Газоразрядное устройство

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при создании плазменных дисплеев и других устройств с барьерным разрядом, например газовых лазеров. Газоразрядное устройство содержит герметичную камеру, заполненную газовой смесью. В камере расположены, по меньшей мере, два электрода так, что между ними образуется разрядный промежуток. Электроды изолированы соответствующими диэлектрическими слоями. На диэлектрические слои нанесено защитное покрытие, выполненное из материала, у которого величина сродства к электрону меньше ширины запрещенной зоны и выполняется соотношение: χ+E_g≤8.4 эВ, где χ - величина сродства к электрону, E_g - ширина запрещенной зоны. Газовая смесь может содержать ксенон. Защитное покрытие может быть выполнено из галогенида щелочного металла, в частности иодида цезия или из галогенида серебра, в частности иодида серебра. Технический результат: повышение срока службы газоразрядного устройства и эффективности преобразования электрической энергии в излучение плазмы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронике и газоразрядной технике и может быть использовано при создании плазменных дисплейных панелей (ПДП), а также других устройств с барьерным разрядом, например газовых лазеров.

Известен газовый лазер (Патент RU №2111591, МПК H 01 S 3/22, опубл. 20.05.98), содержащий камеру, систему электродов, разделенных разрядным промежутком. Электроды покрыты диэлектрическим слоем. Диэлектрический слой позволяет стабилизировать разряд и увеличить удельную мощность лазера. В качестве диэлектрического слоя обычно используются различные эмали, керамики и т.п. Они механически и электрически прочны, имеют высокий коэффициент теплопроводности и хорошую адгезию к металлу, из которого изготовлен электрод. Однако эти материалы не обладают хорошими эмиссионными характеристиками и высокой стойкостью к распылению ионами, что снижает эффективность накачки лазера и уменьшает срок службы устройства.

Известна плазменная дисплейная панель (прототип) (Патент США №5770921, МПК H 01 J 17/00, опубл. 23.06.98), содержащая две диэлектрические пластины с разрядным промежутком между ними. На обеих пластинах расположены соответствующие системы металлических полосковых электродов, изолированные от разрядного промежутка диэлектрическими слоями. На диэлектрические слои нанесено защитное покрытие с целью предотвращения их повреждения в процессе разряда и увеличения вторичной электронной эмиссии под воздействием ионов. В качестве защитного покрытия предлагается использовать оксиды щелочноземельных металлов (CaO, MgO, BaO...) с ориентацией кристаллов на поверхности (100) или (111).

Однако окислы щелочноземельных металлов, за исключением MgO, нестойки по отношению к распылению ионами, что снижает долговечность защитного слоя. Кроме того, окислы щелочноземельных металлов, за исключением MgO, являются химически активными материалами и не могут быть вынесены на воздух на промежуточных этапах изготовления плазменной дисплейной панели. Это усложняет и удорожает производство. Поэтому в большинстве ПДП используется защитное покрытие из MgO.

Недостатком применения защитных покрытий из MgO является невозможность использования газовых смесей с высоким содержанием ксенона в качестве рабочего газа. Известно, что наиболее эффективными механизмами электронной эмиссии является потенциальное вырывание электронов при бомбардировке поверхности ионами или возбужденными атомами и фотоэмиссия. Энергия, необходимая для вырывания электрона из MgO, равна 10 эВ. Следовательно, для эмиссии необходима бомбардировка ионами с энергией ионизации, превышающей 20 эВ, или возбужденными атомами (фотонами) с энергией, превышающей 10 эВ. Если потенциал ионизации атомов газа меньше 20 эВ (энергия возбуждения меньше 10 эВ), возрастает падение потенциала у электрода, на который в данный момент подан отрицательный потенциал, до величины, обеспечивающей кинетическую эмиссию электронов. При этом возрастает энергия ионов, бомбардирующих защитное покрытие, что приводит к его эффективному распылению. В частности, для улучшения оптических характеристик ПДП нужно увеличить концентрацию ксенона в обычно применяемой смеси Ne:Xe. Однако ксенон - газ с низким потенциалом ионизации (12.1 эВ). Поэтому при использовании защитного покрытия из MgO увеличение концентрации ксенона в смеси приведет к росту напряжения зажигания, увеличению скорости распыления защитного покрытия, снижению эффективности и срока службы устройства.

