DE2929270A1

DE2929270A1 - Plasma-bildanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2929270A1
Application number: DE19792929270
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Phys Hillenbrand; Herbert Mai; Karl Schuster
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1979-07-19
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1981-02-12
Also published as: EP0022974B1; ATE3483T1; JPS5638738A; US4329626A; EP0022974A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 7 5 3 0

Plasma-Bildanzeigevorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasma-Bildanzeigevorrichtung mit einem gasdichten Gehäuse, dessen Innenraum einen Gasentladungsraum, der mit einem ionisierbaren Gas unter einem vorbestimmten Druck gefüllt ist und in dem eine elektronen- und/oder photonenerzeugende Gasentladung zwischen mindestens einer Kathode aus Aluminium mit gegebenenfalls geringem Anteil weiterer Elemente und mindestens einer weiteren Elektrode ausgebildet ist, sowie Mittel zur Ansteuerung der Bildpunkte eines flachen Bildschirms enthält. Eine entsprechende Bildanzeigevorrichtung ist aus der DE-OS 24 12 869 bekannt.

Bildanzeigevorrichtungen mit flachem Bildschirm, mit denen beispielsweise die bisher bekannten Farbfernsehröhren ersetzt werden können, enthalten häufig

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eine flächenhafte Elektronenquelle. Die Anregung der einzelnen Bildpunkte auf dem Bildschirm erfolgt dann mit Hilfe einer matrixähnlichen Ansteuerung über Elektronen. Die hierzu erforderlichen Elektronen werden entweder direkt in einer Gasentladung zwischen einer Flächenkathode und einer weiteren Elektrode erzeugt. Als Elektronenquelle kann aber auch eine der Gasentladungsstrecke nachgeordnet e Fotokathode dienen, in der Elektronen durch Photonen ausgelöst werden, die in der Gasentladung erzeugt worden sind. Mit solchen flächenhaften Gasentladungskathoden lassen sich direkt oder indirekt Elektronen in gleichmäßiger Dichte erzeugen, die verhältnismäßig langsam und somit leicht in ihrer Intensität steuerbar sind.

Eine entsprechende Kathode einer Bildanzeigevorrichtung mit einem flachen Bildschirm ist beispielsweise aus der genannten DE-OS 24 12 869 bekannt.

Diese Vorrichtungen der eine Gasentladung hervorgerufen wird, enthält Hilfsanoden zur Steuerung der Zeilen sowie Steuerelektroden zur Ansteuerung der einzelnen Bildpunkte einer eingeschalteten Zeile. Im Innenraum ihres gasdichten Gehäuses, das unter einem vorbestimmten Druck eines geeigneten Füllgases wie z.B. Argon oder Neon steht,sind deshalb eine Gasentladungsstrecke zwischen einer großflächigen Kathode und den Hilfsanoden sowie eine Elektronenbeschleunigungs-

JO strecke zwischen den Steuerelektroden und einer Anode vorgesehen. Eine aus einer Isolierstoffplatte gebildete Lochmatrix teilt dabei den gemeinsamen Innenraum des Gehäuses in einen Gasentladungsraum mit verhältnismäßig großer Länge zum Betrieb mit niedriger Spannung für den Gasentladungsstrom und

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einen zweiten Raum alt kurzer Länge und hoher Feldstärke zur Elektronenbeschleunigung. Auf der einen Flachseite der als Lochmatrix dienenden Isolierst offplatte sind die den Zeilen der Matrix zuge-5 ordneten Hilf sanoden und auf der gegenüberliegenden Flachseite die Steuerelektroden zur Ansteuerung der Bildpunkte angeordnet. Die in einer zeilenweise gesteuerten Glimmentladung entstehenden und zur entsprechenden Hilfsanode hin bewegten Elektronen werden in der nachgeordneten Elektronenbeschleunigungsstrecke hoher Feldstärke durch die entsprechend aufgeteilte Steuerelektrode punktweise gesteuert, auf die Anode hin beschleunigt und auf deren Leuchtbildschirm zur Anregung definierter Bildpunkte benutzt. Die Anode ist dabei als zusammenhängende, großflächige Lumineszenz-Schirmelektrode gestaltet. Mit der Ansteuerung einer Zeile der Hilfsanoden brennt die Entladung gleichmäßig längs der gesamten Zellenanode, während das sogenannte negative Glimmlicht der Gasentladung ein Gebiet bedeckt, dessen Fläche durch die bekannte Abhängigkeit der Stromdichte von dem gewählten System Kathode-Gas sowie Gasdruck bestimmt ist.

