холодного катода на его работоспособность в аномальном тлеющем разряде и изыскание способов контроля параметров материала холодного катода с целью прогнозирования его долговечности.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
Исследовать взаимосвязь между физико-химическими свойствами материалов и устойчивостью их к распылению в условиях тлеющего разряда с параметрами, наблюдаемыми в малогабаритных He-Ne лазерах. Для этого необходимо было определиться с объектом и методом исследования материалов в виде образцов холодных катодов в отпаянных приборах, моделирующих условия малогабаритных лазеров.
Изучить, каким образом влияет на работоспособность, в том числе и срок службы (долговечность), холодного катода в аномальном тлеющем разряде форма рабочей, бомбардируемой поверхности. Для этого необходимо было выполнить аналитические исследования и обобщить известные данные по этому вопросу, выполнить
экспериментальные работы и разработать соответствующие методики исследований, получить экспериментальные образцы катодов и спроектировать соответствующие методы отпаянных или разборных приборов с объектами исследований, имеющих различную конфигурацию катодной полости.
Исследовать пути снижения средней плотности тока на исследуемых материалах холодных катодов типа металл-диэлектрик.
Разработать новый способ контроля качества холодного катода, учитывающий определенные физические свойства как поверхности, так и материала, из которого он изготавливается.
Учитывая современные возможности вычислительной техники и программирования, увязать физические и физико-химические свойства исходных материалов, данные о влиянии формы холодного катода на его работоспособность в аномальном тлеющем разряде, проработать упрощение методики выбора холодных катодов из материалов системы металл-диэлектрик.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Теплота сублимации металлов и теплота образования высокомолекулярных соединений во взаимосвязи с пороговой энергией распыления и коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии наиболее полно характеризуют устойчивость холодных катодов системы металл-диэлектрик к воздействию аномального тлеющего разряда с параметрами, характерными для малогабаритных гелий-неоновых лазеров;
Экспериментально установлено, что форма холодного катода, при прочих равных условиях, не играет определяющей роли в обеспечении его долговечности, поскольку в условиях аномального тлеющего разряда не обнаружено равномерного распределения плотности тока даже на поверхности сферической полости, а снижение плотности тока существенно улучшает его работоспособность;
Установлена взаимосвязь параметров тока послеразрядной эмиссии /яз и среднеквадратичного отклонения 1ПЭ от среднего тока послеразрядной эмиссии а^э, характеризующего однородность эмиссионных свойств материала металл-оксид с долговечностью (прогнозируемой) холодного катода в гелий-неоновом разряде и предложен на этой основе способ контроля качества материала холодного катода. Практическая ценность работы состоит в следующем:
Предложен способ выбора материалов холодных катодов, учитывающий основные физико-химические свойства исходных материалов и рекомендовано применение многослойных металлических материалов Al-Fe-Al, Zr-Ni-Zr и многослойных композиций А1-диэлектрик-А1, Zr-flronercrpHK-Zr в качестве рабочих поверхностей полых холодных катодов, образованных плоскими пластинами;
Предложен метод определения среднего ресурса (долговечности) материала холодного катода в приборе по величине изменения общего давления лазерной смеси АРне-Ne с определением точного времени завершения работы холодного катода по резкому увеличению величины напряжения горения Ueop;
Предложен путь существенного увеличения долговечности малогабаритных He-Ne лазеров снижением средней плотности тока нагрева, как минимум, в два раза благодаря применению двуполостного холодного катода.
