СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛЬЮ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК H01J17/49 

Изобретение относится к области приборов тлеющего разряда с холодным катодом, в частности к газоразрядным индикаторным панелям (ГИЛ) постоянного тока и методам их управления.

Одна из основных проблем, возникающих при разработке и эксплуатации данного типа ГИП, заключается в необходимости обеспечения их срока службы на уровне 5-10 тыс часов, что достигается, в основном, путем снижения скорости распыления поверхности катодов ячеек ГИП в газовом разряде.

Известен способ управления ГИП постоянного тока, заключающийся в возбуждении и поддержании разряда в ячейках, заполненных инертным газом (см. патент США №4599076, кл. H01j 9/38, 1986).

Указанный способ не обеспечивает требуемого срока службы ГИП из-за интенсивного разрушения поверхности катода в газовом разряде.

Известен способ управления ГИП постоянного тока, заключающийся в возбуждении и поддержании разряда в ее ячейках, заполненных смесью инертных газов с парами ртути (см. патент США №2991387, кл. H01j 9/38, 1961). Присутствие в газовом наполнении ГИП паров ртути приводит к образованию на поверхности катодов ячеек ртутного покрытия, защищающего ее от разрушения в газовом разряде, и, как следствие, к увеличению срока службы приборов.

При управлении ГИП, согласно указанному способу, затруднено обеспечение однородного содержания паров ртути в ячейках ГИП, что приводит к разбросу их эксплуатационных параметров.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ управления ГИП постоянного тока, заключающийся в нагреве ГИП, возбуждении и поддержании разряда в ее ячейках, заполненных смесью инертных газов с парами ртути (см. патент США №2967965, кл. H01j 9/38, 1961 - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в этом способе несмотря на эксплуатацию ГИП при повышенной температуре (~100°C) не достигаются условия полного покрытия поверхности катодов ячеек однородным слоем ртути - эта температура не соответствует оптимальной. Поэтому в процессе управления ГИП указанным способом происходит разрушение поверхности катодов ячеек в газовом разряде, возбуждаемом, например, в смесях с высоким содержанием ксенона, и ограничивается, таким образом, их долговечность.

Задачей данного изобретения является разработка способа управления ГИП постоянного тока, позволяющего повысить ее долговечность путем создания в ячейках ГИП в процессе работы условий, обеспечивающих образование сплошного ртутного покрытия на поверхности катодов.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном способе управления ГИП постоянного тока, заключающемся в нагреве ГИП, возбуждении и поддержании разряда в ее ячейках, заполненных смесью инертных газов с парами ртути, нагрев производят до температуры, равной 0,7-1,0 от температуры, соответствующей началу роста напряжения поддержания разряда.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет выбора оптимальной температуры эксплуатации приборов, при которой на поверхности катодов ячеек ГИП формируется сплошное ртутное покрытие. Экранировка поверхности катодов от воздействия газового разряда слоем ртути обеспечивает требуемый ресурс работы приборов.

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 управления ГИП поясняется фиг.1-2, на которых представлены зависимости напряжения поддержания разряда (U_пр) в ячейках ГИП, в газовом наполнении которых присутствуют пары ртути.

Способ управления ГИП заключается в следующем. Изготовленные по общепринятой технологии ГИП, в газовом наполнении которых содержатся пары ртути, нагревают до температуры 0,7-1,0 от температуры, соответствующей началу роста U_пр, и поддерживают ее во время эксплуатации приборов. При этом достигается образование на поверхности катодов ячеек ГИП сплошного ртутного покрытия, защищающего ее от разрушения в газовом разряде. Обеспечение требуемой температуры осуществляют нагревательными элементами, размещенными внутри объема или на внешней поверхности ГИП.

При реализации известных способов управления ГИП (например, прототип) в ее газовое наполнение вводятся пары ртути, которые оказывают влияние на характеристики ГИП, в том числе и на долговечность. Это влияние вызвано двумя типами взаимосвязанных явлений, происходящими в объеме газоразрядного промежутка и на поверхности холодных катодов ячеек ГИП.

Наличие паров ртути изменяет коэффициент объемной ионизации (α) инертных газов, используемых для поддержания разряда в ГИП, вследствие реакции Пеннинга между метастабильными атомами газов и атомами ртути, а также ионизации последних прямым электронным ударом. При этом состав ионного потока, бомбардирующего поверхность катодов ячеек ГИП, обогащается ионами ртути, что приводит к изменению коэффициента вторичной ионно-электроной эмиссии (γ). На установившиеся значения α и γ влияют состав газового наполнения, материал катодов и температура ГИП.