Известна плоская дисплейная панель с защитным покрытием, состоящим из слоя окислов щелочноземельных или редкоземельных металлов и тонкого слоя фторида этих металлов (Патент США №6828588, МПК H 01 L 27/15, опубл. 07.12.04). Тонкий слой фторидов приводит к уменьшению напряжения зажигания барьерного разряда. Однако тонкий слой фторидов (несколько нанометров) легко разрушается в разряде при бомбардировке ионами, его долговечность невелика. Это сокращает срок службы всего устройства в целом.

Задачей настоящего изобретения является создание газоразрядного устройства с повышенным сроком службы и высокой эффективностью преобразования электрической энергии в излучение плазмы.

Сущность изобретения заключается в том, что газоразрядное устройство содержит герметичную камеру, заполненную газовой смесью. В камере расположены, по меньшей мере, два электрода так, что между ними образуется разрядный промежуток. Электроды изолированы от газовой смеси соответствующими диэлектрическими слоями. На диэлектрические слои нанесено защитное покрытие, выполненное из материала, у которого величина сродства к электрону меньше ширины запрещенной зоны и выполняется соотношение:

χ+Е_g≤8.4 эВ,

где

χ - величина сродства к электрону;

Е_g - ширина запрещенной зоны.

В частном случае реализации заявляемого изобретения газоразрядным устройством является плазменная дисплейная панель.

В частном случае реализации заявляемого изобретения газоразрядным устройством является газовый лазер.

В частном случае реализации заявляемого изобретения газовая смесь содержит ксенон.

В частном случае реализации заявляемого изобретения защитное покрытие выполнено из галогенида щелочного металла, в частности, иодида цезия.

В частном случае реализации заявляемого изобретения защитное покрытие выполнено из галогенида серебра, в частности, иодида серебра.

Указанные требования к материалу защитного покрытия определены из следующих соображений. Для протекания тока электрод, на который в данный момент подано отрицательное напряжение, должен обеспечить электронную эмиссию. В отсутствие нагрева электрода эмиссия происходит за счет возбуждения электронов материала покрытия ионами, возбужденными атомами и фотонами из плазмы. Если ширина запрещенной зоны меньше сродства к электрону, то возбужденный электрон может потерять энергию в неупругом столкновении и эмиссия станет невозможной. Поэтому для эффективной эмиссии должно выполняться условие: χ<E_g. В плазменных дисплейных панелях обычно используются газовые смеси, содержащие ксенон (J.P.Boeuf. Plasma display panels: physics, recent developments and key issues J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) R53-R79). В этих условиях электроды подвергаются, в основном, бомбардировке ионами и возбужденными атомами ксенона и излучением линий ксенона. Потенциал возбуждения атомов и энергия фотонов близки к 8.4 эВ. При выполнении условия χ+Е_g<8.4 эВ энергия фотонов и возбужденных атомов достаточна для эмиссии. Таким образом, при выполнении указанных условий обеспечивается эффективная электронная эмиссия из электрода под действием фотонов и возбужденных атомов. Это приводит к снижению напряжения зажигания, уменьшению приэлектродного падения напряжения и, следовательно, увеличению долговечности защитного слоя и срока службы всего газоразрядного устройства, а также увеличивает эффективность преобразования электрической энергии в излучение плазмы.

Выполнение защитного покрытия из вышеуказанных материалов позволит достигнуть заявляемого технического эффекта при использовании газовых смесей с высоким содержанием газов с низким потенциалом ионизации, например ксенона.

В качестве материала для защитного слоя могут быть использованы галогениды щелочных металлов - CsI, KI, RbI, NaI, LiI, CsBr, CsCl, KBr и другие; галогениды серебра и другие материалы, являющиеся эффективными фотоэмиттерами (А.Соммер. Фотоэмиссионные материалы. М.: Энергия, 1973). Для указанных материалов χ+E_g≤7 эВ, поэтому они обеспечивают эффективную эмиссию с электрода.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими изображениями.

