СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ Российский патент 2003 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к технологии изготовления гелий-неоновых лазеров с холодным катодом и может быть использовано в газоразрядной технике и микроэлектронике.

Одна из проблем, возникающих при изготовлении активных элементов газовых лазеров с холодным катодом, заключается в необходимости обеспечения их долговременно стабильной работы. Это достигается, в частности, созданием на поверхности холодного катода защитного оксидного покрытия. Такое покрытие должно, в свою очередь, обладать высокой вторично-эмиссионной способностью и однородностью электрофизических свойств.

Известны различные способы нанесения оксидных покрытий испарением в вакууме навесок требуемых материалов (Технология тонких пленок. Справочник под редакцией Л. Майссела, Р. Глэнга. - М.: Советское радио, 1977. - Т.1-2).

Однако использование этих методов затруднительно при формировании покрытий на изделиях сложной формы с протяженной внутренней рабочей поверхностью.

Известен способ изготовления активного элемента гелий-неонового лазера, в котором формирование защитного оксидного покрытия на поверхности катода осуществляется ее окислением в плазме тлеющего разряда (Трофимов Е.А и др. Получение защитных окисных пленок на полых катодах в тлеющем разряде кислорода. - Электронная техника. Сер. 6. Материалы. - 1973. - Вып.12. - С.3-10). Указанный способ позволяет получать качественные оксидные покрытия на металлической основе.

Однако использование данного способа при изготовлении активных элементов с полым катодом затруднено из-за особенностей распределения тока по поверхности катода. Эти распределения, контролируемые в разряде инертных газах и их смесях, содержащих кислород, существенно отличаются. При этом максимально окисленные участки катода не совпадают с зонами максимальной токовой нагрузки в готовом приборе.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ изготовления активного элемента гелий-неонового лазера с холодным катодом из сплавов на основе алюминия, включающий предварительный отжиг катода в вакууме не ниже 10^-5 мм рт.ст. и температуре 400-450^oС в течение 3-5 часов; сборку активного элемента, его герметизацию, откачку и обезгаживание; термическое окисление катода и наполнение активного элемента смесью рабочих газов (Киселева Л.И., Косенкова О.Я., Крютченко О.Н., Маннанов А.Ф., Носов А.А., Чиркин М.В. Способ изготовления активного элемента газового лазера с холодным катодом. - Патент РФ 2012943, 1994 г. - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в нем не достигается полное исключение дефектов оксидных покрытий в виде сквозных пор - результат структурных и фазовых неоднородностей поверхности материала катода. Наличие сквозных пор (мест усиленного катодного распыления) приводит к уменьшению ресурса работы катодов и активных элементов лазеров.

Задачей данного изобретения является повышение долговечности активного элемента гелий-неонового лазера.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном способе изготовления активного элемента гелий-неонового лазера с холодным катодом из сплавов на основе алюминия, включающим предварительный отжиг катода в вакууме не ниже 10^-5 мм рт.ст. и температуре 400-450^oС в течение 3-5 часов; сборку активного элемента, его герметизацию, откачку и обезгаживание; термическое окисление катода и наполнение активного элемента смесью рабочих газов, окисление катода производят вне активного элемента непосредственно сразу после окончания его предварительного отжига при установившейся температуре.

Кроме того:
- время нахождения окисленного катода в атмосфере не превышает 5 часов;
- обезгаживание активного элемента производят при температуре 100-300^oС;
- сразу после окончания обезгаживания активного элемента производят повторное окисление катода при установившейся температуре.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет выбора оптимального режима термического окисления поверхности катода, реализуемого при достижении температуры, равной 400-450^oС (в этом случае увеличивается толщина оксидного покрытия и активизируется процесс "залечивания" дефектных участков поверхности заготовок - мест потенциального образования сквозных пор в получаемом оксидном покрытии - посредством диффузии оксидообразующих компонентов катода, например, алюминия и магния), а также за счет:
- ограничения времени нахождения катода с оксидным покрытием в атмосфере 5 часами (оксидное покрытие формируется вне активного элемента, затем катод выносится на атмосферу и размещается в активном элементе). Этим достигается сохранение вторично-эмиссионных свойств поверхности катода, ухудшающихся под воздействием атмосферы (адсорбция паров воды, образование гидратов и карбонатов алюминия и магния);
- обезгаживания активного элемента при температуре, большей 100^oС и меньшей 300^oС. В этом случае реализуется эффективное удаление с поверхности катода примесей, ухудшающих его вторично-эмиссионные свойства и еще не происходит разрушение тонкопленочных покрытий зеркал активного элемента;
- повторного окисления поверхности катода, выполняемого сразу после окончания обезгаживания активного элемента, при установившейся температуре в диапазоне 100-300^oС. Данный прием приводит к удалению с поверхности катода углеводородных соединений и дополнительному "залечиванию" дефектных участков оксидного покрытия.

Положительный эффект от использования изобретения обусловлен повышением долговечности активного элемента гелий-неонового лазера за счет получения однородного, малодефектного оксидного покрытия поверхности холодного катода из сплавов на основе алюминия.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" и "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Предложенный способ изготовления активного элемента гелий-неонового лазера поясняется фиг. 1-3. При этом гистограмма на фиг.1 под индексом а) соответствует известному режиму окисления поверхности катода (прототип) - отжиг катода в вакууме вне активного элемента при температуре 450^oС в течение 5 часов и последующее окисление поверхности катода в активном элементе при температуре 400^oС в течение 1 часа); гистограмма под индексом б) иллюстрирует предлагаемый способ - отжиг катода в вакууме вне активного элемента при температуре 450^oС в течение 5 часов и его окисление непосредственно сразу после отжига при температуре 450^oС в течение 1 часа.

