способ изготовления катода для газоразрядной индикаторной панели

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛИ, заключающийся в формировании эмиссионного покрытия на основании из Fe или его сплавов с Ni, Cu или Cr, отличающийся тем, что на основание наносят слой сплава Al с 4 - 10% одного из элементов II А группы Периодической системы, масса которого составляет 0,01 - 0,1 массы основания, после чего проводят температурную обработку катода при 400 - 600^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано, в частности, при разработке газоразрядных индикаторных панелей (ГИП), предназначенных для отображения знаковой, графической и образной информации.

Известен способ изготовления катодной системы для ГИП [1] включающий нанесение перед сборкой панели на катодные электроды слои материала, например алюминия, образующего защитную окисную пленку, и удаление ее с рабочей поверхности катода после термообработки панели, например, распылением в тлеющем разряде.

Недостатком данного способа является большое время запаздывания возникновения разряда, обусловленное отсутствием в составе защитного покрытия элементов, обладающих высокими значениями коэффициента вторичной электронной эмиссии.

Известен способ изготовления катода [2] заключающийся в нанесении суспензии из оксида магния и амилацетата на металлический стержень, удалении амилацетата подогревом, активировке оставшегося пористого покрытия из MgO при температуре 800^оС в атмосфере. Этот способ не обеспечивает высокую долговечность эмиссионного покрытия вследствие низкой устойчивости его к распылению в газовом разряде.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления катода для ГИП [3] заключающийся в формировании эмиссионного покрытия на основании из железа или его сплавов с Ni, Cu или Cr. Этот способ предусматривает нанесение на основание методом плазменного напыления эмиссионного покрытия, состоящего из соединения, выбранного из группы, в которую входят окиси или сульфиды щелочно-земельных металлов, составные окиси Al и гексабориды редкоземельных металлов. Это покрытие наносится при температуре выше, чем температура плавления наносимого материала, т.е. в расплавленном состоянии, что увеличивает сцепление покрытия с основанием.

Полученный таким способом катод с эмиссионным покрытием отличается высокой устойчивостью к распылению при ионной бомбардировке и большим сроком службы.

Однако использование в качестве эмиссионного слоя вышеперечисленных материалов не позволяет создать высокоэффективный катод для ГИП постоянного тока ввиду того, что применение в ГИП окислов, сульфидов приводит к ухудшению электрических параметров в процессе длительной работы за счет процессов диссоциации и выделения кислорода и SO₂ с катода в рабочий объем. Указанные материалы, а также гексабориды в условиях преобладания в газовом разряде -процессов подвергаются значительному распылению, что приводит к ухудшению светотехнических характеристик, а следовательно, к снижению срока службы ГИП. Кроме того, окислы, сульфиды и гексабориды из-за неудовлетворительной механической прочности нежелательно использовать как эмиссионный материал катодов в конструкциях ГИП, где катоды выполнены в виде гибких шин (например, проволока, ленточные электроды).

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего изготавливать высокоэффективный в процессе длительной работы катод за счет повышения активности его структуры.

Указанный технический результат достигается тем, что при использовании способа изготовления катода для ГИП, заключающегося в формировании эмиссионного покрытия на основании из Fe или его сплава с Ni, Cu или Cr, на основание наносят покрытие из сплава Al с 4-10% одного из элементов II группы периодической системы Менделеева, масса которого составляет 0,01-0,1 от массы основания, после чего проводят температурную обработку катода при 400-600^оС.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте. Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна".

Кроме того, изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, так как не выявлен способ изготовления высокоэффективного катода для ГИП, в котором катод формируется на основании из Fe или его сплавов с Ni, Cu или Cr нанесением слоя с 4-10% одного из элементов II группы периодической системы массой 0,01-0,1 от массы основания с последующей термообработкой при 400-600^оС. Таким образом, заявляемый способ отвечает требованиям "новизны" и изобретательского уровня.