Statt einer einzigen flächenhaften Kathode können für die bekannte Bildanzeigevorrichtung auch mehrere Teilkathoden vorgesehen sein, denen jeweils eine Gruppe von Hilfsanoden zugeordnet ist (DE-OS 26 43 915).

Bei einer weiteren bekannten Plasma-Bildanzeigevorrichtung wird ebenfalls eine In einem Edelgas wie z.B. Helium zwischen zwei Entladungselektroden hervorgerufene Glimmentladung zur Elektronenerzeugung hervorgerufen. Als Material für die Kathode

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ist dabei Aluminium vorgesehen (DE-AS 1 811 272).

Ferner kann bei einer Plasma-Bildanzeigevorrichtung auch eine hochvakuumdichte Trennung des Elektronenbeschleunigungsraumes von dem Gasentladungsraum vorgesehen sein. Zur Trennung dieser beiden Räume ist eine lichtdurchlässige Trennwand vorgesehen, deren dem Bildschirm zugewandte Seite mit einer Fotokathode als Elektronenquelle versehen ist. Das sogenannte negative Glimmlicht im Gasentladungsraum dient dabei zur Erzeugung der Photonen, welche die Fotokathode zu einer Elektronenemission anregen (DE-OS 26 56 621).

An eine für diese Bildanzeigevorrichtungen geeignete Gasentladung wird eine Reihe von Anforderungen gestellt. Eine Hauptforderung besteht darin, ein geeignetes System von Füllgas und Elektroden vorzusehen, bei dem einerseits eine hinreichend elektronenergiebige Gasentladung ermöglicht ist, andererseits aber ein Zünden in dem Elektronennachbeschleunigungsraum, der beispielsweise unter dem gleichen Druck wie der Gasentladungsraum steht, verhindert wird. Außerdem soll nur eine möglichst geringe und annähernd konstante Brennspannung erforderlich sein, weil damit die elektrische Steuerbarkeit des Bildschirmes vereinfacht wird. Darüber hinaus muß eine geringe Kathodenzerstäubung, d.h. eine kleine Sputterausbeute gefordert werden. Unter der Sputterausbeute versteht man dabei die Zahl der durch positive Ionen durch Kathodenzerstäubung abgeschlagenen Kathodenatome dividiert durch die Zahl der auf die Kathode aufprallenden Ionen. Größere Sputterabtragungen der Kathode können nämlich die elektrischen Parameter der Gasentladung wie die

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Brennspannung und die Stromdichte nachteilig beeinträchtigen, beispielsweise durch Zerstörung einer für die Gasentladung günstigen Oberflächenschicht. Bei elektrisch leitenden Niederschlagen besteht ferner die Gefahr von Kurzschlüssen in der Bildanzeigevorrichtung. Andererseits können dicke, elektrisch nicht-leitende Sputterniederschläge auf einer Anode oder auf Hilfsanoden zu deren Sperrung führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Bildanzeigevorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die genannten Forderungen zumindest weitgehend erfüllt sind. Insbesondere soll ein System aus Gasentladungsplasma und Kathode vorgesehen sein, das nur zu einer geringen Sputterausbeute führt und bei dem die unvermeidbaren Sputterniederschläge elektrisch nicht-leitend sind. Außerdem sollen sich die elektrischen Parameter der Gasentladung während einer geforderten Lebensdauer von etwa 5000 Betriebsstunden oder mehr nicht wesentlich ändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als ionisierbares Gas Wasserstoff vorgesehen ist und daß die Kathode während der Gasentladung ständig mit einer dünnen Schicht eines Aluminiumoxids überzogen ist, das entweder gegenüber der Wasserstoffgasentladung resistent ist oder dessen nicht-resistenten Teile auf der Kathodenoberfläche mit Hilfe eines Zusatzes in dem Gasentladungsraum zu dem Oxid zurückgebildet sind.

Unter einer gegenüber der Wasserstoffgasentladung resistenten Aluminiumoxidschicht ist dabei eine

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Schicht zu verstehen, die von dem Wasserstoffplasma nicht oder nur sehr wenig abgesputtert wird und die außerdem keine oder höchstens eine im Rahmen der geforderten Lebensdauer vernachlässigbar geringe chemische Reaktion' mit dem Plasma und gegebenenfalls seinen Verunreinigungen eingeht.