На фиг.2 приведена зависимость коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии поверхности катода, прошедшего цикл окисления, от времени его нахождения в атмосфере (при измерениях использовались ионы неона, ускоренные до энергии в 200 эВ).

Фиг. 3 представляет собой таблицу, в которой приведены результаты измерения коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии окисленных катодов, прошедших различную выдержку в атмосфере и последующий отжиг в вакууме при температуре 200^oС в течение 2 часов.

Способ реализуется следующим образом. Изготавливают катод требуемой формы из сплава на основе алюминия (например, АД-1), помещают его в специальную камеру, которую затем откачивают до вакуума не хуже чем 5•10^-5 мм рт.ст. , нагревают катод до температуры 400-450^oС и выдерживают его при данной температуре в течение 3-5 часов. После этого при установившейся температуре в камеру напускают кислород до давление 2-3 мм рт.ст. и производят в течение 1 часа окисление поверхности катода. Затем катод извлекают из камеры в атмосферу, осуществляют сборку, герметизацию, откачку, обезгаживание и наполнение активного элемента смесью рабочих газов.

Кроме того, время нахождения окисленного катода в атмосфере не должно превышать 5 часов, а обезгаживание активного элемента производят при температуре 100-300^oС в течение не менее 3 часов. Затем в активный элемент напускают кислород до давление 2-3 мм рт.ст. и в течение 1 часа при установившейся температуре (100-300^oС) производят повторное окисление поверхности катода.

Особенности распределения сквозных пор получаемого различными способами оксидного покрытия на катодах из сплава АД-1 представлены на фиг.1. Их анализ показывает, что окисление катодов, осуществляемое по предлагаемому способу, по сравнению с прототипом, приводит к уменьшению суммарной пористости покрытий и диаметра сквозных пор. Данные обстоятельства, наряду с ростом толщины покрытия на 30-40 нм, способствуют повышению устойчивости поверхности холодных катодов в газовом разряде (сквозная пора - участок катода, подвергающийся избирательной усиленной ионной бомбардировке).

Наблюдаемый положительный эффект связан с окислением катодов при повышенной температуре (предлагаемый способ: 400-450^oС; прототип: 300-400^oС). Кроме того температурная обработка активного элемента, начиная с температуры, равной 300^oС, приводит к разрушению или изменению электрофизических свойств тонкопленочных покрытий зеркал активного элемента, что негативно сказывается на параметрах лазера (падает мощность излучения).

При реализации предлагаемого способа неизбежен контакт окисленного катода с атмосферой (его извлекают из камеры и затем производят сборку активного элемента). Данный контакт приводит к ухудшению вторично-эмиссионных свойств поверхности катода - фиг.2. Однако, если время нахождения катода в атмосфере не превышает 5 часов, то коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии падает не более, чем на 10%. Более того, последующее обезгаживание активного элемента (отжиг прибора при температуре 100-300^oС в условиях постоянной откачки) позволяет восстановить вторично-эмиссионные свойства катодов - фиг.3. Однако, если время нахождения катодов в атмосфере превышает 5 часов, данное восстановление становится неэффективным. При температуре, меньшей 100^oС, не наблюдается восстановления эмиссионных свойств катода. Начиная с температуры, равной 300^oС, контролируется уменьшение выходной мощности излучения лазера (деградация электрофизических свойств покрытия зеркал активного элемента).

Дополнительное повышение качества оксидных покрытий достигается повторным термическим окисление катодов внутри активного элемента, осуществляемым на заключительной стадии его обезгаживания. В этом случае практически исчезают поры диаметром, большим 3 мкм, и на 3-5% уменьшается суммарная пористость покрытий.

Прямые испытания активных элементов, при изготовлении катодов которых использовался предлагаемый способ, показали увеличение времени их стабильной работы на 15-20%.

Изобретение относится к технологии изготовления активных элементов газовых лазеров с холодным катодом, газоразрядной технике и микроэлектронике. Предлагаемый способ включает в себя предварительный отжиг катода в вакууме не ниже 10^-5 мм рт.ст. и температуре 400-450^oC в течение 3-5 ч, сборку активного элемента, его герметизацию, откачку и обезгаживание; термическое окисление катода и наполнение активного элемента смесью рабочих газов. При этом окисление катода производят вне активного элемента непосредственно сразу после окончания его предварительного отжига при установившейся температуре. Кроме того, время нахождения окисленного катода в атмосфере не превышает 5 ч, обезгаживание активного элемента производят при температуре 100-300^oC, сразу после окончания обезгаживания активного элемента производят повторное окисление катода при установившейся температуре. Техническим результатом от использования данного способа является повышение долговечности активного элемента. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления активного элемента гелий-неонового лазера с холодным катодом из сплавов на основе алюминия, включающий отжиг катода в вакууме не ниже 5•10^-5 мм рт.ст. и температуре 400÷450^oС в течение 3÷5 ч, сбоку активного элемента, его герметизацию, откачку и обезгаживание, наполнение активного элемента смесью рабочих газов, а также термическое окисление катода, отличающийся тем, что окисление катода производят вне активного элемента непосредственно сразу после окончания его отжига при установившейся температуре и при этом время нахождения окисленного катода в атмосфере не превышает 5 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезгаживание активного элемента производят при температуре 100-300^oС. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сразу после окончания обезгаживания активного элемента производят повторное окисление катода при установившейся температуре.