СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2016 года по МПК H01J9/02 

Изобретение относится к технологии получения материалов, поверхность которых обладает стабильными электрофизическими свойствами, в частности электродов газоразрядных и электровакуумных приборов (холодных катодов газоразрядных лазеров, контакт-деталей герконов, электродов масс-спектрометров и др.).

К важным проблемам, имеющим место при эксплуатации электронных приборов, относится изменение состояния поверхности их конструкционных элементов (электродов), участвующих в создании и поддержании электрического тока. Одна из наиболее распространенных причин наблюдаемого явления заключается в образовании на поверхности электродов полимерных углеводородных пленок. Формирование таких пленок происходит при облучении поверхности электродов потоками электронов или ионов, сопровождающих работу приборов, в случае наличия в их наполнении паров органических соединений (Christy R.W. J. Appl. Phys.,1960, vol. 31, №9, p. 1680; Филатов B.H., Сысоев A.A. Химия высоких энергий, 1981, т. 15, №5, с. 474). Органические соединения присутствуют в наполнении приборов вследствие их масляной откачки, химической обработки конструкционных элементов или нахождении в атмосфере.

Образование полимерных покрытий под действием электронной или ионной бомбардировки обусловлено диссоциацией молекул органических веществ, находящихся в конденсированном состоянии на поверхности электродов. При диссоциации многоатомных молекул происходит образование радикалов - осколков молекул. Они представляют собой валентно ненасыщенные частицы, проявляющие высокую химическую активность. Радикалы вступают в реакции взаимодействия друг с другом и с молекулами недиссоциированных веществ, стимулируя рост полимерных покрытий.

Полимерные углеводородные покрытия обладают электрическим сопротивлением порядка 10¹⁴ Ом·см и пробивным напряжением до 10⁵ В/см. В результате в процессе эксплуатации приборов изменяются электрофизические параметры поверхности электродов. Из-за зарядки полимерных покрытий на них возникают нестационарные «блуждающие» потенциалы и изменяется исходное распределение электрического поля. Данные обстоятельства приводят к неконтролируемому изменению эксплуатационных характеристик приборов.

В связи с этим особое значение при изготовлении электронных приборов приобретает разработка технологических приемов, позволяющих исключить или минимизировать процессы образования полимерных углеводородных покрытий и их влияние на свойства поверхности электродов.

Известен способ удаления полимерных покрытий с поверхности электродов химическим травлением (Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Евдокимова М.И. Способ удаления полимерных углеводородных пленок с поверхностей электродных систем анализаторов масс-спектрометров и электронно- и ионно-оптических систем. - АС СССР №1362352, 1985 г.).

Однако использование этого способа предполагает вскрытие приборов и демонтаж электродных систем. Данная процедура трудоемка, а в большинстве случаев просто неприемлема.

Известен способ удаления полимерных покрытий с поверхности электродов путем предварительного нанесения на нее легкоплавкого металла (например, индия) с последующим периодическим нагревом электродных систем приборов до температуры, превышающей его температуру плавления (Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Овчинников С.П. Способ изготовления и обработки электродных систем анализаторов масс-спектрометров и электронно- и ионно-оптических систем. - АС СССР №1521163, 1988 г.).

В этом случае не требуется вскрытие приборов, а удаление полимерных покрытий обеспечивается за счет их разрушения силами поверхностного натяжения расплавленного металла.

Однако данный способ имеет ограниченное применение и не может использоваться, например, в газоразрядной технике. Кроме того, при нагреве приборов происходит активная диффузия индия внутрь электродов, что приводит к прогрессирующей потере эффективности используемого технологического приема.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ изготовления электродов электронных приборов, включающий облучение их поверхности потоком ионов инертного газа, получаемым из плазмы газового разряда (Плешивцев Н.В. Способ ионной обработки деталей машин и инструментов и устройство для его осуществления. - Патент РФ №2078847, опубл. 10.05.1997 г. - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что обрабатываемые материалы облучаются ионами аргона при давлении 0,7-4,7 Па в специальной газоразрядной камере.

В результате способ позволяет осуществлять обработку поверхности электродов только на стадии их изготовления на специальном оборудовании, оснащенном газоразрядной камерой, обеспечивающей возбуждение и поддержание высоковольтного разряда. Возбуждение данного типа разряда в электронных приборах произвольной конструкции не представляется возможным.

Задачей данного изобретения является упрощение технологии обработки электродов.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном способе изготовления электродов электронных приборов, включающем облучение их поверхности потоком ионов инертного газа, получаемым из плазмы газового разряда, объем прибора наполняется неоном до давления (1,5-5,0)·10¹ Па, к требуемому электроду подводится отрицательный потенциал и возбуждается аномальный тлеющий разряд между данным электродом и каким-либо другим металлическим конструкционным элементом прибора, при этом обработку поверхности электрода прекращают после стабилизации напряжения поддержания разряда.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет использования в качестве инертного газа неона и выбора оптимального режима обработки поверхности электродов в аномальном тлеющем разряде. При этом происходит удаление с поверхности электродов углеводородных островковых образований, выполняющих функцию центров роста углеводородных полимерных покрытий. После полного удаления центров роста полимерные покрытия на поверхности электродов не образуются, несмотря на присутствие в наполнении приборов паров органических соединений.

Указанный эффект наблюдается только при использовании в качестве инертного газа неона. Попытки применять для обработки поверхности электродов ионы аргона, гелия и ксенона не обеспечивали достижение положительного эффекта. Данное обстоятельство, вероятно, связано с эффективным разрушением углеводородов при их облучении именно ионами неона.