Die Verwendung von Wasserstoff bei der Bildanzeigevorrichtung gemäß der Erfindung führt zu einer Reihe von Vorteilen. So läßt sich beispielsweise in der vorgesehenen Wasserstoffatmosphäre eine verhältnismäßig große Spannungsfestigkeit in einem Elektronennachbeschleunigungsraum erreichen. Außerdem ist die Stromergiebigkeit der Gasentladung, d.h. die Stromdichte auf der Kathode verhältnismäßig groß. Da ferner Wasserstoff ein leichtes Gas mit einem kleinen Atomgewicht ist, kann von den in der Gasentladung ionisierten Gasteilchen nur eine entsprechend geringe Sputterwirkung auf die Kathodenoberfläche ausgeübt werden.

Aluminium als Kathodenmaterial ist an sich im Hinblick auf die Sputterresistenz günstig, weil das Oxid, mit dem seine Oberfläche stets überzogen ist, eine hohe Sublimationsenergie hat und nur eine verhältnismäßig geringe Brennspannung erfordert. Außerdem entstehen mit Aluminium-Kathoden zunächst sehr hochohmige Niederschläge aus Aluminiumoxid. Es hat sich jedoch gezeigt, daß je nach Präparationsbedingungen die Brennspannung eines mit Wasserstoff gefüllten Gasentladungsraumes mit Aluminium-Kathode von ursprünglich etwa 200 V nach einer verhältnismäßig kurzen Betriebsdauer von einigen Tagen auf einen Wert von über 300 V ansteigt. Einige Zeit nach

\5 diesem Anstieg ist ein leitender metallischer Sputter-

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niederschlag auf der als Anode für die Gasentladung dienenden Elektrode zu beobachten. Es wurde erkannt, daß als Ursache für diesen Spannungsanstieg eine chemische Veränderung der Kathodenoberfläche, insbesondere die Entstehung metallischen Aluminiums anzusehen ist, das sich auf der ursprünglich oxidbedeckten Aluminium-Kathode ausgebildet hat. Für diese Metallschicht gibt es verschiedene Ursachen. So kann zum einen die ursprüngliche Aluminiumoxidschicht zumindest auf einem Teil der Kathode, z.B. am Rand, verbraucht,d.h. durch den Ionenbeschuß der Gasentladung entfernt sein. An diesen Stellen wird dann metallisches Aluminium abgesputtert, das sich auf noch eventuell oxidierte Aluminium-Oberflächenteile niederschlägt, und es tritt gleichzeitig eine Erhöhung der Brennspannung auf. Zum anderen besteht die Gefahr, daß noch vorhandenes Oxid oberflächlich durch das Wasserstoffplasma zu reinem Metall oder zu Aluminiumhydroxid umgewandelt wird. Auch Reaktionen des Aluminiums mit Gasverunreinigungen wie z.B. Methan sind möglich. Diese bei Verwendung von Wasserstoff auftretenden Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung dadurch umgangen, daß dafür gesorgt ist, daß die Aluminium-Kathode während der Gasentladung ständig mit einer gegenüber der Wasserstoffgasentladung resistenten Aluminiumoxidschicht vollständig überzogen ist. Auf diese Weise läßt sich ein metallischer Aluminiumniederschlag vermeiden und eine weitgehend stabile Gasentladung während der geforderten Zeitdauer erreichen.

Gemäß weiterer Ausgestaltung der Bildanzeigevorrichtung nach der Erfindung kann vorteilhaft in dem Gasentladungsraum eine geringe Menge eines

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das Aluminium oxidierenden Gases vorhanden sein. Dieses oxidierende Gas kann beispielsweise durch Reaktion des Wasserstoffs mit einer weiteren zugesetzten Substanz gebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in dem Gasentladungsraum einen Körper vorzusehen, der durch seinen Zerfall für einen ausreichenden Partialdruck des oxidierenden Gases sorgt. Dieses dann im Füllgas vorhandene oxidierende Gas kann auftretendes metallisches Aluminium sofort oxidieren bzw. die durch Absputtern verbrauchte Oxidschicht neu bilden. Es läßt sich so die unerwünschte Instabilität der elektrischen Daten der Gasentladung in dem geforderten Zeitraum zumindest weitgehend unterdrücken.

