Холодный катод для газоразрядных приборов

ХОЛОДНЫЙ КАТОД ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ, содержащий металлическую подложку с эмиссионным покрытием, отличающийся тем, что, с целью повышения эрозионной стойкости и стабилизации эмиссии по поверхности катода, эмиссионное покрытие выполнено трехслойным, причем первый к подложке слой выполнен толщиной 0,1 - 0,3 мкм из металла, взятого из группы металлов - магний, барий, кальций, второй слой выполнен толщиной 0,5 - 0,8 мкм из эвтектической смеси одного из соединений Mg₂Sn, Ba_nSn, Ca_nSn, где n = 1,2 с оловом, а третий слой - из олова толщиной 0,05 - 0,1 мкм.

Изобретение относится к газоразрядной технике, в частности к холодным катодам с эмиссионным покрытием, которые могут использоваться в газоразрядных приборах (ГРП), преимущественно в защитных разрядниках.
Известен холодный катод для разрядника, у которого на никелевый керн нанесено эмиссионное покрытие из окиси бария. Недостатком такого катода является повышенная распыляемость от воздействия ионной бомбардировки, вследствие чего быстро образуется проводимый налет на корпусе прибора, приводящий к короткому замыканию разрядного промежутка.
Известен холодный катод, на медный керн которого нанесено покрытие одного из элементов: висмута, сурьмы, цинка или олова - толщиной от одного до десятых долей миллиметра.
Недостатком такого катода является способность чисто металлических катодов вступать в соединение с адсорбированными газами и кислородом при работе прибора с образованием окисной пленки на поверхности. Пленка приводит к возникновению явления первого пробоя у разрядника, т.е. стабильность электрических параметров резко ухудшается.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является холодный катод, у которого на металлическую подложку нанесено эмиссионное покрытие из смеси порошков алюмосиликата цезия или рубидия (0,5 - 25%) и никеля. Такой катод обладает малой работой выхода порядка 1,0 эВ, и обеспечивает требуемую долговечность разрядников в режимах коммутации сильноточных импульсов до 10 кА.
Однако указанный катод обладает недостаточной стойкостью при коммутации слаботочных импульсов, когда требования к долговечности увеличиваются на два порядка. Эмиссионные свойства катода неравномерны по поверхности из-за хаотического расположения центров алюмосиликата цезия в никелевой основе катода.
При работе катода канал газового разряда привязан к определенной точке рабочей поверхности, диаметр образующегося катодного пятна мал, происходит шнурование разряда, плотность тока в пятке резко возрастает и эрозионная стойкость катода снижается в процессе наработки. Кроме того, большое содержание никеля в массе эмиссионного покрытия приводит к образованию поверхностной окисной пленки, которая в процессе тренировки сбивается, а в паузе после тренировки очень часто восстанавливается, что приводит к увеличению разброса электрических параметров.
Целью изобретения является повышение эрозионной стойкости и стабилизация эмиссионных свойств по поверхности катода в условиях слаботочного разряда (с плотностью тока не выше 10³ А/см²).
Указанная цель достигается тем, что в холодном катоде для ГРП, содержащем металлическую подложку с эмиссионным покрытием, последнее выполнено трехслойным, ближний к подложке слой выбран из группы металлов Mg, Ba, Ca, второй слой содержит эвтектическую смесь одного из соединений Mg₂Sn, Ba_nSn или Ca_nSn с Sn, а третий выполнен из Sn, где n = 1 или 2.
Трехслойная структура эмиссионного покрытия за счет образования интерметаллического соединения металлов второго слоя (рабочего) обладает улучшенными эмиссионными свойствами, повышенной стойкостью к ионной бомбардировке и инертностью к адсорбированным газам, что позволяет обеспечить катоду высокую эрозионную стойкость и стабильность эмиссионных свойств.
Материалами, образующими интерметаллиды, выбраны элементы IIA подгруппы с малой величиной работы выхода Ва, Са, Mg, вторым компонентов могут быть элементы IVA подгруппы с повышенным электронным средством, например Sn, образующие соединения с большой энтальпией процесса.
Рабочий слой представляет собой эвтектическую смесь в виде Х_nSn + Sn (где Х-Са, Ва или Mg), или иными словами, смесь интерметаллида и свободного олова.
Присутствие Sn в слое в свободном виде не ухудшает качества рабочего слоя благодаря ряду достоинств этого материала: малому давлению паров (при 800^оС давление паров составляет 10^-8 мм рт.ст.), слабой распыляемости в ионном потоке без образования летучих окислов.
Содержание олова в эвтектической смеси для всех соединений соответствует условиям 70 < Sn > 33 ат.% в соответствии с диаграммой состояний. Приведенное условие регулирует соотношение между образовавшимся интерметаллидом и свободным оловом.
При условии Sn < 33 ат.% образуется эвтектическая смесь типа X_nSn + X₃ в которой свободный металл легко окисляется.
