Газоразрядный источник света Советский патент 1984 года по МПК H01J61/09 

Изобретение относится к гаэораз рядным устройствам с полым катодом j может быть использовано в светотехнике в качестве источника света, в плазмохимии для обработки поверхностей, iB микроэлектронике для нанесения тонких покрытий и в научных исследованиях для определения физических констант низкотемпературной плазмы. Известны газоразрядные устройства с полым катодом, выполненным в форме полого цилиндра с одним открытымтор цом. Анодом является плоский диск, расположенный против открытой полост или тонкий стержень, размещенный вдо оси полого цилиндрического катода I1J-C3J. Однако в таком полом катоде разря с эффектом полого катода может сушествовать только при одном определенном рабочем газе только при одном давлении. Наиболее близким к предлагаемому является газоразрядный источник света, содержащий герметичную камеру с разрядной полостью, образованной анодом и двумя катодами, заполненную рабочим газом до определенного давления,, при котором возникает эффект полого катода С Однако в известном источнике света эффект полого катода образуется строго только при одном давлении раб чего газа РО. При давлениях,, нескол ко больших . РО (Р немного Меньших Pjj(), эффект полого като да не создается,хотя в ряде практиче ких случаев необходимо иметь эффект полого катода при разных давлениях или в определенном интервале давлений рабочего газа с постоянной геоме рией полого катода, что усложняет эксплуатацию источника света. Цель изобретения - снижение эксппуатационных затрат при работе в интервале давлений рабочего газа. Поставленная цель достигается тем что в газоразрядном источнике света, содержащем герметичную камеру с разрядной полостью, образованной анодом и двумя катодами, заполненную рабочим газом до определенного давления, при котором возникает эффект полого катода, анод и катоды вьтолнены каждый в виде протяженной в одном направлении пластины, каждая из катодных пластин составляет с анодной угол более 90 , но мевее 150, отстоит от нее на расстоянии, обеспечивающем отсутствие разряда с эффектом полого катода, А ширина анодной пластины не превышает половины и не меньше 1/5 ширины каждой из катодных пластин. На чертеже представлено газоразрядное устройство с полым катодом, поперечный разрез. В цилиндрической прозрачной камере 1 разрядная полость образована анодной пластиной 2 и двумя катодными пластинами 3, расположенными под углом более 90 относительно анодной пластины 2. При этом края анодной пластины 2 отстоят на предельном расстоянии от соответствующих краев катодных пластин 3. Под предельным расстоянием понимается такое, при котором между анодом 2 и катодом 3 не возникает разряд, так как это расстояние при давлении, соответствующем разряду с эффектом полого катода, мало. При таком расстоянии разряд затруднен. В целом две катодные 3 и одна анодная 2 протяженные пластины образуют одну протяженную катодную полость 4 трапецевидного сечения, глубина которой превьш ает ее среднюю ширину. Катодные и анодные пластины имеют по одному вьшоду (не показан) из вакуумной камеры для включения разрядного промежутка в электрическую цепь. В предлагаемом устройстве при угле наклона катодных пластин относительно анодной менее 90 разрядные процессы затруднены в полом катоде. Кроме того, в направлении, перпендикулярном к анодной пластине, выход излучения плазмы полого катода ограг ничен самими катодными пластинами. Следовательно, при угле наклона катодных пластин относительно анодной 90 и менесу эффективность разряда с полым катодом падает. При большом развиле катодных (при угле более ) не происходит эффективного слияния отрица- тельных с вече НИИ. При угле 150 между катодной и анодной пластинами разряд с эффектом полого катода наблюдается только в гелии, а в аргоне и неоне этот предельный угол еще меньше С138 и 143° соответственно). Уменьшением давления не удается удержать эффект полого катода при угле развала более 150, так как значительная часть спившихся отрицательных свечей располагается вне катодной полости. В этом .случае концентрация электроно мала и их осцилляция слабая. Вследствие этого нет усиления разрядного тока и эффект полого катода не возникает. Таким образом, указанный интервал угла наклона 90° и 150 катодных пластин относительно анодной является оптимальным для устройства с полым катодом, работающим не при одном, а в интервале давлений. Размер ширины анодной пластины обусловлен следующими соображениями. Ширина анодной пластины не должна быть больше половины ширины катодной пластины, поскольку не создается достаточная глубина катодной полости необходимой для возникновения эффекта полого катода. Ширине анодной плас тины более половины катодной приводит к большой диффузии зарядоносителей из мелкой катодной полости. Создание глубокой катодной полости при малой ширине анодной полости (менее 1/5 катодной) создает хорошие условия для развития эффекта полого Катода. Но при малой ширине анодной полости уменьшается интервал давления газа, при котором в предлагаемом устройстве остается разряд с эффектом полого катода. Кроме того, с узкой анодной пластиной уменьшается поверхность плазмы полого катода,с которой происходит излучение светового потока. Шнимальная ширина анодной пластиiHij с оставляет 20% от ширины катодной {пластины и создает еще достаточную поверхность плазмы полого катода для излучения. Опытный образец предлагаемого устройства, в котором проводились экспериментальные исследования, представляет собой цилиндрическую камеру из молибденового стекла диаметром 8,410 м и длиной 0,41 м. Анодная пластина 2 шириной 15-10 м имеет длину 0,16 м. Катодные пластины 3 шириной 0,06 м имеют ту же длину (0,16 м). Их наклон относительно анодной пластины составляет 122°. Все пластины вьшолнены из молибдена толщиной в 1 . После проведения вакуумной и тер- 55 мической обработки газоразрядное устройство заполняется неоном до 2,1 торр. При включении электрического напряжения в разрядном устройстве устанавливается разряд с эффектом полого катода при разрядном токе 3 11, А и напряжении горения 280 В. При данном разряде через торцовое окно разрядной камеры хорошо просматривается отрицательное свечение полого катода, которое локализовано на одной четверти высоты катодных пластин 3 от анода. Плазма отрицательного свечения имеет форму слоя с ровными краями вдоль пластин 3 и с утолщением со стороны открытой части катодной полости. Наиболее резкую границу плазма полого катода имеет вдоль катодных пластин, от которых она отделена темным пространством. С уменьшением давления неона до 1,6 торр разряд продолжает гореть с эффектом полого катода, но уже при более высоком напряжении горения. При установлении разрядного тока до прежнего значения (,5-10 А) напряжение горения составляет 315 В. Отрицательное свечение локализуется дальше от анодной пластины, а объем его увеличивается. При следующем уменьшении давления неона до 0,8 торр разряд продолжает сохранять эффект полого катода с увеличенным напряжением горения до 236 В. Орицательное свечение смещается еще дальше от анодной пластины. В целом интервал давления неона, в котором разряд работает с эффектом полого катода 0,6-2,9 торр, для аргона 0,08-1,7 торр, а гелии 3,4 10,6 торр. С увеличением угла наклона катодных пластин.разряд с эффектом полого катода создается в интервале меньших давлений, а с уменьшением угла натслона - в интервале больших давлений. Следовательно, в предлагаемом устройстве создается разряд с эффектом полого катода не при одном, а при ряде давлений рабочего газа. В известном устройстве разряд с эффектом полого катода при заданнрй геометрии работает только при одном давлении рабочего газа. Чтобы эффект полого катода создавался при другом давлении необходимо вскрыть вакуумную камеру (во многих случаях разбить ее), изменить геометрию полого катода (вставить новую цилиндрическую полость или новые диски на другом расстоянии), вновь закрыть ваку- .