Feiner ist es besonders vorteilhaft, eine Kathode zu verwenden, die vor der Gasentladung in der Wasserstoffatmosphäre einer kathodiechen Glimmbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen worden ist. Mit der Glimmbehandlung kann nämlich ein Sauerstoffvorrat in Bauteile der Gasentladungsstrecke eingebaut werden, der bei der anschließenden Gasentladung in der Wasserstoffatmosphäre zur Oxidation metallischen Aluminiums bzw. zur Neubildung von verbrauchtem Aluminiumoxid zur Verfügung steht. Außerdem ist das so gebildete Oxid besonders sputterresistent. Ein weiterer Vorteil der Sauerstoffbeglimmung besteht in einer Reinigung der Oberflächen im Gasentladungsraum, die z.B. eine unerwünschte Methanbildung in der Wasserstoffentladung weitgehend verhindert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Plasma-Bildanzeigevorrichtung nach der Erfindung gehen

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aus den restlichen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 in einem Diagramm die zeitliche Änderung der Brennspannung einer Gasentladungseinrichtung bei Verwendung einer an sich bekannten Aluminium-Kathode, während in den Figuren 2 und 3 in entsprechenden Diagrammen die zeitliche Änderung der Brennspannung für Kathoden von Plasma-Bildanzeigevorrichtungen gemäß der Erfindung veranschaulicht ist. Außerdem ist in den Diagrammen der Figuren 1 und 2 die zeitliche Abnahme des Querwiderstandes zwischen Teilen der Anoden der Gaeentladungseinrichtungen wiedergegeben.

Zum Aufbau einer Plasma-Bildanzeigevorrichtung mit flachem Bildschirm nach der Erfindung wird vom Aufbau bekannter Bildanzeigevorrichtungen ausgegangen. Die Leuchtphosphore des Bildschirmes sollen über Elektronen oder auch Über Photonen angeregt werden, die jeweils mit Hilfe einer Gasentladung erzeugt werden. Die Vorrichtung enthält deshalb ein gasdichtes Gehäuse, in dessen Innenraum, der mit Wasserstoff unter einem vorbestimmten Druck gefüllt ist, zwischen mindestens einer großflächigen Kathode und weiteren, als Hilfsanode dienenden Elektroden die Gasentladung hervorgerufen wird. Die flächenhafte Kathode, die auch unterteilt sein kann, soll dabei im wesentlichen aus Aluminium, das gegebenenfalls geringe Mengen noch weiterer Elemente enthalten kann, bestehen. In der Gasentladung wird durch den Aufprall positiver Ionen auf die Kathode einerseits für eine Nachlieferung von Elektronen gesorgt, die für die Aufrechter-

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haltung der Entladung notwendig sind. Andererseits entsteht dabei jedoch das Problem, daß dabei auch Kathodenmaterial losgeschlagen wird, das sich an anderen Oberflächenteilen, z.B. an anderen Elektroden oder an den Innenwandungen des Gehäuses, niederschlägt und dort Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahnen hervorrufen bzw. bei nicht-leitenden Niederschlägen den Stromdurchgang sperren kann. Außerdem kann sich die Kathodenoberfläche durch Abtragung ihrer Oxidschicht oder durch Reaktion mit dem Wasserstoffgas oder seinen Verunreinigungen im Laufe der Zeit ebenfalls chemisch ändern und als Folge davon zumindest lokale Veränderungen der Brennspannung und Stromdichte verursachen. Sowohl die Kathodenzerstäubung als auch die Veränderung der Gasentladungscharakteristik wirkt sich nachteilig auf die Funktionsfähigkeit der Bildanzeigevorrichtung, insbesondere auf ihre Lebensdauer aus. Anhand der folgenden beiden Ausfuhrungsbeispiele von Gasentladungseinrichtungen sind diese Schwierigkeiten noch weiter erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Diese allgemein bei Verwendung von Aluminium-Kathoden für wasserstoffgefüllte Gasentladungseinrichtungen beobachteten Schwierigkeiten sind aus den im Diagramm der Fig. 1 wiedergegebenen Kurven ersichtlich. Auf einer Ordinate dieses Diagramms ist zum einen die Brennspannung U_ß in Volt zwischen zwei Entladungselektroden einer gasdichten, wasserstoffgefüllten Gasentladungsstrecke und auf der Abszisse die Brennndauer t der Gasentladung in Tagen aufgetragen. Zu« anderen