На фиг. 1 представлены зависимости изменения времени готовности прибора (кривая 1) и яркости свечения ячеек зеленого цвета свечения после испытания на безотказность в течение 500 ч (кривая 2) от процентного содержания элемента II-й группы периодической системы в сплаве с Al при соотношении масс покрытия и основания 0,0167; на фиг.2 представлены зависимости изменения времени готовности прибора (кривая 1) и яркости свечения ячеек зеленого цвета свечения после испытания на безотказность в течение 500 ч (кривая 2) от отношения массы эмиссионного покрытия (сплава Al с 6% Mg элемента II-й группы периодической системы) к массе основания (сплава 47НД-М)

При данном способе изготовления катода происходит связывание свободного алюминия с железом при их взаимной диффузии с образованием интерметаллических соединений типа Fe_xAl и равномерное распределение эмиссионно-активной компоненты II-й группы периодической системы Менделеева по поверхности катода и в его толще.

Отсутствие свободного алюминия на поверхности катода приводит к уменьшению его распыления при ионной бомбардировке, а равномерное распределение эмиссионно-активной компоненты покрытия обеспечивает стабильность эмиссионных свойств в процессе длительной работы прибора. Образующиеся при термообработке на поверхности катода окислы металлов удаляются в процессе тренировки ГИП в тлеющем разряде. Основание из Fe или его сплавов с Ni, Cu или Cr, на которое наносится эмиссионное покрытие, может быть сформировано и на подложке из любого материала.

В качестве эмиссионно-активной компоненты выбраны элементы с малой величиной работы выхода Ba, Ca, Mg в количестве 4-10% остальное Al. Это количество обеспечивает требуемое значение времени готовности прибора, характеризующееся временем запаздывания возникновения разряда в первом включении (10 с требование по времени готовности для ГИП постоянного тока). При процентном содержании добавки в исходном материале менее 4 мас. эмиссионная эффективность катода падает, при этом время готовности прибора увеличивается и становится более 10 с, что не соответствует нормам для ГИП (фиг.1, кривая 1). При содержании эмиссионно-активной добавки в сплаве более 10% увеличивается распыление катода, при этом яркость прибора после испытания на безотказность в течение 500 ч уменьшается более чем в 2 раза, что не соответствует требованиям для ГИП (фиг.1, кривая 2).

При увеличении расстояния анод-катод верхний предел содержания эмиссионно-активной добавки может быть расширен до 16-17 мас. предела растворимости Mg в Al в твердом состоянии, при котором гарантируется равномерное распределение добавки в сплаве (Хасен М. и Андерко К. Структура двойных сплавов, т. 1. Металлургиздат, 1962, с.122-123). Однако увеличение расстояния анод-катод нецелесообразно с точки зрения снижения надежности схемы управления ГИП из-за соответствующего повышения питающего напряжения.

Отношение массы слоя сплава Al с эмиссионно-активной добавкой к массе основания в пределах 0,01-0,1 выбрано из условий повышения эмиссионной способности катода в процессе длительной работы прибора. С уменьшением отношения указанных масс в катоде уменьшается количество эмиссионно-активной компоненты, что приводит к уменьшению времени готовности прибора. Так, при отношении масс менее 0,01 эмиссионная способность катода падает настолько, что время готовности прибора становится больше 10 с (фиг.2, кривая 1). Кроме того, при малом соотношении масс не обеспечивается сплошность покрытия, что приводит к неоднородности эмиссионных свойств и большому разбросу электрических параметров прибора от ячейки к ячейке.

При отношении массы покрытия к массе основания более 0,1 образуется избыток свободного, не связанного с железом алюминия, что приводит к увеличению распыляемости катода и снижению яркости прибора (фиг.2, кривая 2). Кроме того, при отношении масс более 0,1 происходит ослабление основы за счет взаимодиффузии железа и алюминия и ухудшения механических свойств катода, что может привести к отказам прибора при механических воздействиях.

Температурная обработка основания с нанесенным слоем сплава алюминия с эмиссионно-активной добавкой проводится в диапазоне температур 400-600^оС, необходимом для образования интерметаллидов типа Fe_xAl (Хансен М. и Андерко К. Структура двойных сплавов, т.1, Металлургиздат, 1962, с.106-107; Гладков А.С. и др. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. Энергия, 1969, с. 351-353).

