СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭМИССИИ КАТОДОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК Российский патент 1995 года по МПК H01J9/50 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для стимулирования работы электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) с оксидным термокатодом, в частности при их восстановительном ремонте, а также в производстве при восстановлении продукции из брака.

Известны способы восстановления тока электронного луча электронно-лучевых трубок с оксидным термокатодом путем стимулирования их эмиттирующей способности, заключающиеся в термической обработке эмиссионного слоя катода с последующей обработкой деталей электронно-ускоряющей системы (УС) электронным пучком. Недостаток указанных способов заключается в том, что режимы проведения операций по восстановлению ЭЛТ не учитывают реального физико-химического состояния катода и других составляющих элементов ЭЛТ перед ее восстановлением. Эффективность ремонта и срок службы восстановленных приборов при этом невелики.

Известен также способ ремонта электронно-лучевых трубок путем восстановления эмиссии катода, в котором при проведении восстановления предварительно проводится комплекс диагностических операций, в частности по измерению максимального тока катода I_к, по которому определяют коэффициент качества катода и степени загазованности ЭЛТ, в соответствии с которыми задают те или иные режимы проведения восстановительных операций, в частности температуры термообработки катода, длительности и напряжений обработки электронным пучком модулятора, или же делают заключение о полной непригодности ЭЛТ [1]
Недостатком известного способа заключается в том, что в нем в недостаточной степени учитывается состояние активного слоя катода, который в наибольшей степени отвечает за работу ЭЛТ. Отсутствие в способе диагностики состояния эмиттирующего слоя катода и учета его в проведении восстановительных операций резко снижает эффективность ремонта ЭЛТ. Срок удовлетворительной работы восстановленных ЭЛТ при этом невелик.

Целью изобретения является повышение эффективности восстановления электронно-лучевых трубок и увеличение срока их послеремонтной службы.

Для достижения этой цели, в способе восстановления электронно-лучевых трубок, в котором перед проведением восстановительных операций проводится комплекс измерений, в частности ток катода I_к, при подаче на электроды ЭЛТ номинальных напряжений и в соответствии со значениями измеренных величин делают заключение о целесообразности проведения восстановления и режимах проведения восстановительных операций, в частности температуры и длительности термообработки катода и напряжения и длительности обработки электронным пучком деталей ускорительной системы, в процессе диагностики ЭЛТ дополнительно измеряют спад катодного тока (СКТ) при кратковременном отключении накала Δ I_к/Δt, где Δ t фиксированный промежуток времени с момента отключения накала, а также кривую изменения тока эмиссии с катода на модулятор от напряжения накала при заземлении всех электродов УС (накальную характеристику) I₀= f(U_к), где I₀ нулевой ток катода, U_н напряжение на подогревателе катода, исходя из результатов измерения, делают вывод о ремонтопригодности ЭЛТ и выбирают режимы проведения операций восстановления ЭЛТ. Причем вывод о ремонтопригодности ЭЛТ делают по накальной характеристике нулевого тока катода, а при выполнении одного из условий I₀^н<20 мкА, 20 мкА ≅ I₀^н ≅ 50 мкА; I₀^н>50 мкА, где I₀^н нулевой ток с катода на модулятор при нормальном напряжении накала, термообработку катода проводят соответственно по одному из режимов 1300-1350^оС 20 с; 1000-1050^оС 2 мин; 920-950^оС 2 мин;
1050-1100^оС 1,5-2 мин; 920-950^оС 2 мин;
1000-1050^оС 2 мин; 920-950^оС 2 мин;
а обезгаживание ускоряющего электрода и модулятора при спаде катодного тока по прошествии 2 с после выключения накала ΔI_к² ≅ 40% проводят по режиму U_у 360 В 15 мин, U_у 380-400 В 5 мин, U_у 360 В, U_м 10-15 В 0,3-0,7 мин; U_у 360 В 5 мин; а при ΔI_к²>40% U_у 360 В 15 мин; U_у 380-400 В 30 мин; U_у 360 В, U_м 10-15 В 0,3-0,7 мин; U_у 360 В 5 мин; а после обезгаживания ускоряющего электрода и модулятора проводят конечное обезгаживание катода прокаливанием его при температуре 980^оС в течение 5 мин, где U_у и U_м напряжения соответственно на ускоряющем электроде и модуляторе.

