RU2179765C2

RU2179765C2 - Gas-discharge device cathode

Info

Publication number: RU2179765C2
Application number: RU2000108009/09A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Журавлев; А.Н. Ивлюшкин; О.Н. Крютченко; В.Г. Самородов; В.А. Степанов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма"
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2002-02-20

Abstract

FIELD: glow-discharge cold- cathode devices including dc gas panels and their manufacturing process. SUBSTANCE: emissive material filling the porous support of cathode is mercury; pore surface of cathode support incorporates metal wetted by mercury; work function of cathode support exceeds that of mercury. EFFECT: enhanced service life of tube. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области приборов тлеющего разряда с холодным катодом, в частности к газоразрядным индикаторным панелям постоянного тока, и методам их изготовления. The invention relates to the field of glow-discharge devices with a cold cathode, in particular to gas-discharge indicator panels of direct current, and methods for their manufacture.

Одна из основных проблем, возникающих при изготовлении и эксплуатации приборов данного типа, заключается в необходимости обеспечения их срока службы в 5-10 тыс. ч, что достигается, в основном, путем уменьшения и стабилизации распыления поверхности катода, вызванного ионной бомбардировкой. One of the main problems arising in the manufacture and operation of devices of this type is the need to ensure their service life of 5-10 thousand hours, which is achieved mainly by reducing and stabilizing the atomization of the cathode surface caused by ion bombardment.

Известны катоды газоразрядных приборов, выполняемые из металлов с высоким порогом распыления, таких как молибден, ниобий, цирконий (И.Хочули, П. Холдеман. Холодные катоды для гелий-неоновых лазеров // Приборы для научных исследований. 1965. Т. 36. 10. С. 100-102). Known cathodes of gas-discharge devices made of metals with a high spray threshold, such as molybdenum, niobium, zirconium (I. Khochuli, P. Holdeman. Cold cathodes for helium-neon lasers // Devices for scientific research. 1965. T. 36. 10 S. 100-102).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известных катодов, относится то, что они ускоренно разрушаются при плотности разрядного тока, превышающей 0,1 мА/см².The reasons that impede the achievement of the required technical result when using known cathodes include the fact that they are rapidly destroyed when the discharge current density exceeds 0.1 mA / cm ² .

Известен катод газоразрядного прибора, выполняемый из алюминия (его сплавов), на поверхности которого сформировано оксидное покрытие толщиной 20-30 нм (Патент США 3.860.310. кл. 316-26, Н 01 j 9/00, 1975). Данное покрытие определяет эмиссионные свойства поверхности катода и обеспечивает ее устойчивость в газовом разряде. A known cathode of a gas-discharge device made of aluminum (its alloys), on the surface of which an oxide coating with a thickness of 20-30 nm is formed (US Patent 3.860.310. CL 316-26, H 01 j 9/00, 1975). This coating determines the emission properties of the cathode surface and ensures its stability in a gas discharge.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного катода, относится то, что он эффективно работает при плотности тока, меньшей 1,0 мА/см².The reasons that impede the achievement of the required technical result when using the known cathode, is that it works effectively at a current density of less than 1.0 mA / cm ² .

Известен катод газоразрядного прибора, состоящий из мелкодисперсной смеси диэлектрического и металлического компонентов, например окиси магния и золота (Патент США 4.115.228, кл. 204-192 ЕС, 1978). При этом диэлектрическая фаза определяет уровень рабочих напряжений приборов, а металлическая эффективно снимает образующийся на поверхности катода при ионной бомбардировке заряд. A known cathode of a gas-discharge device, consisting of a finely divided mixture of dielectric and metal components, for example magnesium oxide and gold (US Patent 4.115.228, cl. 204-192 EC, 1978). In this case, the dielectric phase determines the level of the operating voltages of the devices, and the metal phase effectively removes the charge formed on the surface of the cathode during ion bombardment.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного катода, относится то, что он не обладает долговременно стабильными характеристиками и интенсивно разрушается при плотности разрядного тока, большей 10 мА/см².The reasons that impede the achievement of the required technical result when using the known cathode include the fact that it does not have long-term stable characteristics and is intensively destroyed when the discharge current density is greater than 10 mA / cm ² .

Наиболее близким катодом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является катод газоразрядного прибора, состоящий из пористой основы, заполненной эмиссионным веществом (Патент США 3.486.058. кл. 313-211, 1969 - прототип). The closest cathode of the same purpose to the claimed object in terms of features is the cathode of a gas discharge device, consisting of a porous base filled with an emission substance (US Patent 3.486.058. CL 313-211, 1969 - prototype).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного катода, принятого за прототип, относится то, что этот катод не обеспечивает стабильную работу приборов тлеющего разряда в течение нескольких тысяч часов при их эксплуатации в диапазоне плотностей тока от 10 до 100 мА/см². Данное обстоятельство вызвано интенсивным избирательным распылением эмиссионной компоненты (щелочной металл) и ее осаждением на элементы конструкции объема газоразрядного промежутка с последующим образованием проводящих соединений, ухудшающих его электропрочность.The reasons that impede the achievement of the required technical result when using the known cathode adopted as a prototype include the fact that this cathode does not provide stable operation of glow discharge devices for several thousand hours during their operation in the range of current densities from 10 to 100 mA / cm ² . This circumstance is caused by intensive selective sputtering of the emission component (alkali metal) and its deposition onto the structural elements of the gas-discharge gap volume with the subsequent formation of conductive compounds that worsen its electrical strength.

