- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 5
ГЛАВА I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ... 15
1.1. Постановка задачи ................................. 15
1.2 Обоснование постановки задачи ................. 16
1.3 Методы исследований ............................... 26
1.3.1 Методика исследования эмиссионных свойств и теплот испарения эффективных термокатодов .......................................... 26
1.3.2 Методика исследования устойчивости прессованных катодов к ионной бомбардировке
в условиях вакуума и газового разряда ... 31
1.3.3 Определение параметров плазмы с помощью метода зондов ................................ 34
1.3.4 Масс-спектрометрический метод контроля изменения состава смеси и газовых примем сей в разрядных трубках гелий-неоновых
лазеров............................................. 37
1.3.5 Методы контроля активности плазменной среды гелий-неоновых ОКТ ........................... 41
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОВЫХ ТИПОВ
ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕШОКАТОДОВ............................... 43
2.1 Исследование эмиссионных свойств и теплот
испарения прессованных термокатодов .... 44
2.2 Влияние нейтрального и ионизованного водоро-
да на электронную эмиссию прессованных катодов .............................................. 51
- 3 -
2.3 Исследование устойчивости прессованных като-
дов к ионной бомбардировке в условиях вакуума ................................................ 56
2.4 Исследование работы прессованных катодов в
условиях газового разряда .................. . . 65
2.5 Исследование работы прессованных скандатных
катодов в макетах гелий-неоновых лазеров . 76
2.6 Обсуждение результатов ............................ 79
Выводы ..... 85
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЛЕЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМИ ХОЛОДНЫМИ КАТОДАМИ ................................. 88
3.1 Исследование катодного падения потенциала
тлеющего разряда с полыми цилиндрически мл катодами............................................ 89
3.2 Исследование токораспределения в полых ци-
линдрических катодах при изменении их геометрических размеров................................ 98
3.3 Исследование плазмы внутр полых цилиндр-ческих катодов диаметром 20 мм пр изменении
их длины............................................ ИЗ
3.4 Исследование параметров плазмы в полых катодах различных диаметрв............................... 125
3.5 Выбор оптимальной формы полых катодов для
гелий-неоновых лазерв.............................. 133
3.6 Обсуждение результатов ........................... 150
Выводы......................................................... 155
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК.................................... 158
4.1 Выбор метода создания окисной пленки . . . 159
- 4 -
4.2 Исследование параметров линейного тлеющего разряда с холодными катодами, покрытыми диэлектрическими пленками .............................. 161
4.2.1 Методика определения нормального катодного падения и потенциала зажигания разряда. Экспериментальные лампы .................... 161
4.2.2 Параметры тлеющего разряда с катодами
на основе пленок .Л?2 Рз , МдО и ВеО . 165
4.2.3 Расчет обобщенного коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии (ОКВИЭЭ)
для диэлектрических пленок.................................................... 180
4.3 Исследование тлеющего разряда с полыми холодными катодами, покрытыми диэлектрчески-
ми пленками....................................... 182
4.4 Токораспределение в полых цилиндрических катодах с переменной толщиной окисной пленки 185
4.5 Сравнительные исследования монолитных ашо-миниевых катодов и новых типов холодных катодов в активных элементах гелий-неоновых
ОКТ............................................... 190
4.6 Обсуждение результатов .......................... 194
Выводы........................................................ 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 201
ЖТЕРАТУРА.................................................... 207
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
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 (ОКТ) 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-У/е ОКТ с оксидными катодами ограничена, в основном, низкой устойчивостью к ионной бомбардировке и потерей эмиссии последних, они тлеют большой разброс параметров и малый срок службы ( — 500 часов). Как наиболее перспективные среди термоэлектронных катодов в сильноточных гелий-неоновых лазерах использовались некоторые типы металлопористых катодов (МПК: прессованные, импрегнированные). Основным недостатком МПК 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-
- 6 _
тодов холодными связана с переходом от газотронного разряда к тлеющему, который характеризуется большим катодным падением потенциала и малой плотностью тока на катоде ( для режима, используемого в гелий-неоновых лазерах, необходимо обеспечить плотности тока, превышающие нормальную плотность тока на катоде ), что накладывает ряд требовании 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/сг/1 [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/сг^. 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 ], материа-
- 7 -
ла Г2,3,5,68-70] и методов создания защитной окисной пленки на поверхности монолитных холодных катодов [[4,5,6,72,76-79]] , 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, включавдее:
- 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 ОКТ;
- разработка малогабаритных 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 характеристик 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
- 8 -
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 солеобразующих окислов бария. В качестве ак -тивного вещества использовались карбонаты, алюминаты, иттраты, танталаты 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 аС , 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 -
- 9 -
сованннх катодов, благодаря этому малоактивные катоды могут
О
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 зовда, 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 ролости. Обоснован выбор оптимальных размеров ПЦК для гелий-неоновых лазеров^
Рассмотрены результаты исследования тлеющего разряда с предложенными полыми катодами других форм (резонаторный, коак-
- 10
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 £>еО , нанесенных различными методами ( электроннолучевым испарением, методом катодного распыления в высокочастотном разряде и ионно-плазменным методом ) на молибденовые или ситалловые металлизированные подложки.