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ist auf einer weiteren Ordinate noch der Querwiderstand Rq in JT- zwischen den Leiterbahnen einer streifenförmig unterteilten Anode vermerkt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, für das sich der aus dem Diagramm entnehmende Kurvenverlauf ergibt, soll die Gasentladung ununterbrochen bei einem Wasserstoffdruck von etwa 2 mbar betrieben werden. Als Kathodenmaterial ist technisches Aluminium gemäß der DIN-Bezeichnung AL99/F11 vorgesehen, das stets mit einer dünnen natürlichen Oxidschicht von einigen Nanometern Dicke überzogen ist. Die Kathode ist geätzt und 16 Stunden bei 300⁰C unter ständigem Abpumpen erhitzt. Die Anode enthält parallele streifenförmige Leiterbahnen aus jeweils einer Nickel-Schicht über einer Kupferschicht auf einer Glasunterlage. Die Streifen sind jeweils etwa 50 /um voneinander beabstandet und etwa 15 cm lang. Wie der mit U_ß gekennzeichneten Kurve des Diagramms zu entnehmen ist, kann die Brennspannung ü_ß nur für eine beschränkte Zeit auf einem Wert von etwa 200 V gehalten werden. Die Brennspannung Ug der Aluminium-Kathode steigt also nach einigen Tagen auf einen Wert von über 300 V an, der aber ebenfalls nicht stabil ist, sondern langsam weiter zunimmt. Der Spannungsanstieg kann auf metallisches Aluminium zurückgeführt werden, das sich auf der ursprünglich mit der dünnen Oxidschicht bedeckten Aluminium-Kathode ausbildet. Mit dem Ansteigen der Brennspannung Ug ist, wie aus dem Verlauf der mit R_Q gekennzeichneten Kurve zu entnehmen ist, gleichzeitig eine Abnahme des Querwiderstandes Rq zwischen den galvanisch getrennten Anodenstreifen verbunden. Diese Querwiderstandsabnahme wird durch metallisches Aluminium hervorgerufen, das sich auf der Anode niederschlägt.

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Ausführungsbeispiel 2

Ein entsprechender Kurvenverlauf wird auch dann beobachtet, wenn die natürliche Oxidschicht auf den Aluminium-Kathoden durch anodische Oxidation naßchemisch oder in einer Sauerstoffentladung noch weiter verstärkt worden ist. Durch das Wasserstoff-Plasma der Gasentladung wird nämlich dieses Oxid zumindest teilweise zu metallischem Aluminium reduziert.

Bei der Plasma-Bildanzeigevorrichtung gemäß der Erfindung ist deshalb dafür gesorgt, daß die Kathode während der Gasentladung ständig mit einer dünnen Schicht eines Aluminiumoxids überzogen ist, so daß die Kathodenoberfläche gegenüber der Wasserstoff-Gasentladung praktisch resistent erscheint. Möglichkeiten zur Gewährleistung solcher gasentladungsresistenter Oxidschichten sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert.

Gemäß diesen Ausführungsbeispielen ist eine ununterbrochene Gasentladung zwischen den Entladungselektroden vorgesehen. Bei einer Verwendung entspre- chender Gasentladungseinrichtungen in Plasma-Bildanzeigevorrichtungen wird hingegen eine Kathodenstelle immer nur intermittierend belastet. So tritt nach einer Brenndauer von einigen Millisekunden eine Betriebspause ein, die im allgemeinen etwa 10 mal länger als die Brenndauer ist. Es wurde festgestellt, daß dann die Lebensdauer der Gasentladungseinrichtung, d.h. die Brenndauer bis zu dem unerwünschten Spannungsanstieg der Brennspannung U_ß, dementsprechend etwa 10 mal so lang anzusetzen ist wie die gemäß den Ausführungsbeispielen zu ermittelnden

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Brenndauern bei einem permanenten Brennen der Gasentladung .

Ausführungsbeispiel 3

Die Gasentladungseinrichtung enthält eine Anode aus eng benachbarten, streifenförmigen Ni-Cu-Schichten gemäß dem Ausführungsbeispiel, das den Kurven des Diagramms in Fig. 1 zugrundegelegt ist.