Апробация работы осуществлена путём доклада основных положений и выводов на 11 международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
О процессах в тлеющем разряде и на поверхности катодов
Экспериментальным исследованиям по оптимизации материалов и конструкций холодных катодов для малогабаритных газоразрядных лазеров, по нашему мнению должно предшествовать аналитическое обобщение результатов, известных в этой области. Поскольку катод будет миниатюрным, а общий ток, снимаемый с него остаётся практически неизменным, то плотность тока на катоде резко возрастает, и мы будем иметь дело с аномальным тлеющим разрядом. Уточним, о чём идёт речь. Соберём схему на основе отпаянной газоразрядной лампы с давлением газа 150 Па, показанную на рис. 1.5. В ней, кроме вольтметра, амперметра, балластного сопротивления R, имеется регулируемый источник питания G. Начиная от нуля, будем постепенно повышать напряжение, приложенное к клеммам газоразрядной трубки, снабженной двумя электродами и построим кривую I = f(u). Проанализируем эту кривую (см. рис. 1.6). Сначала мы обнаружим участок ОА, на котором очень слабый ток растет с приложенным напряжением. Этот ток возникает вследствие электропроводности газа, обусловленной наличием в газе ионов и электронов, образующихся под действием естественных факторов ионизации (радиоактивности окружающей среды, космических лучей, ультрафиолетовых лучей). При небольших значениях напряжения сила тока пропорциональна напряжению. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами линейная зависимость силы тока и напряжения нарушается - сила тока растет медленнее, чем напряжение.
Па концентрация ионов убывает, что приводит к нарушению закона Ома. Когда улавливаются все ионы и электроны, ток достигает насыщения (участок АВ). На участке ОАВ электрический разряд остается невидимым и называется несамостоятельным, он исчезает с прекращением действия естественных ионизирующих факторов.
С дальнейшим повышением напряжения ток снова начинает увеличиваться. Это происходит вследствие того, что ионы и электроны, получая ускорение, вызывают ударную ионизацию молекул газа. Такое «усиление» используется в газовых фотоэлементах и в счетчиках Гейгера-Мюллера. Однако естественные факторы ионизации остаются для возникновения разряда еще необходимыми. Поэтому разряду, соответствующему участку ВС, дано название полусамостоятельного или управляемого. При этом разряде становится заметным слабое свечение газа. С момента, когда напряжение достигает значения, соответствующего точке С, ток скачкообразно возрастает на несколько порядков величины /. В связи с этим напряжение U0 названо пробойным напряжением. Пробой происходит вследствие того, что энергия и число образующихся ионов становятся достаточными для поддержания газового разряда, на этот раз уже без внешних ионизирующих факторов. Свечение газа становится значительным. Ток не может стабилизироваться в области CDE, соответствующий нулевому или отрицательному значению внутреннего сопротивления. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока начинает резко возрастать. Это явление обусловлено возникновением ударной ионизации газа и резким возрастанием числа свободных носителей заряда. Опыты показывают, что в большинстве случаев для выбивания электрона из катода положительный ион должен совершать меньшую работу, чем для ударной ионизации молекул газа. Поэтому основной причиной появления вторичных электронов под действием положительных ионов является процесс выбивания электронов из катода. Возникает ионно-электронная эмиссия. Ток стабилизируется в точке Е в тот момент, когда ввиду наличия сопротивления R напряжение на клеммах трубки понизится до соответствующего значения. На участке между Е и F внутреннее сопротивление трубки снова положительно, следовательно, разряд на этом участке является устойчивым: мы имеем дело с нормальным тлеющим разрядом, на котором работают газосветные трубки. Хотя внутреннее сопротивление положительно, но оно очень невелико, поэтому ток растет быстро при малом повышении напряжения, это явление используется в неоновых стабилизаторах. В точке Е светится только небольшая часть катода, в точке F светится весь катод.
С дальнейшим повышением напряжения от точки F до точки G мы проходим область аномального разряда, а также отрыв атомов металла, из которого состоит катод, это явление носит название катодного распыления.
Во всей области CDEFG разряд поддерживается сам собой, откуда и его название «самостоятельный разряд». С приходом в точку G начинается термоэлектронная эмиссия катода. Ввиду этого ток растет очень сильно и может достигнуть нескольких десятков ампер на квадратный сантиметр. Сопротивление трубки, будучи очень малым, снова становится отрицательным. Это явление было в свое время использовано в дуговых генераторах. Область разряда после точки G носит название дугового режима.