Изучены зависимости норлального 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 Л22Оз , 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 алшиние-
- II -
вых монолитных и пленочных катодов в макетах гелий-неоновых ОКТ, в которых одновременно контролировались параметры разряда, активность плазменной среды и о помощью масс-спектрометри-чеокого анализа состав газа.
В заключении кратко суммируются основные полученные ре -зультаты.
Научная новизна работы:
В диссертационной работе впервые:
1. 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.
2. 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 олои Оа , Мд О на поверхности тутоплавких метал -лов ) установлена немонотонная зависимость нормального катодного падения потенциала от толщины окисной пленки.
4. Обнаружен эффект увеличения эмиссионной способности прессованных скандатных катодов при тренировке в разряде в среде гелия.
5. 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).
12
Практическая ценность работы:
1. Исследования новых типов прессованных катодов позволили создать катод на основе скандата бария, обладаадий 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 стабилизации и улучшению эмиссионных характеристик катодов. Малоактивные катоды могут быть наактивированы до уровня эмиссии 2-3 А/см2 под воздействием нейтрального и ионизованного водорода и до
I ~ 10 А/с^ под действием ионной бомбардировки в разряде в
э ...
гелии. Разработаны рекомендации по увеличению и стабилизации теплоты испарения и эмиссии прессованных скандатных катодов, позволяющие снизить рабочую температуру этих катодов в гелий-нео-новых лазерах.
2. На основании исследования тлеющего разряда с холодными катодами предложены и защищены 4 авторскими свидетельствами три варианта полых холодных катодов ( резонаторный, 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.
3. Результаты исследования тлеющего разряда с различными типами полых холодных. катодов и устойчивости прессованных тердокатодов к ионной бомбардировке могут быть использованы на предприятиях электронной промышленности при разработке новых конструкций активных элементов гелий-неоновых ОКТ, а также разработчиками прессованных катодов.
- 13 -
Основные положения и результаты,выносимые на защиту :
1.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 потенциальное выбивание.
3. Нормальное катодное падение потенциала тлеющего разряда холодным катодом на основе окисных пленок Л^О^, МдО зависит от толщины диэлектрической пленки немонотонным образом.
4. 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.
5. Предложены новые типы полых холодных катодов ( резона -горный, конический и пленочный катод с клинообразной окисной пшенкой ) и конструкция активного элемента с коаксиальным полым катодом для гелий-неоновых лазеров.
Апробация.
Основные результаты, полученные в диссертации были представ-юны на Мездународной конференции по газовому разряду ( Лондон, '.970 г.), 5-ой Чехословацкой конференции по электронике и ва -
- 14 -
куумной физике ( Брно, 1972 г.); докладывались и обсуждались на 3-ей Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме ( Москва, 197I г.); на 2-ой Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии ( Ленинград, 1974 г.); на Х,ХП,Ш1 и ХУІІІ-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 ( резпнаторный, 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.
- 15 -
ГЛАВА. I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Постановка задачи
Катодная область газового разряда во многом определяет режимы горения, срок службы, надежность и другие параметры газоразрядных устройств, в том числе и гелий-неоновых лазеров. При этом важны данные о физических процессах, как на самом катоде и на границе "твердое тело-плазма", так и в прикатодной области разряда.
Для успешного применения новых типов эффективных термокатодов в гелий-неоновых лазерах необходимо знание их основных эмиссионных характерстик (эмиссионной способности, работы выхода, скорости испарения активного вещества) и устойчивости к ионной бомбардировке.
С точки зрения оптимизации конструктивного выбора холодных катодов для гелий-неоновых лазеров и понимания физических процессов, происходящих в тлеадем разряде с полыми холодными катодами, важны сведения о структуре плазмы и природе неравномерного характера токораспределения в полых цилиндрческих катодах.
