СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1996 года по МПК H01J17/49 H01J9/44 

Изобретение относится к газоразрядным приборам с холодным катодом, в частности к газоразрядным индикаторным панелям (ГИП) постоянного тока и методам их изготовления.

Одна из основных проблем, возникающих при разработке и эксплуатации ГИП постоянного тока, повышение их срока службы, что достигается в основном путем уменьшения эрозии поверхности холодных катодов (катодное распыление).

Известен способ изготовления ГИП постоянного тока [1] включающий последовательное изготовление анодных и катодных пластин, их сборку в пакет, герметизацию, откачку, наполнение смесью инертных газов и введение в смесь паров ртути. Введение в ГИП паров ртути приводит к увеличению срока службы приборов более чем на порядок.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе затруднено обеспечение однородности содержания ртути в ячейках ГИП, равноудаленных от ее источника. Это обстоятельство особенно заметно проявляется в ГИП с большой информационной емкостью и малым межэлектродным зазором.

Известен способ изготовления ГИП постоянного тока [2] включающий изготовление анодных и катодных пластин, их сборку в пакет, герметизацию, откачку, наполнение смесью инертных газов, введение в смесь паров ртути, термообработку приборов и их последующую тренировку. Операция термообработки ГИП способствует равномерному заполнению ртутью объема ячеек и улучшает их эксплуатационные параметры.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании такого способа, относится то, что в нем не реализуется процесс насыщения поверхности катода ртутью. В результате этого ограничивается технологический запас ртути в каждой ячейке ГИП и, как следствие, не достигается потенциально возможная долговечность приборов.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является способ изготовления ГИП постоянного тока [3] включающий изготовление диэлектрических пластин, анодных и катодных систем, их сборку в пакет, герметизацию, откачку, наполнение смесью инертных газов, введение в смесь паров ртути и тренировку в газовом разряде с одновременной термообработкой.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании этого способа, принятого за прототип, относится то, что в нем, несмотря на тренировку ячеек ГИП в условиях повышенной температуры (35-100^оС), не реализуется режим избирательного насыщения приповерхностных слоев катодов ячеек ртутью, что существенно увеличивает их эрозию в газовом разряде.

Задачей изобретения является создание способа изготовления, позволяющего получать ГИП постоянного тока с высокой долговечностью.

Данный технический результат достигается тем, что по способу изготовления ГИП, включающему изготовление диэлектрических пластин, анодных и катодных систем, их сборку в пакет, герметизацию, откачку, наполнение смесью инертных газов, введение в смесь паров ртути и тренировку в газовом разряде с одновременной термообработкой, тренировку каждой ячейки проводят при токе разряда, равном 1-4 рабочего тока ячейки, и температуре 100-200^оС в течение времени не менее 15 с.

Увеличение долговечности ГИП достигается за счет совмещения в едином технологическом цикле тренировки ячеек ГИП в газовом разряде и их термообработки при токе разряда 1-4 рабочего тока ячейки и температуре 100-200^оС. Это приводит к избирательной имплантации ионов ртути в поверхностный слой катодов ГИП. За время обработки каждой ячейки приборов, превышающее 15 с, достигается необходимый запас ртути в катодах, обеспечивающий дополнительный ресурс их эксплуатации.

В процессе проведенного анализа уровня техники не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения технического результата. Анализ также показал, что изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, так как не обнаружены технические решения, в которых была бы повышена долговечность ГИП за счет тренировки каждой ячейки при токе разряда, равном 1-4 рабочего тока ячейки, и температуре 100-200^оС в течение времени не менее 15 с. Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что изобретение соответствует требованиям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена зависимость напряжения горения разряда (U_г) в ячейках ГИП от их температуры; на фиг.2-4 представлены соответствующие зависимости времени восстановления исходного уровня U_г ячеек ГИП, зафиксированного после их предварительной термотренировки в различных условиях: фиг.2 от температуры ячеек, контролируемые при разных токах разряда (1 I_раб, 2 2I_раб, 3 2,5I_раб, 4 4I_раб) для времени его существования, равном 30 с, фиг.3 от тока разряда, контролируемые для различных времен тренировки (1 10 с, 2 30 с, 3 45 с, 4 60 с) при температуре ячеек, равной 130^оС, фиг.4 от времени тренировки в разряде, полученные при различных токах (1 0,8I_раб, 2 I_раб, 3 1,5I_раб, 4 2I_раб, 5 2,5I_раб, 6 4I_раб) и температуре ячеек, равной 130^оС.