По всей видимости, холодные катоды малогабаритных He-Ne лазеров будут работать в условиях аномального тлеющего разряда (FG, рис. 1.6) и поэтому им постоянно будет сопутствовать катодное распыление. Примем к сведению энергии метастабильных атомов (С/ ) и ионов (Щ для гелия и неона: /.№=19,8 эВ; и(Ие=24,5 эВ и U.Ne=\6,6 эВ; 6 =21,5 эВ. Согласно [10] энергия метастабилей Не больше, чем энергия метастабилей Ne, но меньше, чем потенциал ионизации неона. При столкновении метастабилей Не с атомами Ne, ионизация с энергетической точки зрения невозможна, а возбуждение происходит. Между метастабильными и ионизационными уровнями Ne расположено очень много возбужденных состояний, некоторые из которых тесно примыкают к энергетическому уровню Не. Наиболее вероятным результатом соударения при полном обмене энергиями является Не + Ne= Не+ Ne".
Другими словами, создается возбуждённый атом неона, гелий возвращается на основной уровень. Так как энергия возбужденного атома неона лишь несколько меньше энергии метастабиля гелия, но указанный обмен энергиями является высоко вероятным. Возбужденные атомы неона, которые не являются метастабилями, мгновенно излучают свою энергию в виде светового излучения.
В отпаянных He-Ne лазерах парциальные давления гелия и неона лежат в широком диапазоне Р#е ; Р е = 5:1 ... 15:1. Уточним, что в моноблочных кольцевых He-Ne лазерах отечественной разработки Рне-Ne обычно лежит в диапазоне 300 Па ... 400 Па при плотностях разрядного тока на холодном катоде 0,2 мА/см ... 0,4 мА/см , а это условие аномального тлеющего разряда [6]. Напомним, что суммарная эмиссия электронов с холодного катода в тлеющем разряде складывается из отдельных актов эмиссии, обусловленных попаданием на него ионов, возбужденных атомов, а также фотонов, образующихся в разрядном промежутке (7- эмиссия в общем виде) [11].
Термодинамические свойства материалов для холодных катодов
Для катодных материалов на основе металлов важными термодинамическими параметрами являются теплота сублимации и энтропия, обозначим их как Д#ои S9S. Следовательно выбор материала для металлического катода (без диэлектрика) или подложки можно предварительно делать без учета сложных теоретических расчетов и экспериментальных данных по распылению и эмиссии. Термодинамические свойства металлов приведены в табл. 2. Качественная картина основных физических процессов, протекающих в оксидной пленке на холодном катоде типа Ме-диэлектрик, как показано выше, в принципе известна. Количественное же их описание разработано недостаточно. В диэлектриках время жизни возбужденного электронного состояния может быть достаточно большим для того, чтобы энергия возбуждения перешла в кинетическую энергию атомов. Поэтому распыление диэлектриков может происходить также в результате возбуждения атомов твердого тела быстрым ионом.
Аналогично выбору материалов металлических катодов и подложек по величине теплоты сублимации, воспользовавшись термодинамическими свойствами сложных соединений, характеризующихся энергией Гиббса AG 298, теплотой образования АЯ298, энтропией Д5298, приступим к анализу свойств оксидов, карбидов, нитридов. Первоначально для материалов диэлектрической плёнки холодных катодов рассмотрим нижеследующие материалы (представленные в табл. 2-5) [106-112]. Высокими значениями параметров теплот образования обладают оксиды и нитриды тантала, алюминия, бериллия, магния, циркония.
Кроме того, согласно эмпирическому правилу Пиллинга и Бедуорта пленки оксидов этих металлов полностью покрывают их поверхность, поскольку находятся в напряженном состоянии (отношение молярных объемов оксидов и металлов больше единицы). Это очень важный параметр таких систем, поскольку он позволяет получить сплошные оксидные пленки на металлических подложках. Поэтому целесообразно рассматривать сандвич-структуру металл-оксид, а поскольку оксид - это обычно диэлектрик, то изучать систему металл-диэлектрик.
Представим холодный катод, применяемый в гелий-неоновых лазерах, как «металл-диэлектрик-плазма» аналогично известному катоду металл-диэлектрик-металл. Физика работы катода металл-диэлектрик-металл такова. При подаче анодного напряжения имеющиеся в промежутке анод-катод ионы направляются к катоду и попадают на его поверхность, оседая на ней. По законам зеркального отображения, с другой стороны пленки накапливаются электроны, суммарный заряд которых равен суммарному заряду ионов, осевших на диэлектрическую пленку.