Для оптимизации толщины окисного покрытия холодных катодов на основе диэлектрических пленок и объяснения "аномальной" эмиссии из систем металл-диэлектрк-плазма важны сведения о вторчно-эмиссионных свойствах диэлектрческих пленок и элект-рческих характерстиках тлегацего разряда с пленочными холодными катодами.
Вопросы устойчивости к ионной бомбардировке прессованных эффективных термокатодов на основе новых солеобразувдих окислов бария по сравнению с оксидным катодом не изучались.
- 16 -
В настоящее время имеются отдельные сведения о неравномерном характере токораспределения в полых цилиндрических катодах, но закономерности его при изменении геометрических размеров полых катодов изучены недостаточно, не исследованы природа этой неравномерности и структура плазмы в полых катодах для области рабочих давлений гелий-неоновых лазеров.
Отсутствуют данные об электрических характеристиках тлеющего разряда с пленочными катодами и их вторично-эмиссионных свойствах от толщины окисного покрытия. Имеющиеся в литературе сведения о выборе оптимальной толщины диэлектрических пленок, используемых в качестве холодных катодов, не подкреплены физическими исследованиями и моделями, а представляют собой лишь отдельные сообщения о коэффициенте вторичной ионно-электронной эмиссии пленок, об устойчивости к распылению в условиях тлеющего разряда пленок, полученных различными методами.
1.2. Обоснование постановки задачи
Анализ перспективных материалов для термоэлектронных и холодных катодов гелий-неоновых лазеров приведен в целом ряде обзоров [ 1-3 ] и сведения о них обобщены также в тематических указателях литературы [7-9*] .
В качестве термокатодов гелий-неоновых лазеров низкого давления с разрядным током в несколько милиампер, используются маломощные прямоканальные катоды на никелевых и вольфрамовых кернах [1,10-12] , а в более мощных ОКТ (до сотни милиампер),
кроме оксидных катодов прямого и косвенного накала с развитой рабочей поверхностью [ 13-15] , нашли также применение катоды
из торярованного вольфрама, сложные прессованные и металле-
- Г7 -
пропитанные [_ 17-19 3 ♦
Накаливаемые оксидные катоды при соблюдении правил вакуумной гигиены являются достаточно хорошими эмиттерами £ 21,20^ и наиболее изученными [[22,23 3 • Однако, как показал опыт изготовления и эксплуатации промышленных гелий-неоновых лазеров типа ЛГ-55, ЛГ-56, ОКГ-11 и др., активные элементы с прямоканальными оксидными катодами имеют большой разброс параметров, гарантированный срок их службы невелик и составляет всего '■'■'500 часов.
Причины ограничения долговечности гелий-неоновых лазеров с оксидными катодами вызваны низкой устойчивостью катода к ионной бомбардировке [" 24 ] , легкой отравляемостью остаточными химически активными газами [ 25 31 , приводящие к потере эмиссии последних, а кроме того, при применении в газовых лазерах ОНИ требуют повышенной ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ 13 26 3 .
О разработках усовершенствованных конструкций оксидных катодов для лазеров сообщается в работах [313-163 . Так, в работе [3 14 3 показано, что применение полых цилиндрических оксидно-синтезированных катодов косвенного накала позволяет уменьшить ионную бомбардировку активной поверхности и повысить долговечность разработанного катода в экспериментальных диодах с гелий-неоновым наполнением до 5000 часов с токоотбором 70 мА.
Отмеченные выше недостатки оксидных катодов привели к созданию новых типов эффективных термокатодов, имеющих запас баря в виде карбонатов, окислов, алюминатов, вольфраматов, который обеспечивает постоянную компенсацию испаряющегося баря. Такие катоды с запасом активного вещества получили назва-
- 18 -
ние распределительных (" с1с*ре.1ъхег ") или металлопористых катодов (МПК) [ 18,19 3 .
По сравнению с оксидным катодом МПК имеют меньшее поперечное сопротивление, большую тепловую устойчивость и механическую прочность. Последнее свойство дает возможность их работы при повышенной вибрации в условиях ударных нагрузок. МПК отличаются достаточной долговечностью пр высоких плотностях тока, устойчивостью к ионной бомбардировке, стойкостью к отравлению, выдерживают многократное пребывание на воздухе и повторное активирование £ 18 3 . Эти преимущества позволяют использовать их в лазерах разборной конструкции, что увеличивает срок службы прборов [27 3 .