По данным, которыми располагают заявители, им неизвестны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения с достижением поставленной цели изобретения. Следовательно, данное техническое решение следует считать соответствующим критериям, предъявляемым к изобретению.

На фиг. 1 изображена электрическая схема измерения нулевого тока катода I₀, т.е. потока электронов с катода на ближайший к нему электрод модулятор в отсутствии на нем и на всех других электродах ЭЛТ напряжений. Все электроды ЭЛТ в данной измерительной схеме заземлены, причем катод к "земле" присоединен через микроамперметр. На фиг. 2 даны два характерных графика I₀=f(U_н), по которым делают заключение о том, следует ли производить восстановительный ремонт ЭЛТ, на фиг. 3 примерные графики спада катодных токов I_к, например красного (к), зеленого (з) и синего (с) электронных лучей для цветного кинескопа, во времени, начиная с момента отключения накала.

Физическим обоснованием способа является тот факт, что изменение нулевого тока катода дает неискаженную информацию о состоянии эмиттирующего слоя катода, поскольку при этом на других электродах отсутствуют напряжения, вуализирующие своим воздействием картину состояния поверхностного слоя катода (в противоположность измерению I_к в прототипе, которое измеряется при рабочих напряжениях на электродах ЭЛТ). Ток катода, подключенного к измерительному прибору по схеме фиг. 1 определяется при этом следующими факторами: работой выхода электронов из поверхностного слоя катода, площадью, участвующей в эмиссии электронов с поверхности катода, и расстоянием катод-модулятор. Авторами экспериментально установлено, что доля вклада разброса расстояния катод-модулятор в изделиях одного вида невелика, поскольку достигнутая в массовом производстве точность сборки ЭЛТ с применением калибровки обеспечивает минимальные разбросы этого расстояния, которые на разброс тока I₀ влияет лишь в пределах 10-15% Разброс площади, участвующей в создании нулевого тока I₀, также сказывается незначительно, поскольку точность этого фактора в производстве ЭЛТ выдерживается еще выше (порядка 0,1%).

Авторами было установлено, что основную роль в вариациях I₀ играет именно состояние эмиттирующей поверхности катода (коэффициент корреляции не менее 0,8). Поэтому влияние состояния эмиттирующего слоя катода на нулевой ток I₀ оказывает решающее значение, а высокая достоверность этого влияния в данном способе использована для предвосстановительной диагностики ЭЛТ.

Из анализа графиков изменения нулевого тока катода от напряжения накала (накальной характеристики) выявляют причину малости тока луча, по которой наблюдается основная доля (более 50%), неисправностей ЭЛТ. В частности, на фиг. 2 изображены два характерных случая (а) и (б) накальных характеристик, в которых малость тока катода I_к^н при номинальном напряжении накала 6,3 В обусловлена различными причинами. На графике (а) при номинаьном напряжении накала, равном 6,8 В нулевой ток I₀^н=11 мкА. Накальная характеристика его при этом свидетельствует о том, что это значение нулевого тока является предельным, поскольку дальнейшее повышение накального напряжения на его величину уже не влияет. Причина малости тока катода в этом случае разрушение активного слоя катода. Очевидно, что такие ЭЛТ восстановлению не подлежат. Хотя нулевой ток I₀^н при номинальном напряжении накала 6,3 составляет лишь 3 мкА, т. е. меньше, чем у предыдущего, однако из графика (б) видно, что точка I₀^н находится на восходящем участке накальной характеристики и при дальнейшем повышении напряжения накала тока I₀ катода возрастает. Это факт свидетельствует о том, что причина малости тока катода ЭЛТ заключается в слабой активировке эмиттирующего слоя катода. ЭЛТ в этом случае к восстановлению пригодна, а режим термообработки катода при этом выбирают, исходя из значения тока I₀^н при нормальном напряжении накала (U_н=6,3 В). В частности, при I₀^н менее 20 мкА (ток эмиссии очень мал) катод вначале подвергают термоудару быстрым нагревом до температуры порядка 1300-1350^оС подачей на подогреватель (2-2,1)U_н в течение 20 с, после чего температуру снижают до 1000-1050^оС снижением напряжения на подогревателе до 1,6 U_н и выдерживают катод при этой температуре 2 мин, затем еще раз понижают температуру до 920-950^оС снижением накала до 1,4 U_н и выдерживают еще 2 мин. При этом в процессе 1-ой стадии термообработки под действием высокой температуры вещество поверхностного истощенного слой претерпевает интенсивно физико-химические превращения со смещением кинетики процесса химического разложения карбонатов в сторону образования свободного бария, играющего решающую роль как центров активации в эмиссии электронов из оксидного слоя катода. На втором этапе разложение карбонатов продолжается, но процесс идет в основном на образование окиси бария с одновременной диффузией атомов бария из нижних слоев, где его образовалось несколько больше на первом этапе (из-за более высокой температуры в глубинных слоях) к поверхности, где атомы бария образуют островки эмиссии.