Таким образом, диэлектрическая пленка холодного катода становится подобной плоскому конденсатору. Поле плоского конденсатора имеет высокую напряженность (порядка 10 ...10 В/см), что обеспечивает протекание через пленку тока автоэмиссии, обусловленного туннельным эффектом. Для объяснения физических процессов работы холодных катодов необходимо и привлечь механизм автоэлектронной эмиссии.
Для проверки предположения об автоэлектронном характере эмиссии катодов были проведены расчеты количества эмиттированных электронов и напряженностей поля, возникающих при попадании положительного иона на пленку холодного катода. Величину напряженности поля конденсатора можно определить, зная количество ионов, находящихся на пленке в исследуемый момент времени. А для этого необходимо провести расчет расстояний, на которых находятся ионы, подлетевшие к диэлектрической пленке.
Однако, существующая теория тлеющего разряда, как отмечено выше, не дает соотношений для точного определения расстояний. Расчеты сведены в табл. 7. Из табл. 6 видно, что напряженности поля достаточны для возникновения значительной автоэлектронной эмиссии и пробоя промежутка анод-катод. Так, ион, попавший на пленку катода, создает напряженность поля в пределах: для MgO- 10,6...1023 В/см; А1203- 1015...1023 В/см; ВеО- 10,3...1021 В/см.
Техника эксперимента при получении материалов металл-диэлектрик на поверхностях различного профиля
Работоспособность предложенных материалов и конфигураций холодных катодов изучалась в газоразрядных приборах с He-Ne смесью, приведенных на рис. 3.4 и рис. 3.5, по общепризнанной методике [4, 26, 45, 125], когда изменение общего давления в отпаянном приборе четко характеризует физические процессы, происходящие на рабочей поверхности холодных катодов, поскольку из-за распыления и поглощения Не и Ne оно уменьшается. Экспериментально установлено [4, 26], что изменения общего давления на 15 ... 20% адекватно снижению мощности лазера на 20% от первоначальной, что и принято считать выходом лазера из строя. Д-давление о-напряжение горения полусферы (колпачковая конструкция) изготовленного из сплава алюминия, на внутреннюю поверхность которого напылён слой алюминия высокой чистоты (А5Н). Средняя плотность разрядного тока составляла 0,8 мА/см . Исходное давление в экспериментальном приборе составляло 400 Па. Долговечность такого катода в газоразрядном приборе с объёмом He-Ne смеси 50 см3 составила 700 часов (см. рис.3.10) необходимо отметить тот факт, что в момент измерения давления в данной работе фиксировалось и напряжение горения на газоразрядном приборе. Видно, что в момент выхода из строя холодного катода (резкое снижение общего давления Рне-Ne) началось значительное повышение напряжения горения на газоразрядном приборе игор.
На рис. 3.11 представлены результаты испытаний сферического полого холодного катода, изготовленного из ковара, на две полусферы которого напылён слой алюминия А5Н в газоразрядном приборе, показанном на рис. 3.5. При том же объёме газовой смеси (50 см3) и примерно на 50 Па более низком давлении Рне-Ne долговечность такого холодного катода при средней плотности разрядного тока составила 500 часов. Характерно, что и в этой случае в момент выхода из строя холодного катода значительно возрастало напряжение горения на газоразрядном приборе Ueop.
Этот экспериментальный факт даёт основание предложить в качестве контрольного параметра для определения долговечности холодного катода в газоразрядном приборе изменение величины напряжения горения (резкое его увеличение по сравнению с исходным значением).