умную камеру, провести термическую обработку и вакуумную откачку с последуюоцт заполнением газа до заданного давления..

В предлагаемом устройстве изменение давления не требует проведения такого рода работ. Здесь разряд с эффектом полого катода работает и при новом давлении газа в указанном интервале и не требует изменения геометрии полого катода. Изменится лишь незначительно положение плазмы поло1о катода. При увеличении давления плазма сместится вглубь к основанию катода, а при уменьшении удалится от основания.

Перечисленный ряд операций при изменении давления в известном устройстве требует затраты электроэнергии на 3200 кВт, работы двух квалифицированных работников, аммортизации вакуумного оборудования и дополнительного времени (около 16 ч). Это . приводит к низкой производительности и увеличению себестоимости. Например, в плазмохимии работа с плазмой полого катода часто пзреключаётся с одного давления газа на другое. Поскольку в предлагаемом устройстве таких операций при изменении давления газа нет ,то при его внедрении экономический годовой эффект составит 10800 руб Ч на 100 устройств - 1080000 руб).

ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА, содержащий герметичную камеру с разрядной полостью, образованной анодом и двумя катодами, заполненную рабочим газом до определенного давления, при котором вйзникаёт эффект полого катода, о т л и ч a ю щ и и с я тем, что, с целью снижения эксплуатационных затрат при работе в интервале давлений рабочего газа, анод и катоды вьтолнены каждый в виде протяженной в одном направлении пластины, каждая кз катодных пластин составляет с анодной угол более 90°, но менее 150, отстоит от нее на расстоянии, обеспечиваюш,ем отсутствие разряда с эффектом полого катода, a ширина анодной пластины не превьшает половины и не меньше 1/5 ширины каждой КЗ катодных пластин.