При давлении неона, меньшем 1,5·10¹ Па, затруднительно возбуждение аномального высоковольтного тлеющего разряда в приборах произвольной конструкции. При давлении неона, большем 5,0·10¹ Па, значительно падает эффективность очистки поверхности электродов. В этом случае в потоке ионов, поступающих на поверхность электродов в разряде, падает доля «быстрых» ионов с энергией, превышающей пороговые значения, необходимые для разрушения углеводородов (десятки электрон-вольт).

Положительный эффект от использования изобретения обусловлен возможностью формирования поверхности электродов со стабильными электрофизическими свойствами непосредственно внутри разных типов электронных приборов, в объеме которых присутствуют пары органических соединений, без их разгерметизации и демонтажа.

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

Один из вариантов реализации предложенного способа изготовления электродов со стабильными электрофизическими свойствами выполнен на экспериментальных макетах диодной конструкции. Каждый макет представлял собой стеклянную колбу, внутри которой располагались алюминиевый цилиндрический 1 и штыревой молибденовый 2 электроды (фиг. 1). Первый выполнял роль катода, второй - анода газоразрядного промежутка. Макеты проходили стандартную термовакуумную обработку (использовались масляные средства откачки), включающую окисление поверхности катода, и наполнялись неоном. После этого между катодом и анодом возбуждалась требуемая разновидность тлеющего разряда в инертном газе.

На фиг. 2 приведены зависимости напряжения поддержания разряда (U_пр) от времени воздействия на электрод (катод) тлеющего разряда, снятые в различных условиях:

- кривая 1 получена непосредственно после изготовления макетов при давлении неона 4·10² Па и плотности тока на катоде 0,3 мА/см²;

- кривая 2 получена при давлении неона 4·10¹ Па;

- кривая 3 контролировалась после обработки поверхности катода предлагаемым способом при давлении неона 4·10² Па и плотности тока на катоде 0,3 мА/см².

Способ реализуется следующим образом.

Изготовленные макеты проходили полный цикл термовакуумной обработки и наполнялись неоном до давления 4·10² Па. Затем при токе разряда, равном 0,3 мА/см², контролировались зависимости U_пр от времени воздействия на поверхность катода (электрод прибора) разряда (кривая 1 на фиг. 2). Эти зависимости характеризуют исходное состояние катода. Монотонный рост U_пр вызван образованием на поверхности катода полимерных углеводородных образований.

При использованном давлении в потоке ионов неона, поступающих на поверхность катода, отсутствуют «быстрые» ионы, способные разрушать данное покрытие.

Макеты, прошедшие первичные тестовые испытания, откачивались до давления остаточных газов 6·10^-3 Па и наполнялись неоном до давления 4·10¹ Па. Последующая обработка катодов в аномальном тлеющем разряде приводила к достаточно быстрому уменьшению U_пр, которое затем стабилизировалось на постоянном уровне (кривая 2 на фиг. 2). Ток разряда при этом был нестабилен и поддерживался в диапазоне 0,2-0,4 мА/см².

Наблюдаемые закономерности свидетельствуют о достижении условий удаления с поверхности катодов полимерных образований. Данное обстоятельство связано с тем, что уменьшение давления неона до 4·10¹ Па приводит к обогащению потока ионов ускоренными составляющими, которые эффективно разрушают инородные включения на поверхности катода.

Далее макеты, прошедшие обработку предлагаемым способом, откачивались до давления остаточных газов 6·10^-3 Па, наполнялись неоном до давления 4·10² Па и на них при токе разряда, равном 0,3 мА/см², контролировались зависимости U_пр от времени воздействия на поверхность катода разряда (кривая 3 на фиг. 2).

Анализ полученных экспериментальных зависимостей показывает, что, во-первых, U_пр устанавливается на минимально возможном для данного типа катодов уровне, во-вторых, U_пр остается стабильным в пределах ±2 В в течение 1000 часов (далее эксперименты не проводились).

Таким образом, приведенный пример реализации предлагаемого способа демонстрирует его высокую эффективность, экспрессность и повторяемость.

Использование предлагаемого технического решения позволит получить экономический эффект за счет возможности получения электродов с долговременно стабильными свойствами поверхности непосредственно в изготовленных электронных приборах без их разгерметизации и демонтажа.

Изобретение относится к технологии получения материалов, поверхность которых обладает стабильными электрофизическими свойствами, в частности электродов газоразрядных и электровакуумных приборов (холодных катодов газоразрядных лазеров, контакт-деталей герконов, электродов масс-спектрометров и др.). Способ изготовления электродов электронных приборов включает в себя облучение их поверхности потоком ионов инертного газа, получаемым из плазмы газового разряда, при этом объем прибора наполняется неоном до давления (1,5-5,0)·10¹ Па, к требуемому электроду подводится отрицательный потенциал и возбуждается аномальный тлеющий разряд между данным электродом и каким-либо другим конструкционным элементом прибора, при этом обработку поверхности электрода прекращают после стабилизации напряжения поддержания разряда. Технический результат - упрощение технологии обработки электродов. 2 ил.

Способ изготовления электродов электронных приборов, включающий облучение их поверхности потоком ионов инертного газа, получаемым из плазмы газового разряда, отличающийся тем, что с целью упрощения технологии обработки объем прибора наполняется неоном до давления (1,5-5,0)·10¹ Па, к требуемому электроду подводится отрицательный потенциал и возбуждается аномальный тлеющий разряд между данным электродом и каким-либо другим конструкционным элементом прибора, при этом обработку поверхности электрода прекращают после стабилизации напряжения поддержания разряда.