Графики получены при исследовании ячеек макетов ГИП постоянного тока с введенными в них парами ртути. Макеты приборов изготавливались по единой общепринятой технологии, но отличались между собой конструкцией ячеек (толщиной и шириной никелевых электродов, межэлектродным зазором, давлением смеси газов из Ne + 1% Ar). Это приводило соответственно и к различным токам нормальной эксплуатации приборов (I_раб). В экспериментах I_раб составлял 100-1000 мкА.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. ГИП постоянного тока изготавливают по общепринятой технологии и на заключительной стадии в нее вводят пары ртути. Последующий нагрев прибора в условиях поддержания разряда в его ячейках позволяет изменить характер взаимодействия ртути с поверхностью катодов.

При реализации известных технологий изготовления приборов (например, прототип) введенная в ГИП парообразная ртуть создает на поверхности катодов ячеек постоянно регенерирующееся в условиях газового разряда адсорбированное покрытие. Это покрытие эффективно защищает поверхность катодов от разрушения в газовом разряде. Температура ячеек в условиях эксплуатации приборов составляет 50-70^оС.

Тренировка ячеек ГИП в условиях повышенной температуры (100-200^оС) усложняет процесс влияния ртути на разрядные процессы. Этот факт иллюстрирует фиг. 1, из которой следует, что статическое напряжение горения разряда, контролируемое в ячейках ГИП при I_раб, вначале по мере роста их температуры до 100^оС монотонно уменьшается, а затем начинает увеличиваться (Т ≥ 100^оС). Варьирование тока разряда не изменяет качественный характер контролируемой зависимости, которая может быть интерпретирована следующим образом. Уменьшение U_г в диапазоне температур 25-100^оС связано с образованием на поверхности катодов ячеек адсорбированного ртутного покрытия, что приводит к соответствующему повышению их вторично-эмиссионной эффективности. Повышение температуры ячеек приводит к увеличению концентрации паров ртути в объеме ячеек ГИП, а следовательно, и к увеличению степени покрытия поверхности катода адсорбированными атомами ртути. При этом возрастает скорость его регенерации в условиях ионной бомбардировки, сопровождающей газовый разряд. Начиная с температуры 100^оС наблюдается рост U_г (фиг.1). Характерно, что при этом из спектра излучения разряда практически исчезают линии ионов аргона и заметно возрастает интенсивность линий ионов ртути.

Данный факт свидетельствует о том, что происходит замена аргона на ртуть в исходной смеси Пеннинга (неон + 1% аргона). Замена аргона на ртуть (газовая добавка с меньшим потенциалом ионизации) приводит к двум основным последствиям. Во-первых, поток ионов, бомбардирующих катоды ячеек в этих условиях, состоит в основном из ионов ртути, эффективность потенциального вырывания которыми электронов с поверхности катодов существенно ниже, чем у ионов аргона растет U_г. Во-вторых, ионы ртути внедряются в поверхность катодов ртуть начинает диффундировать в объемные области катодов и также заполнять имеющиеся в их приповерхностных слоях микропоры.

