Устройство измерения потенциала поверхности холодного катода газоразрядного прибора Советский патент 1992 года по МПК H01J17/00 

Изобретение относится к методам исследования электрофизических свойств тонкопленочных диэлектрических покрытий. Оно может быть использовано в технике физических исследований, в частности при разработке технологии изготовления защитных покрытий холодных катодов газоразрядных приборов.

Одна из проблем в исследовании работы холодного катода, покрытого тонким (2050 мм) слоем оксида, в газовом разряде определение положительного динамического потенциала его поверхности. Наличие

этого потенциала во многом определяет особенности генерации вторичных электронов с поверхности катода, устойчивость катода и действие ионной бомбардировки.

Известно устройство регистрации падения потенциала на резистивном тонкопленочном покрытии анода. Оно включает в себя два идентичных газоразрядных промежутка, анод одного из них свободен, а второй покрыт резистивным материалом, Из сравнения вольтамперных характеристик этих промежутков определяют падение напряжения на резистивном слое.

Использование этого устройства для измерения потенциала поверхности катода, покрытого диэлектрическим слоем, затруднено. Это связан о с тем, что наличие диэлектрика на поверхности катода значительно изменяет его вторично-эмиссионные свойства. Это приводит к неидентичности вольтамперных характеристик газоразрядных промежутков (эталонного и с катодом, покрытым диэлектриком), на фоне которой определение потенциала катода может быть осуществлено с недопустимо большой погрешностью.

Наиболее близким по своей технологической сущности к заявляемому решению является устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических образцов ( в частности холодного катода газоразрядного прибора), включающее в себя неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока и контролируемый образец, перемещающийся относительно электрода. Между электродом и образцом может быть инициирован газовый разряд, а после его выключения измерен потенциал поверхности, однако в этом случае велика погрешность измерения- потенциала из-за частичной компенсации поверхностного заряда при деионизации газоразрядного промежутка, что делает данное устройство малопригодным для решения поставленнойзадачи.

Цель данного изобретения - повышение точности измерения потенциала поверхности холодного катода непосредственно в рабочих условиях газового разряда.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения потенциала поверхности холодного катода газоразрядного прибора, включающего в себя неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока и контролируемый образец перемещающийся относительно электрода, держатель образца выполнен в виде вращающегося цилиндра из материала с высокой электропроводностью с углублением в радиальном направлении для расположения образца, а над ним на равном расстоянии от оси вращения размещены измерительный электрод и анод газоразрядного промежутка, помещенный в диэлектрическую трубку, при этом поперечные размеры анода, измерительного электрода-зонда и ширина углубления для образца равны, расстояние электрдд - образец составляет 0,1-0,2 мм, а расстояние анод - образец 10-20 мм.

Отличием предлагаемого технического решения является наличие вращающегося цилиндра из материала с высокой электропроводностью с углублением в радиальном направлении для размещения образца, что позволяет разделить локальные области измерения потенциала поверхности образов

холодного катода и воздействия на них разряда требуемой разновидности. В известных авторам источниках подобные решения не обнаружены.

Положительный эффект от использования данного изобретения обусловлен тем, что с помощью разработанного устройства может быть проведено экспрессное измерение потенциала поверхности холодного катода, величина, которая несет информацию

5 об электрофизических свойствах защитного окисного покрытия катода. На основе этой информации возможна отбраковка потенциально непригодных катодов, прогнозирование их срока службы. Это в свою очередь

0 повысит качество газоразрядных приборов. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

Один из вариантов конструкции предлагаемого устройства измерения потенциала поверхности холодного катода газоразрядного прибора представлен на фиг.1. Оно включает в себя держатель образца 1, на котором расположен исследуемый холодный катод 2. Держатель образца выполнен из меди, соединен со шкивом электромотора 3 и может вращаться вокруг оси. Над держателем образца расположены измерительный электрод 4, в электрической цепи

5 предусмотрена возможность контроля индуцированного переменного тока, и анод 5 газоразрядного промежутка, ограниченного диэлектрической кварцевой трубкой 6. Катодом этого газоразрядного промежутка

0 поочередно является образец и держатель образца.

На фиг.2 представлены осциллограммы тока, регистрируемого в цепи измерительного электрода при постоянном

5 поддержании газового разряда и скорости вращения образца.

По результатам измерений контролируется

Uoc - амплитудное значение тока х:

0Аг - Бремя нарастания тока.

Устройство работает следующим образом.