Основным недостатком МПК по сравнению с оксидным катодом является более высокое значение рабочей температуры. В процессе развития и совершенствования МПК предпрнимались многочисленные попытки снижения их рабочей температуры. К настоящему времени только двумя методами удалось существенно увеличить их эмиссионную способность, что эквивалентно снижению рабочей температуры при сохранении уровня токоотбора. С.Ф.Кейсел [28 ] относит к этим способам - использование в МПК пленочных покрытий из металлов платиновой группы или их сплавов ("М" - катоды) и применение в МПК в качестве активного вещества барий-стронциевого вольфрамата В>а5Ул (^Ое)& [29 3 . Покрытие эмит-тиругацей поверхности тонкими пленками металлов платиновой группы и их сплавов приводит к снижению их рабочей температуры на 100 0 или без изменения Т позволяет повысить их эмиссию в 3-4 раза.
Из новых активных веществ для МПК, отмеченных в работе [283 , следует выделить активное вещество с использованием
- 19 -
окиси скандия. Сейчас за рубежом появилось значительное количество сообщений о различных вариантах скандатных катодов [ 32,33] , хотя в нашей стране работы по исследованию МПК на основе скаццата бария проводились гораздо раньше[30,31,1223 . Из других новых составов представляет интерес МПК с губкой из вольфрама, пропитанной смесью расплавленных вольфраматов Во, и Ва-$г, к которой добавлен гидрид циркония ^гС03 или гафния [34 ].
Указанные выше достоинства металлопористых катодов обеспечили им широкое применение в приборах, в которых требуются высокие плотности токов в статических и импульсных режимах в течение нескольких тысяч часов, а также в газоразрядных приборах, в том числе и в газовых лазерах, в особенности с большими разрядными токами 50-100 мА[ 16,35 3 .
Для практического использования новых типов эффективных термокатодов в газоразрядных приборах, кроме знания их эмиссионных свойств, важны сведения об устойчивости катодов к ионной бомбардировке. В литературе имеются лишь отдельные сообщения об исследовании процессов распыления новых типов металлопористых катодов, напрмер, Л-катода [ 37 3 .
Разработки новых типов катодов с целью повышения долговечности гелий-неоновых лазеров привели к замене накаливаемых катодов холодными, имеющими ряд существенных преимуществ, которые отмечались ранее. Однако замена накаливаемого катода холодным в любом газоразрядном приборе связана с переходом к новой форме разряда. В отличие от газотронного разряда с накаливаемым катодом для тлеющего разряда с холодным катодом (ХК) типичным является гораздо большее катодное падение потенциала и малые плотности тока на катоде[383 . Кроме того, наличие
- 20 -
двух форм существования тлеющего разряда ( нормального и аномального) не всегда позволяет изменять параметры разряда и плазмы в необходимых пределах. Использование полых катодов £[39,40 3 дает возможность увеличивать разрядный ток, минуя аномальный режим горения разряда, но все же плотности тока на катоде (0,1 - 2.1СГ2 А/см2) значительно превышает нормальную плотность тока тлеющего разряда (2 - 6.10""* А/см2) [413 • ^оэ~ тому процессы распыления [42,433 , а также неоднородный характер распределения тока по внутренней поверхности полых цилиндрических катодов [39, 44-47[[ значительно влияют на их срок службы.
Из анализа многочисленных литературных данных следует, что при создании долговечного холодного катода для гелий-неоновых лазеров решались две основные проблемы: во-первых, выбор оптимальной геометрии катода, обеспечивающей плотность тока, снимаемого с катода, ниже критической [б, 53[] , во-вторых, выбор материала катода и технология его обработки, в том числе и методы наращивания защитной окисной пленки [2,з] .
В результате решения первой задачи показано, что наиболее подходящей формой катода является полый цилиндр с внутренней рабочей поверхностью [4, 40, 45, 483 * с конструктивной точки зрения предлагаются, в основном, полые цилиндрические катоды, привариваемые к разрядному капилляру [5, 60] , либо полый катод в коаксиальном варианте с разрядной трубкой [б1-6бЗ .
Весьма существенным обстоятельством, имеющем важное значение для практического применения разряда с полым катодом в газовых лазерах, является неоднородное распределение тока по поверхности катода, которое приводит к неравномерному распылению материала.
- Київ+380960830922