Наличие этих двух взаимосвязанных процессов приводит к изменению исходного до обработки при температуре свыше 100^оС состояния приповерхностных слоев катодов они насыщаются ртутью. В связи с этим наблюдается гистерезис температурной зависимости U_г (фиг.1), вызванный тем, что при охлаждении ГИП в газоразрядных промежутках ячеек появляется избыток по сравнению с исходным состоянием концентрации паров ртути. Этот избыток обусловлен обратным поступлением ртути из поверхности катодов в газовую фазу, вызванным их ионной бомбардировкой, в которой по мере охлаждения возрастает удельный вес ионов аргона.

Существование эффекта избирательного насыщения поверхностных слоев катодов ячеек ртутью подтверждает наличие разницы между U_г ячеек до их термообработки в условиях разряда и после нее ( ΔU_г отрезок A_oA₂ на фиг.1), если охлаждение приборов осуществляется в отсутствие разряда (отрезок А₁А₂). Величина ΔU_г составляет 20-40 В в зависимости от условий термотренировки. Различно при этом и время восстановления исходного состояния ячеек (Δ τ время, в течение которого ΔU_г становится равным нулю из катода полностью удаляется избыток ртути). В связи с этим Δ τ определяет величину "запаса прочности" катодов, приобретенного после термотренировки ячеек ГИП, а следовательно, и дополнительный ресурс их работы. Действительно в течение Δ τ катоды ячеек ГИП работают в чрезвычайно выгодных условиях: U_г существенно ниже (точка А₂ на фиг. 1) меньше энергия ионов и соответственно эрозия катода; катод пропитан ртутью, которая имеет лучшую чем основной материал катода (никель) вторично-эмиссионную эффективность разряд локализуется на участках катода, содержащих ртуть, а разрушение основы катода при этом практически не происходит. В связи с этим Δ τ может быть использовано в качестве информативного параметра степени насыщения поверхностных слоев катодов ячеек ртутью и дополнительного увеличения их ресурса работы.

Зависимости Δ τ от различных факторов представлены на фиг.2-4. Из них следует, что повышение температуры, тока разряда и времени термотренировки приводит к соответствующему росту Δ τ.

Получение максимального положительного эффекта возможно при обработке ячеек ГИП в диапазоне температур 100-200^оС (фиг.2). Использование температур, меньших 100^оС, нецелесообразно, потому что в этом случае в потоке ионов, поступающих на катоды ячеек, велика относительная доля ионов аргона, что снижает эффективность их насыщения ртутью. Повышение температуры выше 200^оС не обеспечивает дополнительного роста Δ τ для всех используемых токов разряда наблюдается эффект насыщения температурной зависимости Δ τ. Данный эффект обусловлен полной заменой ионов аргона ионами ртути в используемой пеннинговской смеси газов в токопереносе через разрядный промежуток ячеек принимают участие только ионы ртути. Это означает, что устанавливается постоянный во времени поток ионов ртути на катод, величина которого зависит только от тока разряда.

Аналогичный вид имеют зависимости Δ τ от тока разряда, контролируемые после различных времен термообработки при температуре 130^оС (фиг.3). Они свидетельствуют о существовании динамического равновесия между процессами внедрения ртути в катоды и ее обратного выбивания ионной бомбардировкой, лимитирующего степень насыщения катодов ртутью.

Из полученных зависимостей следует, что для достижения максимального эффекта термотренировку ячеек ГИП целесообразно проводить при токах 1-4 рабочего тока ячеек. При меньших токах эффект насыщения катода ртутью слабо выражен. Использование токов, больших 4I_раб, недопустимо из-за возможности механического разрушения приборов.

Иной характер имеют зависимости Δ τ от времени обработки ячеек, контролируемые для разных токов разряда при температуре 130^оС (фиг.4). При этом наблюдается монотонный рост Δ τ. Характерно, что обработка катодов ячеек в течение десятков секунд приводит к появлению Δ τ, составляющего при нормальных условиях эксплуатации приборов десятки минут. Например, обработка ячеек ГИП током в 500 мкА в течение 60 с при температуре 130^оС обеспечивает равное 2 ч. При работе ГИП в импульсном режиме самосканирования разряда это время составляет ≈ 800 ч. Данное обстоятельство имеет принципиально важное значение для практической реализации изобретения применительно к ГИП постоянного тока с большой информационной емкостью.