При низкой концентрации паров ртути (10^-2-10^-1%) в чистых инертных газах преобладает рост α - U_пр уменьшается. Начиная с определенной критической концентрации паров ртути (критической температуры приборов T_кр), соответствующей началу роста U_пр, в ионной составляющей тока, поступающего на поверхность катодов ячеек ГИП, начинают превалировать ионы ртути. Замена ионов инертных газов на ионы ртути приводит к уменьшению γ - U_пр независимо от газового наполнения приборов возрастает. Значение T_кр однозначно связано с эффективностью процессов ионизации атомов ртути.

В смесях инертных газов рост U_пр становится заметным, когда ионизационные процессы, вызванные присутствием в объеме приборов паров ртути, начинают преобладать над ионизационными процессами между исходными газовыми компонентами - фиг.1-2.

Кривые 1-2 на фиг.1 получены для ГИП, наполненных смесью Ne+(1-2%)Ar при суммарном давлении 4·10⁴ Па. В них использовались катоды толщиной ~40 мкм, выполненные из никельсодержащей пасты, межэлектродный зазор составлял 100 мкм, ток номинальной эксплуатации одной ячейки - 200 мкА. Кривая 3 на фиг.1 получена на ГИП с катодами из поликристаллического никеля (наполнение Ne + 1% Ar). Фиг.2 контролировалась на ГИП, наполненных смесью газов 30% He + 45% Ne + 25% Xe при суммарном давлении 1,33·10⁴ Па. В них использовались катоды из титана, покрытого слоем алюминия, межэлектродный зазор составлял 350 мкм, ток номинальной эксплуатации одной ячейки - 1,2 мА.

При введении паров ртути в неон-аргоновую смесь, кроме основной реакции Пеннинга

возникают дополнительные ионизационные процессы:

По мере увеличения содержания ртути в приборах последовательно подавляются реакции (1-3) - из спектра излучения разряда исчезают характерные линии атомов и ионов инертных газов, а излучение соответствующих линий ртути становится преобладающим.

При использовании газовых смесей с бо′льшим содержанием аргона T_кр возрастает (фиг.1: кривая 1 - 1% Ar, кривая 2 - 2% Ar). В этом случае для подавления процесса (2) требуется, соответственно, и бо′льшая концентрация паров ртути. Переход к смесям He+Ne+Xe не влияет на общие закономерности наблюдаемых явлений. Однако, из-за того, что сечение Пеннинг-процесса у смеси Ne+Хе превышает соответствующее сечение для смеси Ne+Ar, T_кр возрастает (фиг.2).

Характер поведения U_пр в области температур, меньших T_кр, для пеннинговских смесей инертных газов менее однозначен. Критичность значений U_пр к материалу катода ячеек ГИП (фиг.1) невозможно объяснить изменениями только α. Эти факты свидетельствуют о существовании еще одного механизма воздействия паров ртути на параметры ячеек ГИП. Таким механизмом является адсорбция атомов ртути на поверхности катодов, приводящая к изменению ее вторично-эмиссионных свойств. Диапазон и направление данных изменений зависят от соотношения эмиссионных свойств материала катодов ячеек ГИП и ртути, а также от степени заполнения поверхности катодов адсорбированными атомами ртути (θ). Суммарный коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии поверхности катодов ячеек ГИП определяется в этом случае формулой:

где γ₁ и γ₂ - коэффициенты вторичной ионно-электронной эмиссии ртути и поверхности катодов соответственно.

Если эмиссионные параметры поверхности катодов и ртути близки, то γ и U_пр остаются неизменными во всем исследуемом температурном интервале. Это наблюдается, например, для ГИП с катодом из поликристаллического никеля - кривая 3 на фиг.1 (работа выхода никеля и ртути составляют 4,5 эВ). Если же эмиссионные параметры отличаются, то U_пр претерпевает заметные изменения - кривые 1-2 на фиг.1 (работа выхода толстопленочных никельсодержащих катодов равна 5-6 эВ).

Значение θ определяется двумя конкурирующими процессами: поступлением атомов и ионов ртути из объема газоразрядного промежутка ГИП на поверхность катодов и распылением ртутного покрытия ионной бомбардировкой. Первый процесс способствует увеличению θ - по мере нагрева приборов U_пр уменьшается (фиг.1-2). Второй приводит к ликвидации ртутного покрытия - первоначально существующая температурная зависимость U_пр становится менее выраженной.

Таким образом, влияние паров ртути на характеристики разряда ячеек ГИП, в наполнении которых присутствуют пары ртути, определяется совместным влиянием трех механизмов.