Die Kathode besteht aus Aluminium hoher Reinheit (99,98 %) und ist geätzt sowie an Luft 5 Stunden lang bei 300⁰C oxidiert, so daß sie mit einer dichten Aluminiumoxidschicht überzogen ist. In den Gasentladungsraum ist eine geringe Menge von 0,2 g ^T-Al₂O, eingebracht. Diese Substanz kann zum Trocknen einer Atmosphäre benutzt werden und gibt umgekehrt bei sehr kleinem HpO-Partialdruck Wasser ab. Nach Evakuierung läßt man in den Gasentladungsraum Wasserstoff bis zu einem Druck von 2,66 mbar einströmen und zündet anschließend die Gasentladung. Wird nun durch die Gasentladung die Oxidschicht auf der Aluminium-Kathode an einer Stelle soweit abgebaut, daß metallisches Aluminium abgesputtert werden könnte, so bildet sich an dieser Stelle mit dem in der Wasserstoffatmosphäre vorhandenen oxidierenden Gas, nämlich dem Wasser, sofort wieder neues Aluminiumoxid. Durch diese Zugabe einer solchen wasserabgebenden Substanz läßt sich die Lebensdauer der Gasentladungseinrichtung beträchtlich steigern. Im Diagramm der Fig. 2, dessen Koordinaten ü_ß, R~ und t wie im Diagramm nach Fig. 1 gewählt sind, ist der zeitliche Verlauf der Brennspannung U_ß sowie der Querwiderstand an der Anode einer entsprechenden Gasentladungseinrichtung durch die mit U_ß bzw. R_Q gekennzeichneten

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Kurven wiedergegeben. Wie aus dem Verlauf der U-n-Kurve des Diagramms hervorgeht, tritt ein steiler Anstieg der Brennspannung Ug erst nach einer ununterbrochenen Brenndauer der Gasentladung von 84 Tagen auf. Nach dem Spannungsanstieg ist ein starker Abfall des Querwiderstandes Rq zwischen den eng benachbarten Teilen der Anode zu beobachten.

Ausführungsbeispiel 4

Bei einer dem Ausführungsbeispiel 3 weitgehend entsprechenden Gasentladungseinrichtung wird in deren Gasentladungsraum statt Jf-Al₂Oj als wasserabgebende. Substanz KOH eingebracht. Es läßt sich damit eine Lebensdauer der Aluminium-Kathode von über 160 Tagen erreichen. Die Menge des zugegebenen KOH muß ebenso wie die des (JT-Al₂O, dem Gasentladungssystem angepaßt sein.

!0 Ausführungsbeispiel 5

Statt einem Einbringen von HpO-abgebenden Substanzen gemäß den Ausführungsbeispielen 3 und 4 in den Gasentladungsraum einer Gasentladungseinrichtung können

!5 auch oxidierende Gase, wie z.B. Sauerstoff in einer vorbestimmten Menge direkt der Wasserst off atmosphäre zugesetzt werden. Der im Diagramm der Fig« 3 wiedergegebene Kurvenverlauf ergibt sich für ein Ausführungsbeispiel einer Gasentladungsein richtung mit einer Og-Zugabe. Die Koordinaten Og und t des Diagramms sind entsprechend Fig. 2 gewählt. Dem Kurvenverlauf ist zu entnehmen, daß bei einer Hg-Gasentladungseinrichtung mit einem Ho-Druck von 2 mbar die Brennspannung U_ß bereits nach etwa 2 Tagen ansteigt, falls der H₂-AtmoSphäre kein

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besonderes oxidierendes Gas zugesetzt wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel kann jedoch dieser Spannungsanstieg Ug durch Zugabe von etwa 1 % Sauerstoff für weitere 14 Tage unterdrückt werden. Durch gezielte Zugabe einer geringen Menge an Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter läßt sich also für einen längeren Zeitraum die Brennspannung auf einem niedrigeren Spannungswert stabilisieren.

Als Vorratsbehälter für den Sauerstoff kann beispielsweise eine Ampulle dienen, der über ein geeignetes Dosierventil durch manuelles Eingreifen wie z.B. Knopfdruck oder automatisch bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes der Brennspannung eine vorbestimmte Menge an Sauerstoff entnommen wird.

Ferner kann in dem Gasentladungsraum auch ein Körper angeordnet sein,dessen Material Sauerstoff gebunden hält und beispielsweise durch Anlegen eines thermischen Impulses etwas Sauerstoff abgibt. Der Wärmeimpuls kann wiederum bei Erreichen einer bestimmten Brennspannungsschwelle automatisch oder manuell ausgelöst werden. Ein geeignetes Material des Körpers ist z.B. Kupferoxid, mit dem bei seiner Erwärmung auf über 500⁰C Sauerstoffpartialdrucke irzeugt werden können, die größer als 10 mbar sind.