При токе I₀^н=20-50 мкА (эмиссия катода мала) активиpование эмиссионного слоя производят прокаливанием катода при повышенной температуре 1050-1100^оС подачей на подогреватель 1,8 U_н в течение 1,5-2 мин, после чего также производят стабилизацию эмиссионного слоя по режиму, аналогичному предыдущему случаю, т.е. при температуре 920-950^оС в течение 2 мин. При I₀^н более 50 мкА (эмиссия понижена) активирование производят на температуре, не превышающей 1000^оС путем прокаливания катода при напряжении накала 1,8 U_н в течение 2 мин с последующей стабилизацией при температуре 920-950^оС в течение 2 мин.

После активирования эмиттирующего слоя катода проводят обезгаживание ускорительного электрода и модулятора от сорбированных ими частиц газа, образованного в процессе активирования, в основном из которых составляют молекулы СО₂, а также от частиц, ранее сорбированных в процессе работы ЭЛТ (если факт использования ЭЛТ был). Режим проведения обезгаживания выбирают в зависимости от измеренной величины спада катодного тока (СКТ), на который существенно влияет загазованность деталей ускорительной системы (УС). Информационное значение спада катодного тока, который измеряют при отключении накала катода заключается в том, что спад катодного тока определяется с одной стороны снижением температуры катода по экспоненте из-за его остывания, а с другой стороны, влиянием положительных ионов, которые, исходя из деталей УС, под действием электрического поля направляются в сторону катода и попадают на его эмиттирующий слой, нейтрализуя при этом активные центры эмиссии электронов. Причем при снижении температуры катода после выключения накала динамическое равновесие между конкурирующими процессами нейтрализации и восстановления этих центров с показателем экспоненты, значительно большей, чем указанная выше температурная, смещается в сторону гашения активаторов эмиссии. Вследствие этого при загазованности деталей УС СКТ повышается в соответствии со степенью их загазованности. Поэтому в соответствии с измеренным значением СКТ выбирают соответствующие режимы проведения операций обезгаживания ускоряющего электрода и модулятора. Напряжения накала U_н, на модуляторе U_м и на ускоряющем электроде U_у во время измерения СКТ для данного типа прибора подбирается экспериментально в тех участках электрических характеристик, в которых проявляется наибольшая чувствительность состояния активности катода к температурным изменениям катода. Для конкретного типа ЭЛТ значения этих параметров индивидуальны. В частности, для кинескопов 51ЛК2Ц СКТ определяют в режиме: U_н 6,5 B, U_м 1 B, U_у 200 В; для 61ЛК4П U_н=5,5 В, U_м=-1 В, U_у=200 В. Спад катодного тока определяют в процентах уменьшения тока катода по прошествии 2 с после выключения накала подогревателя.

При СКТ Δ I_к менее 40% операции обезгаживания деталей УС проводят по режиму, представленному в табл. 1, где U_н напряжение накала, B; U_у напряжение на ускорительном электроде, В; U_м напряжение на модуляторе, B; t время проведения операции, мин; T, ^oC температура катода. При СКТ ΔI_к более 40% обезгаживание проводят по режиму табл. 2.