При условии Sn > 70 ат.% в эвтектической смеси преобладает Sn и благоприятные свойства интерметаллидов сводятся на нет: n определяется валентностью Sn в образованном интерметаллиде.
Под рабочим слоем расположен подпитывающий слой одного из элементов Ba, Ca или Mg, соответствующий содержанию рабочего слоя. Функция его заключается в следующем: в процессе наработки в условиях разогрева материала катода газовым разрядом материал подпитывающего слоя вступает во взаимодействие со свободным Sn рабочего слоя с образованием новых молекул интерметаллида.
Сверху рабочего слоя расположен тонкий слой Sn, защищающий рабочий слой от взаимодействия атмосферного воздуха при сборке прибора. Тонкий слой Sn легко удаляется в процессе тренировки в готовом приборе.
Толщина подпитывающего слоя (0,1 - 0,3 мкм) и рабочего слоя (0,5 - 0,8 мкм) выбраны из условий максимальной адгезионной способности покрытия к металлическому керну и максимальной эмиссионной способности или наименьшей работы выхода.
Толщина защитного слоя составляет 0,05 - 0,1 мкм. Под воздействием ионной бомбардировки защитный слой снимается с поверхности электрода и обнажается рабочий слой покрытия.
Технология изготовления тонкопленочного эмиссионного покрытия заключается в электронно-лучевом напылении в вакууме на металлический керн составляющих материалов катода.
Помещенный в установку напыления керн очищается от окислов и примесей, химически активных к материалам эмиссионного покрытия, и нагревается до температуры, которая может быть выбрана в диапазоне 400 - 232^оС и поддерживается при ныпылении подпитывающего и рабочего слоев.
Методом испарения электронным лучом на керн напыляют один из элементов Mg, Ba или Са. Не вскрывая рабочую камеру. одновременно из двух источников (испарителей) пылят Ва, Са или Mg и Sn. Напыление производят, учитывая соотношение элементов 70>Sn>33 ат.%. О взаимодействии элементов судят по началу экзотермической реакции, т.е. регистрируют резкий скачок температуры, свидетельствующий об образовании соединения X_nSn. Остужают керн и напыляют защитный слой из Sn.
Керн с нанесенным эмиссионным покрытием представляет собой рабочий электрод. Электрод вынимают из камеры и передают на сборку прибора. Проводят герметизацию и наполнение прибора в среде инертного газа, затем подвергают тренировке для удаления защитного слоя.
П р и м е р. Выполнение катода для защитного разрядника.
1. На рабочую поверхность электродов разрядника нанесены трехслойные эмиссионные покрытия а, б и в, толщина и состав которых приведены в таблице.
Температурные условия, способ и время напыления одинаковы.
2. Готовый катод подвергали структурному и кристаллографическому анализу, подтвердившему состав и кристаллическую структуру слоев.
3. Электроды с эмиссионным покрытием образуют разрядный промежуток в двухэлектродном металлостеклянном разряднике кнопочной конструкции. Диаметр разрядника 7,8 мм, высота 5 мм. Давление Ar в готовят приборе 80 мм рт.ст., расстояние между электродами 0,5 - 0,8 мм.
4. Разрядник тренировали в импульсном режиме токами 10 А в течение 10 пробоев.
5. Приведена проверка эмиссионной способности по поверхности катода, сняты зависимости изменения работы выхода на активированной части поверхности электрода разрядника. Изменения в работе выхода составили не более 3-5% для всех видов покрытий.
Кристаллическая структура покрытия и малое изменение работы выхода по поверхности свидетельствует от высокой стабильности эмиссионных свойств катода.
Разрядники испытаны на долговечность в режиме воздействия импульсного тока амплитудой 500 А, длительностью 5 мкс (1000 пробоев). Этот режим соответствует реальному режиму, возникающему в процессе эксплуатации цветных кинескопов. Результаты испытаний положительные, электроды устойчивы к импульсным воздействия тока, эрозия незначительна.
Тонкопленочный катод на основе эвтектических смесей Ва, Са или Mg c Sn имеет ряд преимуществ перед активными покрытиями катодом, наносимыми намазкой на керн. Он имеет устойчивую стекнометрию поверхности, что позволяет формировать широкий канал разряда, тем самым уменьшить эрозию электродов. Составляющие элементы катода и их соединения не взаимодействуют с адсорбированными газами и сохраняют постоянство газового состава разрядника за счет процессов десорбции в процессе наработки.
Предлагаемый катод может широко использоваться при создании новых ГРП с высокой эксплуатационной надежностью, в частности защитных разрядников, применяемых в телевизионной технике и других.
Использование: газоразрядные приборы, преимущественно разрядники. Сущность изобретения: эмиссионное покрытие на подложке выполнено трехслойным. Слои, ближайшие к подложке, выполнены из Mg, Ba или Ca, следующий слой - из эвтектической смеси соединения Mg₂Sn , Ba и Sn Ca_nSn , где n = 1,2, а верхний слой - из олова.