Первый механизм обусловлен воздействием паров ртути на интенсивность процессов объемной ионизации газового наполнения ячеек ГИП. В чистых инертных газах он приводит к увеличению α за счет Пеннинг-процесса между метастабильными атомами данного инертного газа и атомами ртути и, как следствие, к соответствующему снижению U_пр.

В смесях газов при температурах, меньших T_кр, влияние указанного механизма несущественно: тенденцию к увеличению α, связанную с присутствием в них паров ртути, компенсирует снижение вклада в поддержание разряда реакции Пеннинга между атомами инертного газа.

Второй механизм связан с изменением вторично-эмиссионных свойств катодов ячеек ГИП. Он также проявляется при температурах, меньших T_кр, при которых на поверхности катодов формируется ртутное покрытие. Если работа выхода поверхности катодов превышает работу выхода ртути, то при увеличении θ происходит снижение U_пр.

Третий механизм вызван изменением состава ионов, бомбардирующих поверхность катодов ячеек ТИП. Он реализуется при температурах, бо′льших T_кр, - в этом случае на поверхность катодов поступают преимущественно ионы ртути. В результате уменьшается γ и независимо от газового наполнения приборов увеличивается U_пр.

В интервале температур от 20°C до T_кр на поверхности катодов ячеек ГИП образуется ртутное покрытие. Оно защищает поверхность катодов ячеек ГИП от разрушения в разряде и выравнивает их вторично-эмиссионные свойства.

Результаты контроля температурных зависимостей U_пр ГИП, например, с никельсодержащими катодами (фиг.1, кривые 1-2) позволяют предположить, что формируемое покрытие имеет тонкопленочную природу.

При температуре, близкой к T_кр, значение U_пр ячеек ГИП равно U_пр, контролируемому в диодных конструкциях с катодами из ртути. Данный факт свидетельствует об образовании на поверхности катодов ячеек ГИП сплошного ртутного покрытия, обладающего свойствами объемного материала. Снижение температуры ГИП приводит к изменению состояния ртутного покрытия - оно переходит в островковую фазу. При этом уменьшается θ и, как следствие, возрастает U_пр.

Получение максимального положительного эффекта возможно в случае поддержания температуры ГИП, равной 0,7-1,0 от T_кр. При температуре, меньшей 0,7 T_кр, нарушается однородность ртутного покрытия катодов ячеек ГИП и снижается долговечность приборов. При температурах, бо′льших T_кр, в ионном потоке, поступающем на поверхность катодов, превалируют ионы ртути, что приводит к ликвидации ртутного покрытия и разрушению поверхности катодов.

Реализация предлагаемого способа осуществлялась на ГИП с катодами, выполненными из никельсодержащей пасты. Для различного газового наполнения ГИП контролировались зависимости долговечности приборов от их температуры: 1 - Ne; 2 - (Ne + 1% Ar); 3 - (Ne + 5% Ar).

Долговечность ГИП определялась по времени, в течение которого интенсивность излучения разряда, фиксируемая со стороны анода, уменьшается на 25%. Результаты испытаний приведены в таблице.

Температура приборов, °C Долговечность, час 1 2 3 20 2000 2000 2000 30 4600 5200 5000 40 6400 6000 5200 50 8000 6400 5600 60 8400 7200 6000 70 8800 8000 6400 75 9200 8400 6800 80 7200 8800 7600 90   9200 8000 100   7200 8400 105     8800 110     9000 115     9200 120     7600

Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что по мере роста температуры ГИП до T_кр их долговечность увеличивается (для неона составляет 75°C, смеси Ne + 1% Ar - 90°C, смеси Ne + 3% Ar - 115°C). Оптимальный температурный диапазон работы ГИП составляет 0,7-1,0 от T_кр. В этом случае срок службы ГИП возрастает по сравнению с общепринятым температурным режимом их эксплуатации (30-40°C) в 1,5-2,0 раза.

Изобретение относится к области приборов тлеющего разряда с холодным катодом, в частности к газоразрядным индикаторным панелям постоянного тока и методам их управления. Способ включает в себя нагрев газоразрядных индикаторных панелей постоянного тока, возбуждение и поддержание разряда в их ячейках, заполненных смесью инертных газов с парами ртути. При этом нагрев панелей производят до температуры, равной 0,7-1,0 от температуры, соответствующей началу роста напряжения поддержания разряда. Технический результат - повышение долговечности газоразрядных индикаторных панелей. 2 ил., 1 табл.

Способ управления газоразрядной индикаторной панелью постоянного тока, заключающийся в нагреве газоразрядной индикаторной панели, возбуждении и поддержании разряда в ее ячейках, заполненных смесью инертных газов с парами ртути, отличающийся тем, что нагрев производят до температуры, равной 0,7-1,0 от температуры, соответствующей началу роста напряжения поддержания разряда.