На Фиг.1 схематично изображена ячейка плазменной дисплейной панели - частный случай реализации заявляемого газоразрядного устройства. Использованы следующие обозначения:

1 - герметичная камера,

2 - первый электрод,

3 - второй электрод,

4 - разрядный промежуток,

5 - диэлектрический слой, изолирующий первый электрод,

6 - диэлектрический слой, изолирующий второй электрод,

7 - защитное покрытие на слое 5,

8 - защитное покрытие на слое 6.

На Фиг.2 приведены результаты измерений зависимости вкладываемой в разряд мощности от приложенного к электродам напряжения. Использованы следующие обозначения:

9 - зависимость вкладываемой мощности от напряжения на электродах, покрытых защитным слоем MgO,

10 - зависимость вкладываемой мощности от напряжения на электродах, покрытых защитным слоем CsI.

Ячейка плазменной дисплейной панели (Фиг.1) включает герметичную камеру 1, заполненную газовой смесью, содержащей ксенон, например Ne:Xe, Не:Хе и др. Камера 1 может быть образована герметично соединенными между собой диэлектрическими пластинами. В камере расположены как минимум два электрода: электрод 2 и электрод 3, так, что между ними образуется разрядный промежуток 4. Электроды 2 и 3 изолированы от газовой смеси соответствующими диэлектрическими слоями 5 и 6. На диэлектрические слои 5 и 6 нанесены соответствующие защитные покрытия 7 и 8, выполненные из материала, у которого величина сродства к электрону меньше ширины запрещенной зоны и выполняется соотношение χ+E_g≤8.4 эВ, например CsI.

Газоразрядное устройство работает следующим образом.

На электроды 2 и 3 подается переменное напряжение. В разрядном промежутке 4 загорается барьерный разряд, который генерирует излучение газовой смеси. Изолирующие диэлектрические слои 5 и 6 ограничивают величину разрядного тока. Защитные покрытия 7 и 8 увеличивают коэффициент электронной эмиссии под действием ионов, возбужденных атомов и излучения плазмы. Это приводит к уменьшению приэлектродного падения напряжения и напряжения зажигания барьерного разряда. В результате уменьшается необходимое управляющее напряжение и падает энергия ионов, бомбардирующих покрытие, что снижает скорость распыления защитного покрытия и увеличивает долговечность покрытия и срок службы всего устройства в целом.

Предлагаемое защитное покрытие было испытано в установке для исследования барьерного разряда в различных газах и газовых смесях. Исследовались защитные покрытия из CsI и MgO. На Фиг.2 приведены графики зависимости вкладываемой в разряд мощности от напряжения на электродах. Графики показывают, что использование покрытия из CsI приводит к сдвигу кривой 10 влево на 10-15 В по сравнению с кривой 9 для покрытия из MgO. Это соответствует уменьшению напряжения зажигания разряда на ту же величину. Очевидно, что полученный эффект связан с уменьшением приэлектродного падения напряжения. Таким образом доказана обоснованность требований к материалу защитного покрытия.

1. Газоразрядное устройство, включающее герметичную камеру, заполненную газовой смесью, в камере расположены, по меньшей мере, два электрода с образованием разрядного промежутка между ними, каждый электрод изолирован от газовой смеси диэлектрическим слоем, на который нанесено защитное покрытие, выполненное из материала, у которого величина сродства к электрону меньше ширины запрещенной зоны и выполняется соотношение:

χ+E_g<8,4 эВ,

где χ - величина сродства к электрону;

E_g - ширина запрещенной зоны.

2. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что газоразрядным устройством является плазменная дисплейная панель.

3. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что газоразрядным устройством является газовый лазер.

4. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что газовая смесь содержит ксенон.

5. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что защитное покрытие выполнено из галогенида щелочного металла, в частности, иодида цезия.

6. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что защитное покрытие выполнено из галогенида серебра, в частности, иодида серебра.