Задача данного изобретения заключается в повышении срока службы газоразрядных приборов за счет предварительного насыщения объема пор основы катода ртутью. The objective of the invention is to increase the service life of gas-discharge devices by pre-saturation of the pore volume of the cathode base with mercury.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном катоде газоразрядного прибора, состоящем из пористой основы, заполненной эмиссионным веществом, в качестве эмиссионного вещества использована ртуть, а внутренняя поверхность пор основы содержит металл, смачиваемый ртутью, при этом работа выхода материала основы катода превышает работу выхода ртути. This technical result is achieved by carrying out the invention in that in the known cathode of a gas-discharge device consisting of a porous base filled with an emission substance, mercury is used as the emission substance, and the inner surface of the pores of the base contains metal wetted by mercury, while the work function of the cathode base material exceeds the work function of mercury.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет использования в качестве эмиссионной компоненты ртути и выбора пористой основы катода с определенными электрофизическими свойствами. The above technical result is achieved by using mercury as the emission component and selecting a porous cathode base with certain electrophysical properties.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволяет установить, что заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" и "изобретательский уровень" по действующему законодательству. Thus, a comparative analysis of the proposed technical solution and the prior art allows us to establish that the claimed invention meets the requirement of "novelty" and "inventive step" under current law.

На чертеже приведены зависимости напряжения поддержания разряда газоразрядных индикаторных панелей постоянного тока (ТИП) от времени испытаний, полученные при исследовании приборов, наполненных смесью газов Ne+1% Ar при суммарном давлении 4•10⁴ Па и содержащих никелевые катоды толщиной ~40 мкм, объем которых не заполнен (кривая 1) и заполнен (кривая 2) ртутью.The drawing shows the dependence of the voltage to maintain the discharge of gas-discharge indicator panels of direct current (TIP) on the test time obtained by studying devices filled with a mixture of gases Ne + 1% Ar at a total pressure of 4 • 10 ⁴ Pa and containing nickel cathodes ~ 40 μm thick, volume which is not filled (curve 1) and filled (curve 2) with mercury.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Катод формируется методами толстопленочной технологии из пасты, в состав которой входит компонент, обладающий высокой электропроводностью (никель, бориды никеля, титан, серебро и др.), легкоплавкое стекло (смесь окислов свинца, кремния, бора) и органическое связующее. Затем по общепринятой технологии изготавливаются индикаторные панели. При этом при термическом отжиге приборов происходит выгорание органического связующего и в объеме катодов образуются многочисленные сквозные поры. На заключительной стадии в ГИП вводят пары ртути и специальной обработкой насыщают объем пор катода ртутью. Этому процессу способствует наблюдаемое при обезгаживании приборов обогащение поверхности пор металлами, смачиваемыми ртутью (в данном случае свинцом и кремнием). Information confirming the possibility of implementing the proposed invention to obtain the above technical result are as follows. The cathode is formed by methods of thick-film technology from paste, which includes a component with high electrical conductivity (nickel, nickel borides, titanium, silver, etc.), low-melting glass (a mixture of lead, silicon, boron oxides) and an organic binder. Then, according to generally accepted technology, indicator panels are made. In this case, during thermal annealing of the devices, the organic binder burns out and numerous through pores are formed in the volume of the cathodes. At the final stage, mercury vapor is introduced into the ISU and the pore volume of the cathode is saturated with mercury using a special treatment. This process is facilitated by the enrichment of the pore surface with metals wetted by mercury (in this case lead and silicon), observed during the degassing of devices.

Если работа выхода основы катода превышает работу выхода ртути, то эксплуатация приборов осуществляется в условиях локализации газового разряда на ртутных включениях без разрушения основы катода. If the work function of the cathode base exceeds the work function of mercury, then the devices are operated under conditions of localization of a gas discharge at mercury inclusions without destroying the cathode base.

Достижение положительного эффекта подтверждается результатами испытания индикаторов (см. чертеж). Установление стабильных значений напряжения поддержания разряда (U_пp) приборов, катоды которых не пропитаны ртутью, достигается после 40-50 минут тренировки (кривая 1). Насыщение толстопленочных катодов ртутью изменяет процесс их эксплуатации - кривая 2. Напряжение поддержания разряда устанавливается сразу на уровне 120 В (на 50-60 В меньше исходного). Это связано с тем, что работа выхода ртути меньше работы выхода поверхности основы катода. Затем в течение продолжительного времени (время нормальной работы - Т_экс) оно сохраняется стабильным (поры заполнены ртутью). После этого напряжение возрастает до исходного значения (ртуть удаляется из пор) и повторяет кривую 1.The achievement of a positive effect is confirmed by the test results of the indicators (see drawing). The establishment of stable values of the discharge maintaining voltage (U _pp ) for devices whose cathodes are not saturated with mercury is achieved after 40-50 minutes of training (curve 1). The saturation of thick film cathodes with mercury changes the process of their operation — curve 2. The voltage for maintaining the discharge is set immediately at 120 V (50-60 V less than the initial one). This is due to the fact that the work function of mercury is less than the work function of the surface of the cathode base. Then for a long time (normal operation time - T _ex ) it remains stable (pores are filled with mercury). After that, the voltage rises to the initial value (mercury is removed from the pores) and repeats curve 1.

