СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОГО ХОЛОДНОГО КАТОДА ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при производстве газоразрядных приборов, в частности холодных катодов моноблочных газовых лазеров.

Известен способ изготовления полых холодных катодов из алюминиевых сплавов [1].

В этом способе с помощью форвакуумного насоса создается давление воздуха 266 Па. Поджигают разряд с обеспечением на холодном катоде плотности тока 5…10 мА/см². После обработки в течение 1…3 мин снимают напряжение и откачивают трубку с заготовкой. Затем снова наполняют трубку воздухом или кислородом, поджигают разряд. Указанные действия повторяют 4…5 раз, после чего откачивают трубку до давления 1,3×10^-4 Па, обезгаживают трубку пламенем газовой горелки и наполняют трубку гелий-неоновой смесью.

Недостатком этого способа является низкая эффективность при изготовлении катодов для их использования в моноблочных газовых лазерах, где требуется значительная стабильность работы катода и долговечность в течение десятков тысяч часов. В указанном способе предлагается форсированная обработка катодной поверхности при плотностях тока, в 25…50 раз превышающих рабочую плотность тока во время эксплуатации лазера. При таких режимах обработки в кислороде требуются жесткие режимы контроля за параметрами проведения процесса окисления.

Недостатками этого способа являются непостоянство получения стабильных рабочих параметров катодов и необходимость использования токсичного бериллия, что обусловлено следующими причинами.

При окислении в атмосфере кислорода образующийся на пленке бериллия гидрид бериллия разлагается при температуре порядка 370К, при этом меняется его структура [2], что приводит к нестабильности защитных свойств окисла бериллия в условиях катодной бомбардировки в тлеющем разряде в газовом лазере.

Бериллий является веществом I класса опасности. Существуют технические сложности и ограничения, связанные с утилизацией отходов бериллия.

Задачей данного изобретения является упрощение технологии изготовления полого холодного катода газового лазера за счёт исключения термического окисления, уменьшения затрачиваемого технологического времени и необходимости использования высокотоксичного бериллия.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе изготовления полого катода газового лазера, включающем изготовление заготовки полого холодного катода, напыление на её внутреннюю поверхность эмиттирующей пленки и окисление пленки в кислороде, заготовку катода и эмиттирующую пленку выполняют из алюминия, проводят термообработку катода при давлении не выше 0,00133 Па при температуре 573…593 K в течение 30…40 мин с последующим ступенчатым окислением эмиттирующей пленки при нормальной температуре разрядом в кислороде при плотностях тока 0,15…0,9 мА/см² и давлении кислорода 40 Па…80 Па в течение 45…55 мин, затем при плотности тока 0,15…0,3 мА/см² и давлении кислорода 150…200 Па в течение 25…35 мин.

Выбор значения величины давления во время термообработки катода не выше 0,00133 Па основан на том, что при большем давлении на поверхности напыленной (плотной) окиси алюминия образуется дополнительная наружная (пористая) пленка окиси. В отличие от плотного внутреннего напыленного слоя наружный пористый слой окиси менее стоек к катодному распылению в условиях тлеющего разряда. Поэтому требуется не допускать образования пористого окисного слоя на поверхности пленки окиси алюминия на стадии термообработки, что достигается проведением указанного процесса при пониженном давлении.

При термообработке температура и время вжигания напыленной пленки алюминия для обеспечения ее высокой адгезии к заготовке катода выбраны исходя из экспериментальных данных. При температуре менее 573 К не подтвержден факт эффективного вжигания пленки алюминия; при этом окись алюминия, образующаяся на напыленной пленке во время нахождения заготовки катода на атмосфере при межоперационных переходах, имеет плотную аморфную структуру. При температуре более 593 К идет неконтролируемая кристаллизация и частичное растрескивание рыхлого наружного слоя. Это приводит к ухудшению структуры поверхности перед созданием защитной окисной пленки в тлеющем разряде.

Параметры обработки полого холодного катода в тлеющем разряде в кислороде выбраны следующим образом. Известно, что во время окисления напыленной пленки алюминия при давлении кислорода выше 0,00133 Па не происходит существенного влияния концентрации кислорода на скорость окисления алюминия [4]. При давлении кислорода в диапазоне 40…66 Па рост окисной пленки является повторяемым и прогнозируемым во времени, при этом структура пленки оптимальна для обеспечения долговечности катода при эксплуатации в составе лазера в течение десятков тысяч часов. Времена процесса создания защитной окисной пленки в тлеющем разряде и величины плотности тока разряда подобраны экспериментальным путем с целью получения оптимального значения толщины защитного окисного слоя.

Пример

На внутреннюю поверхность алюминиевой заготовки полого холодного катода с площадью внутренней поверхности 9 см² напыляют катодную пленку особо чистого алюминия чистоты не ниже 99,995%.

Проводят дополнительную термообработку заготовки катода вжиганием катодной пленки для увеличения адгезии напыленного покрытия при давлении 0,00133 Па и температуре 573 К в течение 35 минут.

Монтируют заготовку катода в стеклянный технологический прибор.

Обезгаживающий отжиг технологического прибора проводят в вакууме 0,00133 Па при температуре 573 К в течение 120 минут.

Напаивают макет по общепринятой вакуумной технологии на высоковакуумный откачной пост. Па откачном посту перед формированием на напыленной пленке алюминия защитной пленки окиси алюминия производят ионную очистку внутренней поверхности катода в тлеющем разряде неона. Формируют окисную пленку в среде кислорода при температуре 293 К при токах разряда от 2 до 8 мА (плотность тока от 0,22 до 0,89 мА/см²), давлении кислорода 40 Па и суммарном времени окисления 50 минут (см. таблицу). Заканчивают процесс получения защитных свойств окисной пленки алюминия обработкой катода в тлеющем разряде кислорода при плотности тока 0,28 мА/см² и давлении 160 Па в течение 30 минут.

Таким образом, применение предложенного способа упрощает технологию изготовления холодного катода газового лазера, уменьшает затрачиваемое технологическое время более чем на 50%, а также исключает необходимость использования высокотоксичного бериллия.

Источники информации

1. Патент США №3860310.

2. Папиров И. И. Окисление и защита бериллия. - М.: Металлургия, 1968. - 120 с.

3. Макарычев Ю.Б., Акимов А. Г. Исследование механизма окисления алюминия в кислороде и парах воды // Поверхность. 1988. - №12. - С.94-99.