В нижеследующих экспериментах испытаниям подвергались плоские циркониевые холодные катоды, приведенные на рис. 3.8. Как видно из рис. 3.12а, где испытывались холодные катоды, вырубленные из циркониевых полос, при средней плотности тока 0,4 мА/см (общий ток был одинаковым, таким же как и в предыдущих экспериментах), в конструкции рис. 3.8 образовано два холодных катода в том же объёме He-Ne смеси, но плотность тока в 2 раза ниже. Зависимость давления He-Ne смеси от длительности испытаний плоских холодных катодов: а)-цирконивые диски, б)-никелиевые диски с нанесенной плёнкой циркония, в)-никелевые диски с полосой циркония, полученной методом холодного плакирования (сварки). катодом работает стабильно, поскольку PHe-Ne за 2500 часов изменялось в пределах нормы (не более 15%). На рис. 3.126 приведены результаты испытаний в газоразрядном He-Ne приборе плоских никелевых холодных катодов с циркониевой плёнкой (причём средний диск покрыт циркониевой плёнкой с двух сторон, поскольку это общая сторона двух холодных катодов). В течение 2500 часов прибор работал также стабильно, за исключением первых нескольких сотен часов. Из рис. 3.12в видно также, что прибор с холодными катодами из плакированной никель-циркониевой ленты (средний диск изготовлен из никелевой ленты, с двух сторон плакированной цирконием) работал также стабильно в течение 2500 часов.
На рис. 3.13 приведены результаты испытаний в газоразрядных малогабаритных приборах, типа показанных на рис. 3.8 плоских холодных катодов. Причем, на рис. 3.13 (1,2) результаты поведения Рне-т в течение времени испытания для плоских холодных катодов, диски которых были вырублены из плакированных алюминием А5Н железных и никелевых лент, а на рис. 3.13 (3,4) - для катодов, где диски из стекла и ситалла были покрыты двойными плёнками медь-алюминий при термическом испарении в вакууме. В этом случае, как и в предыдущих (см. рис. 3.12), общий (средний) диск двух катодов имел двухстороннее покрытие. Видно, что по сравнению с циркониевыми катодами, долговечность алюминиевых ниже примерно в 2 раза. Замечен также и недостаток газоразрядных приборов с двумя плоскими холодными катодами: в первый момент, при зажигании разряда, иногда он загорался в той или другой катодной полости, а не одновременно, в двух. Однако после тренировки прибора в разряде этот эффект исчезал.
О модели послеразрядной эмиссии холодных катодов
В работе [41] рассмотрена более удобная для интерпретации экспериментальных результатов модель ПЭ. При низких температурах плотность тунельного тока на границе металл — оксид определяется формулой Фаулера - Нордгейма [40, 41] где Е = ст/є0є- напряженность электрического поля в диэлектрике, є диэлектрическая проницаемость оксида, Єо - диэлектрическая постоянная, Js и Es - постоянные, зависящие от параметров электронной структуры металла и диэлектрика.
Значения J0 и Eo связаны между собой соотношением (4.5) и не трудно убедиться, всему возможному диапазону токов JQ соответствует лишь небольшое изменение поля EQ. Поэтому можно считать, что т является функцией только Jo Учитывая также, что обычно Е/Ео»\, можно в (4.4) пренебречь логарифмическим членом. Экспериментальные исследования ПЭ проводились по известной методике (измерение времени задержки зажигания разряда при достаточно большом перенапряжении) для алюминиевых катодов с оксидной пленкой толщиной 10 нм. Толщина оксида определялась эллипсометрическим методом, в рамках которого с помощью эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1 по стандартной методике находилось изменение фазы Л и угла У поворота плоскости поляризации монохроматического пучка света с длиной волны 633 нм при его отражении от поверхности катода под углом Ч =70. Затем находилась толщина оксидного слоя с помощью кривой, которая была получена путем численного решения основного уравнения эллипсометрии при значениях коэффициентов преломления и поглощения металла и оксида , равных соответственно 1,5; 1,7; 0,1.