Wegen der großen Affinität des Aluminiums zum Sauerstoff können jedoch auch andere sauerstoffhaltige Gase, z.B. CO₂ oder HgO, dosiert der Wasserstoffatmosphäre zugesetzt werden.

Ausführungsbeispiel 6

Statt einer dosierten Zugabe von Sauerstoff in die Wasserstoffatmosphäre der Gasentladungseinrichtung

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gemäß Ausführungsbeispiel 4 kann aber auch Sauerstoff von in dem Gasentladungsraum befindlichen Kupfer- oder Kupferoxidteilen unter Mitwirken des Wasserstoffs ständig freigesetzt werden. Diese Teile können z.B. stromführende Teile einer Bildanzeigevorrichtung sein. Die Lösung einer ausreichenden Sauerstoffmenge in diesen Teilen kann vorteilhaft durch eine anodische Vorabbeglimmung in einer Sauerstoffatmosphäre erfolgen. Hierbei wird zweckmäßig ein Sauerstoffdruck zwischen etwa 0,5 und 5 mbar, beispielsweise von 1 abar, vorgesehen.

Ausführungsbeispiel 7

Ein Brennspannungsverlauf analog dem Kurvenverlauf im Diagramm der Fig. 2 ergibt sich auch für eine Gasentladungseinrichtung mit einer Nickel-Anode und einer Kathode aus technischem Aluminium (AL99/F11), die druckstrahlgeläppt ist. Die Entladungsstrecke wird 16 Stunden lang bei 300⁰C ausgeheizt. Außerdem wird eine kathodische Beglimmung der Kathode bei Raumtemperatur in einer Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 1 mbar etwa 3 mal 10 Minuten lang vorgenommen. Zwischen den einzelnen Beglimmungsabschnitten wird der Gasentladungsraum evakuiert. Während der Glimmbehandlung beträgt die Stromdichte auf der Kathode etwa 2 mA/cm , doch ist dieser Wert unkritisch. Mit einer solchen Vorbehandlung läßt sich zum einen ein ausreichender Sauerstoffvorrat in Bauteile der Gasentladungsstrecke einbauen und zum anderen eine besonders sputterresistente Oxidschicht auf der Kathode erzeugen. Der Wasserstoff-Druck während der anschließenden H₂-Entladung beträgt etwa 2,7 mbar.

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Es lassen sich so Lebensdauern von Gasentladungseinrichtungen von über 110 Tagen erreichen.

Ausführungsbeispiel 8

Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel 7 mit einer Beglimmung der Aluminium-Kathode in einer Sauerstoff-Atmosphäre bei Raumtemperatur kann die Glimmbehandlung auch bei einer Temperatur von etwa 30O⁰C durchgeführt werden. Bei Verwendung derart beglimmter Kathoden ergibt sich dann ein Kurvenverlauf in einem Ug-t-Diagramm ähnlich dem nach Fig. 2. Die Lebensdauern derart präparierter Gasentladungseinrichtung betragen mindestens 240 Tage.

Eine Absenkung der Beglimmungstemperatur auf etwa 150⁰C führt zwar zu einer Verkürzung der Lebensdauer, die jedoch immer noch oberhalb der allgemein geforderten Lebensdauer von 30 Tagen liegt.

Ausführungsbeispiel 9

Abweichend von der Vorbehandlung der Gasentladungseinrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 8 kann auch mit einem Glühen in einer Sauerstoffatmosphäre, ohne daB eine Glimmentladung bewirkt wird, der unerwünschte Anstieg der Brennspannung während der geforderten Brenndauer verhindert werden. Mit einer entsprechenden dreimaligen Glühung bei 300⁰C während jeweils 10 Minuten wird z.B. eine Lebensdauer von mindestens 110 Tagen erreicht.

Bei der Kathode der Plasma-Bildanzeigevorrichtung nach der Erfindung besteht darüber hinaus bezüglich einer Variation der Betriebsbedingungen ihrer Gas-

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entladungseinrichtung eine gute Stabilität. So ist beispielsweise eine Verdoppelung des Wasserstoff-Druckes unschädlich. Zweckmäßig wird ein Druck zwischen 0,5 und 5 mbar, vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 mbar vorgesehen. Ferner kann ein Arbeitspunkt der Gasentladung gewählt werden, der leicht im anomalen Bereich liegt. Im allgemeinen entsprechen die Betriebsbedingungen jedoch einer Glimmentladung mit normalem Kathodenfall. Auch das Ausgangsmaterial der Aluminiumkathode ist nicht kritisch. Gegebenenfalls sind auch Kathoden aus technischen Aluminiumlegierungen oder aus Galvano-Aluminium verwendbar, insbesondere, wenn diese noch gemäß den Ausführungsbeispielen 7 und 3 einer kathodischen Glimmbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen werden. Außerdem kann man statt druckstrahlgeläppten auch gebürstete Al-Oberflächen verwenden.