При выборе минимально допустимого времени обработки ячеек ГИП необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, оно лимитировано общим временем обработки прибора (как правило, возможно одновременное включение элементов только одного столбца или строки) и, во-вторых, достижением Δ τ, обеспечивающим существенное увеличение ресурса работы ГИП.

Минимальное время обработки ячеек ГИП составляет 15 с. В этом случае контролируется существенное увеличение ресурса работы ячеек. Например, обработка катодов используемых макетов в статическом режиме током в 3 I_раб при температуре 130^оС в течение 15 с обеспечивается Δ τ, равное 1 ч. Это эквивалентно увеличению ресурса работы приборов при их эксплуатации в импульсном режиме на 400 ч (срок службы таких приборов обычно составляет 800 ч).

Выбор предельного времени обработки зависит от конкретных требований к технологии изготовления, материала катодов и условий эксплуатации ГИП.

Следует отметить три важных обстоятельства, установленных при исследовании вышеприведенных закономерностей. Во-первых, процесс насыщения катодов ячеек ртутью после восстановления их исходного состояния (Δ U_г 0) может быть многократно повторен. Во-вторых, на процесс насыщения не оказывает существенного влияния характер разряда (статический или импульсный). В обоих случаях Δ τ зависит от условий обработки и общей продолжительности воздействия разряда на катод. В-третьих, изменение конструкции ячеек ГИП (ширина электродов, межэлектродный зазор, давление наполнения смесью Ne + 1% Ar) приводит к различным токам нормальной эксплуатации приборов (I_раб). Но при этом качественный характер процесса избирательного насыщения катодов ячеек ртутью не изменяется. Во всех случаях положительный эффект наблюдается при осуществлении термотренировки ГИП при температуре, большей 100^оС, токе разряда, равном или превышающем I_раб, и продолжительности обработки катодов, по крайней мере равной 15 с.

Реализация предлагаемого способа осуществлялась применительно к ГИП постоянного тока на 640 х 400 ячеек. Катоды приборов изготавливались методом толстопленочной технологии из никельсодержащей пасты, наполнение Ne + 1% Ar при давлении 300 мм рт. ст. межэлектродный зазор составлял 140 мкм, I_раб 200 мкА.

Контролировалось Δ τ в зависимости от условий термотренировки ячеек ГИП и срок службы приборов (D). За D принималось время эксплуатации ячеек ГИП, в течение которого интегральная яркость их свечения уменьшалась на 95%
Результаты испытаний ГИП представлены в таблице.

Из анализа полученных экспериментальных результатов следует, что существует однозначная связь между D и Δ τ, доказана обоснованность разработанных условий термотренировки приборов, достигается положительный эффект от использования предложенного технического решения D возрастает более чем в два раза.

Использование предлагаемого способа изготовления ГИП постоянного тока в условиях промышленного производства позволит получить значительный экономический эффект за счет повышения их долговечности.

Использование: в матричных индикаторах информации, в способах их изготовления и тренировки. Сущность изобретения: по способу изготовления панелей путем сборки в пакет анодной и катодной систем, герметизации, откачки, наполнения и инертными газами с добавками паров ртути последующую тренировку панели проводят при токе разряда 1 - 4 рабочего тока и температуре 100 - 200^oС в течение времени не менее 15 с. 4 ил., 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, включающий изготовление диэлектрических пластин, анодных систем и катодных систем из материалов на основе никеля, их сборку в пакет, герметизацию, откачку, наполнение смесью инертных газов, введение в смесь паров ртути и тренировку ячеек в газовом разряде с одновременной термообработкой, отличающийся тем, что тренировку каждой ячейки проводят током разряда, равным 1 - 4 рабочего тока ячейки, при температуре более 100 и менее 200^oС в не менее 15 с.