Разряд осуществлялся в гелий-неоновой смеси 10:1 при давлении 400 Па. Для такой системы (Al-Al203), EJE0=25, о=500 м /(А с), є0 \0 Ф/м и условие (4.11) выполняется для t в пределах от 0,01 до 10 и более секунд. Найдены зависимости 1пэ(0 Для нескольких композиционных катодов. Коэффициент К в выражении (4.13), оцененный из экспериментальных данных, лежит в пределах 10"10..Л0"7, что близко к его значениям, полученным для сандвич-катодов Ме-диэлектрик-Ме. Зависимость (4.11) можно записать в более простом виде т t (4-14) где Q=KS/a - постоянная для типа катода и разрядного режима, зависящая от структуры оксидной пленки. Выражение (4.14) может использоваться для нахождения значения константы Q при статистической обработке экспериментальных зависимостей 1пэ(0 в рамках методики контроля качества композиционных катодов. В результате данных исследований получено выражение, описывающее временную эволюцию тока ПЭ композиционного катода системы металл - оксидная пленка, связанного в свою очередь с дефектностью этой пленки. Это выражение согласуется с результатами экспериментальных измерений [54].
Хотелось бы отметить, что ионно-электронная бомбардировка материалов в условиях тлеющего разряда приводит к изменению их поверхности и приповерхностной области (образование дефектов, распыление) и, соответственно, к ухудшению со временем эмиссионных свойств.
Однако вышеизложенный подход позволяет проследить за изменением свойств поверхности от исходного её состояния вплоть до разрушения. Предлагаемые в главе 2 данной работы методы применимы для обоснованного выбора оптимальных материалов катодов, а высказанные положения в разделах 4.1 и 4.2 дают основания к созданию способа оценки их качества.
Необходимый перечень контролируемых параметров материалов холодных катодов обычно устанавливается в зависимости от их использования в конкретном типе лазера. Так в гелий-неоновых моноблочных лазерных датчиках целесообразно на различных технологических этапах изготовления и контроля свойств датчика измерять: напряжение горения (Ueop), напряжение пробоя (Unp), ток послеразрядной эмиссии или, как принято - ток постэмиссии (1пэ) и изменение его во времени [120], а также величину среднеквадратичного отклонения тока постэмиссии от среднего тока постэмиссии ( „э) [105]. Последние два параметра, по нашему мнению, являются наиболее объективными. При их применении решается задача повышения достоверности контроля качества материала холодных катодов. При данном подходе указанная задача решается за счет того, что в способе оценки качества холодных катодов, включающем импульсную стимуляцию поверхности материала катода, измерение временной зависимости постэмиссии с последующим сравнением полученной зависимости с эталонной, причем стимуляцию и измерения временной зависимости постэмиссии осуществляют в условиях, когда плотность разрядного тока, амплитуда напряжения и длительность импульса более чем на 25% превышают плотность нормального тлеющего разряда, статистический потенциал зажигания разряда и время статистического запаздывания разряда, проводят измерение времени запаздывания разряда не менее 30 раз.
Газоразрядный прибор с холодным катодом, наполненный рабочим газом при рабочем давлении (1,33 ... 2,66)-103 Па, подключают к импульсному источнику тока с напряжением в импульс не менее чем на 25% превышающем напряжение зажигания разряда и измеряют время запаздывания зажигания t33 импульса тока относительно заданного импульса не менее 30 раз при интервале следования импульсов 60 с и скважности не менее 10 . Это обеспечивает повышение точности определения /яз за счет полного рассасывания заряда на поверхности катода после действия импульса.
Можно согласиться с тем, что высокая чувствительность всех рассмотренных выше механизмов ПЭ к состоянию поверхности катода позволяет использовать это явление для контроля ее качества, т.к. в нашем случае материалом холодного катода является сандвич-структура «металл диэлектрическая оксидная пленка».
Вследствие ионной бомбардировки на поверхности катода происходит накопление положительного заряда. В стационарном разрядном режиме его величина остается постоянной, т.е. через слой оксида протекает ток, равный сумме первичного ионного тока и тока вторичных электронов. Он обусловлен туннельной эмиссией электронов из металлической подложки катода в оксид под действием поля, созданного в оксидном слое поверхностным зарядом. После прекращения разряда заряд сохраняется на поверхности катода в течение некоторого времени, а часть туннелируемых из подложки электронов выходит через поверхность оксида в разрядный объем. Следовательно, катод продолжает эмитировать электроны после прекращения разряда, когда ионная бомбардировка его поверхности отсутствует.