In den Ausführungebeispielen 3 bis 9 ist jeweils nur eine Möglichkeit zur Gewährleistung bzw. Ausbildung einer gegenüber der Wasserstoffentladung resistenten Oxidschicht auf der Kathode beschrieben. Bei der Plasma-Bildanzeigevorrichtung nach der Erfindung können selbstverständlich auch mehrere dieser Möglichkeiten zugleich vorgesehen sein.

20 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Plasma-Bildanzeigevorrichtung mit einem gasdichten Gehäuse, dessen Innenraum einen Gasentladungsraum, der mit einem ionisierbaren Gas unter einem vorbestimmten Druck gefüllt ist und in dem eine elektronen- und/oder photonenerzeugende Gasentladung zwischen mindestens einer Kathode au3 Aluminium mit gegebenenfalls geringem Anteil weiterer Elemente und mindestens einer weiteren Elektrode ausgebildet ist, sowie Mittel zur Ansteuerung der Bildpunkte eines flachen Bildschirms enthält, dadurch gekennzeichnet, daß gis ionisierbares Gas Wasserstoff vorgesehen ist und daß die Kathode während der Gasentladung ständig mit einer dünnen Schicht eines Aluminiumoxids überzogen ist, Öas entweder gegenüber der Wasserstoffgasentladung resistent ist oder dessen nicht-resistenten Teile auf der Kathodenoberfläche mit Hilfe eines in dem Gasentladungsraum vorhandenen Zusatzes zu dem Oxid zurückgebildet sind.

2. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß in dem Gasentladungsraum eine geringe Menge eine· das Aluminium oxidierenden Gases vorhanden ist.

3. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, g e kennzeichnet durch eine Einrichtung zur dosierten Zugabe des oxidierenden Gases in die Wasserstoffatmosphäre.

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4. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zugabe des oxidierenden Gases in Abhängigkeit von der Brennspannung der Gasentladung.

5. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche

2 bis 4, gekennzeichnet durch einen das oxidierende Gas oder eine sich mit dem Wasserstoff zu dem oxidierenden Gas umsetzende Gas-' komponente abgebenden Körper in dem Gasentladungsraum.

6. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 5, g · kennzeichnet durch einen sauerstoffabgebenden Körper aus Kupfer oder Kupferoxid in dem Gasentladungsraum.

7. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Sauerstoff-

> aufnahme des Körpers mittels einer anodischen Glimmbehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre.

8. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine

> Sauerstoffabgabe in den Gasentladungsraum aufgrund einer Erwärmung des Körpers.

9. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der

) Körper eine wasserabgebende Substanz ist.

10. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dad die Substanz KOH oder Jf-Al₂O, ist.

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11. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche

I bis 10, gekennzeichnet durch eine kathodische Glimmbehandlung der Kathode in einer Sauerstoffatmosphäre vor der Zündung der Gasentladung in der Wasserstoffatmosphäre.

12. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Druck der Sauerstoffatmosphäre zwischen 0,5 und 5 mbar.

13. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Sauerstoffdruck von etwa 1 mbar.

14. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche

II bis 13, gekennzeichnet durch eine Glimmentladung bei Raumtemperatur.

15. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Glimmentladung bei mindestens 15O⁰C, vorzugsweise mindestens 250⁰C.

16. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 15» g e kennzeichnet durch eine Glimmentladung bei etwa 30O⁰C.

17. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Glühbehandlung des Gasentladungsraumes mit den Elektroden in einer Sauerstoffatmosphäre vor der Zündung der Gasentladung in der Wasserstoffatmosphäre.

18. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 17, g e kennzeichnet durch eine mehrmalige Glüh-

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behandlung des Gasentladungsraumes bei etwa 30O⁰C.

19« Bildanzeigevorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine Gasentladung in einer Wasserstoff atmosphäre mit einem Brück zwischen 0,5 und 5 mbar.

20. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 19, g e -kennzelchn et durch einen Wasserstoffdruck zwischen 1,5 und 3 mbar.

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