Полученные результаты однозначно свидетельствуют о локализации разряда на ртутных включениях, что обеспечивает достижение положительного эффекта при использовании предлагаемого катода. Отличие ртути от других известных эмиссионных материалов заключается в том, что, во-первых, при распылении ртуть поступает в объем газоразрядного промежутка в виде газообразной примеси, а не сорбируется его конструкционными элементами и, во-вторых, в разряде происходит ионизация атомов ртути и их обратное поступление в поры катода. The results obtained clearly indicate the localization of the discharge on mercury inclusions, which ensures the achievement of a positive effect when using the proposed cathode. The difference between mercury and other known emission materials is that, firstly, when sprayed, mercury enters the volume of the gas-discharge gap in the form of a gaseous impurity, and is not sorbed by its structural elements, and secondly, ionization of the mercury atoms and their return to the pores of the cathode.

Получение максимального положительного эффекта возможно при полном насыщении объема толстопленочной основы катода ртутью, определяющем "запас прочности" приборов. Это достигается использованием материалов основы, поверхность пор которой содержит металл, активно взаимодействующий с ртутью (серебро, свинец, кремний). Obtaining the maximum positive effect is possible when the volume of the thick-film base of the cathode is completely saturated with mercury, which determines the "safety margin" of the devices. This is achieved by using base materials, the pore surface of which contains a metal that actively interacts with mercury (silver, lead, silicon).

Реализация предлагаемого изобретения осуществлялась на макетах газоразрядных приборов, толстопленочные катоды которых изготавливались из пасты, содержащей бориды никеля, легкоплавкое свинцово-содержащее стекло и органический биндер. В качестве газового наполнения приборов использовалась смесь газов Ne+1% Ar. Насыщение объема катодов ртутью осуществлялось введением паров ртути в объем изготовленных приборов и их предварительной тренировкой в условиях повышенных температур (100-150^oС). В этом случае ртуть вытесняет из Пеннинг-процесса, поддерживающего протекание тока через газоразрядный промежуток, инертный газ (Аr) и в приборах устанавливается "ртутный" разряд, при котором поверхность катодов облучается, в основном, ионами ртути. В результате происходит насыщение объема пористой основы катодов ртутью. Этому процессу способствует обогащение поверхности пор катода металлом, смачиваемым ртутью.The implementation of the invention was carried out on the models of gas-discharge devices, thick-film cathodes of which were made of paste containing nickel borides, low-melting lead-containing glass and an organic binder. A gas mixture of Ne + 1% Ar was used as the gas filling of the devices. Saturation of the cathode volume with mercury was carried out by introducing mercury vapor into the volume of the manufactured devices and their preliminary training at elevated temperatures (100-150 ^o C). In this case, mercury displaces from the Penning process, supporting the flow of current through the gas-discharge gap, inert gas (Ar), and a “mercury” discharge is established in the devices, in which the surface of the cathodes is irradiated mainly with mercury ions. As a result, the volume of the porous base of the cathodes with mercury is saturated. This process is facilitated by the enrichment of the pore surface of the cathode with a metal wetted by mercury.

Достигаемое время эксплуатации приборов (Т_экс) при минимальном уровне рабочих напряжений зависит от продолжительности процесса насыщения катодов ртутью (Т_н) - таблица.The achieved operating time of the devices (T _ex ) at a minimum level of operating voltage depends on the duration of the process of saturation of the cathodes with mercury (T _n ) - table.

Из анализа полученных экспериментальных результатов следует, что по мере роста Т_н долговечность приборов увеличивается, достигая насыщения при Т_н, равной 6-7 часам. В этом случае долговечность приборов составляет ~5000 ч при плотности разрядного тока в 30-50 мА/см². Операция "пропитки" катодов ртутью может быть многократно повторена, что обеспечивает дополнительное повышение их срока службы.From an analysis of the obtained experimental results, it follows that as T _n grows, the durability of the devices increases, reaching saturation at T _n equal to 6-7 hours. In this case, the durability of the devices is ~ 5000 h at a discharge current density of 30-50 mA / cm ² . The operation of “impregnating” the cathodes with mercury can be repeated many times, which provides an additional increase in their service life.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить распыление в разряде материала основы катода, увеличивая тем самым долговечность приборов. Thus, the present invention allows to reduce the spraying in the discharge of the base material of the cathode, thereby increasing the durability of the devices.

Claims

The cathode of a gas-discharge device, consisting of a porous base filled with an emission substance, characterized in that mercury is used as the emission substance, and the surface of the pores of the base contains metal wetted by mercury, while the work function of the cathode base material exceeds the work function of mercury.