Увеличение температуры выше 600^оС приводит к ослаблению основы за счет образования интерметаллидов типа Al_xNi в случае основы из сплава железа с никелем (Гладков А.С. и др. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. Энергия, 1969, с.380), потере эмиссионно-активной компоненты из-за интенсивной ее сублимации с поверхности и из толщи катода, а также ограничено температурой плавления алюминия.

В качестве основы катода может быть использована проволока, лента, а также нанесенное на стекло толстопленочное металлическое покрытие.

Эмиссионное покрытие основы может быть сформировано любым известным методом (вакуумным напылением, горячей металлизацией и т.д.), позволяющим обеспечить повторение формы поверхности основы, т.е. равномерное ее покрытие.

Пример конкретного выполнения. Для изготовления катода с эмиссионным покрытием проволоку из 47НД-М диаметром 0,12 мм, прошедшую химическую очистку и отжиг, протягивали через расплавленную каплю сплава алюминия с 6% Mg (АМГ-6) в среде водорода со скоростью 25 м/мин. Перед прохождением капли проволока нагревалась до температуры, близкой к температуре плавления сплава. При этом толщина металлизированного эмиссионного слоя составляла 1,5 мкм, что соответствует массе 0,0167 от массы проволоки.

Проволока с нанесенным таким образом покрытием использовалась в качестве катодов в блоке электродов ГИП постоянного тока типа ИГГ2-64 х 64М2.

Температурная обработка катодов, производимая при 480^оС в течение 4 ч, совмещалась с термообработкой блоков. Во время термообработки происходит связывание алюминия с элементами основания (проволоки 47НД-М) до образования интерметаллидов типа Fe_xAl с распределением свободного Mg по поверхности и глубине катода. Последующая термообработка приборов (при герметизации и откачке) на качество катодов и фазовый состав не влияет.

Для определения элементного состава и фазового состояния образцы проволоки 47НД с нанесенным покрытием из сплава Al с Mg до термообработки и после нее обследовались методами зондовой диагностики поверхности, такими как метод ионной спектрометрии, лазерной масс-спектрометрии вторичных ионов, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии, а также методом масс-спектрометрии вторичных ионов.

Анализ рентгенофазовым методом позволил обнаружить исчезновение свободного Al в покрытии после отжига и образования интерметаллидных соединений с железом. Сканирование по глубине показало, что поверхностный слой вероятнее всего FeAl, а глубинные Fe₃Al. Переход одной структуры в другую осуществляется непрерывно. Методом ионной спектроскопии в растровом режиме подтверждено равномерное распределение магния по поверхности и в толще образца, что говорит о высоком качестве эмиттера такого типа.

Для сравнения эффективности катода, изготовленного по заявленному способу, было проведено испытание прибора зеленого цвета свечения на долговечность с тремя вариантами катодов: I проволока 47НД-М без эмиссионного покрытия, II проволока 47НД-М, покрытая окисью магния, нанесенной методом вакуумного напыления, III проволока 47НД-М, покрытая сплавом АМГ-6 при отношении масс покрытия и основы 0,0167, обработанная при температуре 470^оС в течение 4 ч в воздушной атмосфере (по заявляемому способу).

В процессе испытаний проводились замеры времени готовности и яркости свечения прибора. Результаты испытания приведены в таблице.

Из таблицы видно, что катод, изготовленный по заявляемому способу (III вариант), обеспечивает в процессе испытания на долговечность в течение 5000 ч высокую эффективность эмиссионных свойств, так как время готовности его на два порядка ниже катода без покрытия (I вариант) и в несколько раз меньше катода II-го варианта, а также достаточно высокий уровень яркости благодаря устойчивости к распылению по сравнению с катодом II-го варианта.

Таким образом, катод, изготовленный по заявленному способу, обладает высокой эффективностью в процессе длительной работы ГИП постоянного тока и может быть использован при разработке ГИП, предназначенных для отображения знаковой, графической и образной информации.