При задании режимов этапов обезгаживания авторы руководствовались следующим соображениями. 1-й этап обезгаживания ускорительного электрода путем разогревания его электронами с катода, ускоренными напряжением 360 В, создает начальный, достаточно медленный режим испарения освещенных на электрод частиц, способствующий испарению их в вакуумное пространство ЭЛТ и сорбированию их достаточно холодными внутриполостными элементами ЭЛТ, например боковыми стенками колбы. Для проведения первого мягкого режима достаточно 15 мин. По мере того, как значительная часть сорбированных ускорительным электродом частиц удаляется, режим дегазации ужесточается поднятием напряжения на ускорительном электроде до 380-400 В, что дает возможность значительно интенсифицировать процесс обезгаживания и сократить необходимые для этого затраты времени. При этом для проведения 2-го ужесточенного этапа достаточно 5 мин, после чего напряжение на ускорительном электроде снижают до 360 В, поддерживая при этом на нем довольно высокую начальную температуру (для предотвращения сорбции), а ток с катода перераспределяют на модулятор подачей на последний 10-15 В, поднимая таким образом его температуру для его обезгаживания. Величину напряжения на модуляторе для его дегазации в отличие от других аналогов поднимают значительно выше и исходят из того, чтобы суммарная энергия электронов при попадании их на модулятор превышала суммарные затраты на ионизацию молекул сорбированных газов и работу выхода их из материала модулятора. При этом процесс обезгаживания электрода существенно ускоряется, поскольку предварительная ионизация частиц приводит к значительному усилению десорбции. Отравление эмиттирующего слоя катода на всех стадиях обезгаживания деталей УС предотвращается его значительным перегревом, для чего на подогреватель подают повышенное напряжение накала, равное 1,4 U_н. Температура катода при этом поддерживается равной 950^оС против номинальной 800^оС.

На этапах проведения обезгаживания одновременно происходит тренировка образованного в предыдущих операциях активированного слоя оксидного покрытия катода. В процессе выполнения операций обезгаживания, которые проводятся при повышенных температурах катода с подачей напряжений смещения на электроды УС, в эмиттирующем слое катода происходят активные физико-химические процессы, сопровождающиеся дрейфом из глубинных слоев к его поверхности образовавшихся в процессе термообработки активных частиц, металлов (Ba) и окислов, отвечающих за эмиссию электронов.

После проведения 3-го этапа этапа обезгаживания проводят два этапа стабилизации, первый из которых заключается в окончательном обезгаживании ускоряющего электрода от возможного оседания частиц с модулятора. Последним заканчивается обезгаживание катода, которое проводится при повышенной температуре порядка 980^оС при отключении напряжения на всех других электродах УС (ускоряющий электрод и модулятор заземлены).

Отработка и испытание способа произведена в промышленных условиях цеха по выпуску цветных кинескопов, в котором восстановлению эмиссии подвергались кинескопы, забракованные по току эмиссии катода, а также в условиях ремонтных мастерских бытового обслуживания населения, в которых восстанавливались кинескопы с утраченным током эмиссии в процессе длительной эксплуатации у потребителя. В первом случае восстановлению подвергались кинескопы типа 51ЛК2Ц, 59ЛК3Ц и 61ЛК4Ц, забракованные в технологической цепочке по основному параметру "мал ток луча". В сравнения с базовым способом восстановления, которой проводился в соответствии с аналогом и по которому из брака в технологический процесс возвращалось от 5 до 10% забракованной продукции, предлагаемый способ позволил возврат в технологический цикл поднять до 70% Количество рекламаций от потребителя при этом значительно сократилось.

В условиях ремонтной мастерской проводилось испытание способа на восстановлении отечественных черно-белых и цветных кинескопов всех типов, а также кинескопов зарубежного производства, в частности фирм "Hitachi", "Toschiba", "Coldstar" и др. отслуживших тот или иной срок работы в телевизорах. Испытание предлагаемого способа для их ремонта показали высокий процент восстановления прослуживших значительный срок кинескопов, причем независимо от фирмы-производителя кинескопов.

Использование: в электронной технике для стимулирования работы электронно-лучевых трубок. Сущность изобретения: в предремонтном измерении электрических характеристик электронно-лучевых трубок - спада катодного тока при отключении накала катода, а также кривой изменения тока эмиссии с катода на модулятор от напряжения на подогревателе катода, что позволяет повысить эффективность восстановления электронно-лучевых трубок. 3 ил., 2 табл.

СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭМИССИИ КАТОДОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК, заключающийся в измерении параметров тока катода и проведении восстановительных операций, отличающийся тем, что измеряют спад катодного тока ΔI/Δt при отключении накала катода, где Δt время с момента отключения накала катода, и зависимость изменения тока I₀ эмиссии с катода на модулятор от напряжения U_н на подогревателе катода, а решение о возможности восстановления эмиссии катода и о режимах проведения восстановительных операций принимают на основании значений измеренных параметров.