Держатель к исследуемым материалам помещают в вакуумную камеру, откачивают

5 ее и заполняют рабочим газом до требуемого давления. Держатель образца 1 приводят в движение с помощью электромотора, затем подают на анод 5 напряя еиие достаточное ,цля возбуждения требуемой фОрмы разряда в промежутке аиод ле|:).1.а iель образца (образец). Поверхность образца холодного катода в момент вхождения в зону газового разряда приобретает положительный потенциал из-за зарядки поверхности в газовом разряде. Этот потенциал при периодическом перемещении относительно измерительного электрода вызывает в его электрической цепи наведенный переменный ток, амплитуда которого (Doc - фиг.2) однозначно определяется величиной поверхностного потенциала образца. Зная эту амплитуду, можно рассчитать значения потенциала образца по формуле Uoc AT А Упл гдеС 8,85 S - площадь зонда, см ; d - зазор образец - зонд, см; Uoc - амплитуда сигнала на экране осциллографа;Аг - время нарастания сигнала, с; R - входное сопротивление осциллографа. Расстояние электрод - образец составляет 0,1-0,2 мм (устанавливается с помощью специальной юстировочной головки). Выбор такого расстояния обусловлен необходимостью увеличения емкости данного зазора, что повышает точность измерения потенциала. Расстояние анод - образец выбирается 10-20 мм. При таком расстоянии в газоразрядном промежутке легко реализуется любая форма газового разряда. Испытание разработанного устройства производилось на промышленной установке УВН-2м-1. В качестве образцов холодного катода использовалась фольга из сплава алюминия AD-1 толщиной 500 мкм, шириной 1 см, прошедшая предварительный термоотжиг в кислороде при температуре 300°С. При этом на ее поверхности сформировался слой оксида алюминия толщиной примерно 30 мм. Вакуумная камера установки откачивалась до давления остаточных газов Ю мм рт.ст., а затем заполнялась гелием до давления в пределах 3,0-3,5 мм рт.ст. В газоразрядном промежутке возбуждался тлеющий разряд при & и токе тА. Скорость вращения подложно-держателя в режиме измерения составляла 600 об/мин. По результатам измерения время нарастания сигнала составляло 50 мкс, максимальная амплитуда сигнала 100 мВ. Из расчета потенциала поверхности обра;щов при площади зонда 1 с, проведенного по формуле, следует, что он составляет 5В, что согласуется с существующим в настоящее время представлением о механизме работы холодного катода в газоразрядных приборах постоянного тока. Использование предлагаемого технического решения в условиях промышленного производства позволяет получить экономический эффект за счет выбора оптимальной технологии изготовления холодных катодов. Формула изобретения Устройство измерения потенциала поверхности холодного катода газоразрядного .прибора, включающее неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока идержатель контролируемого образца, выполненный в возможностью перемещения относительно электрода, и средства регистрации потенциалов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения потенциала поверхности холодного катода непосредственно в рабочих условиях газового разряда, держатель образца выполнен в виде электропроводного с возможностью осевого вращения цилиндра с углублением в радиальном направлении для размещения образца из исследуемого материала, а над ним размещены упомянутый измерительный электрод-зонд и анод газоразрядного промежутка, помещенный в диэлектрическую трубку, при этом поперечные размеры анода, измерительного электрода и ширина углубления для образца выполнены равными, расстояние электрод-образец составляет 0,1-0,2 мм, расстояние анод-образец - 10-20 мм, расстояние от конца диэлектрической трубки до держателя образца не менее 1 мм при скорости вращения не менее 200 об/мин, а средство регистрации потенциала поверхности пленки определены из конечного выраженияAUoc Аг d Аипл о S R где А Uot амплитуда сигнала на осциллографе, В; R - входное сопротивление осциллографа. Ом; S - площадь зонда, м ; d - расстояние обра.зец-зонд, м; Д г - время положи ге льного импульса напряжения на осциллографе, с: го диэлектрическая постиянная вакуума, Ф/м.

Использование: изобретение относится к технике физического эксперимента и позволяет контролировать потенциал поверхности электрических покрытий. Оно может быть использовано в вакуумной и плазменной электронике. Цель изобретения заключается в обеспечении возможности более точного измерения потенциала холодного катода непосредственно в рабочих условиях газового разряда. Сущность изобретения; устройство включает в себя держатель образца, выполненный из материала с высокой электропроводностью в виде вращающегося цилиндра с углублением в радиальном направлении для установки об- разца из исследуемого материала, а над ним на равном расстоянии от оси вращения размещены измерительный электрод-зонд и анод газоразрядного промежутка. Анод перемещается в диэлектрическую трубку. Поперечные размеры анода, измерительного электрода и ширина образца равны. Расстояние электрод-образец составляет 0,1-0,2 мм, а расстояние анод-образец 10-20 мм. 2 ил.!(л

к осцилчографу

Фиг, i

к истсчни.чу питания аксда