книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Очевидно, чем больше величина т, тем длительнее послесвече­

Для люминофоров, у которых высвечивание может происходить не только за счет внутриатомных переходов, но такж е в резуль­ тате переходов внутри кристаллической решетки (бимолекулярные переходы), быстрота исчезновения возбужденных состояний про­ порциональна числу возбужденных электронов и вакантных мест на низших энергетических уровнях:

и решение его будет записываться так:

т. е. характеристика затухания является гиперболой. Время после­ свечения в этом случае такж е однозначно определяется постоян­ ной затухания: tB0=9x.

Постоянная затухания в уравнениях (6.7) и (6.10) не должна зависеть от параметров возбуждающего луча. Экспериментальные исследования показывают, что для однородных люминофоров это утверждение справедливо в широком диапазоне изменения плот­ ности тока возбуждающего луча и ускоряющего напряжения. Опыт­ ная проверка формулы (6.10) показывает, что для некоторых лю­ минофоров характер кривой затухания близок к гиперболическому, но показатель степени оказывается несколько меньше двух.

Характеристики затухания многокомпонентных люминофоров и люминофоров с несколькими полосами возбуждения обычно не мо­ гут быть описаны уравнениями (6.7) и (6.10). Часто для аппрок­ симирования этих кривых приходится на разных участках подби­ рать экспоненты с различными значениями т или аппроксимировать характеристику одной-двумя экспонентами и гиперболой. При этом понятие «постоянная затухания» теряет смысл. Точно так же для сложных люминофоров время послесвечения может заметно зави­ сеть от параметров возбуждающего луча: увеличение плотности тока и ускоряющего напряжения, как правило, несколько увеличи­ вает длительность послесвечения.

Большинство технических катодолюминофоров имеет сравни­ тельно малое время послесвечения (10_6— 10-2 сек). Значительно

более длительное послесвечение (до нескольких минут) удается получить, возбуждая свечение не электронным лучом, а коротко­ волновым светом. Очевидно, в этом случае используется не като- до-, а фотолюминисценция. Длительно светящиеся экраны, приме­ няемые в радиолокационных трубках, часто имеют двухслойное покрытие, причем свечение второго слоя возбуждается светом пер­ вого слоя люминофора, бомбардируемого электронным лучом.

Особенностью длительно светящихся экранов являет­ ся способность накопления возбуждения.

При возбуждении люми­ нофора несколькими им­ пульсами, следующими друг за другом с промежутками времени, меньшими времени послесвечения люминофора, наблюдается увеличение яр­ кости свечения. Это увеличе­ ние яркости объясняется суммированием энергии, за­ пасенной люминофором при возбуждении предыдущим импульсом (и излучаемой во

время послесвечения), и энергии, полученной при следующем воз­ буждающем импульсе. В качестве примера на рис. 6.11 показаны характеристики послесвечения цинк-кадмийсульфида, активирован­ ного медью, при возбуждении одним, десятью и ста импульсами, следующими с промежутками времени в 1 сек. Свойство накопле­ ния возбуждения практически используется в радиолокационных трубках.

§ 6.5. ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА И ПОТЕНЦИАЛ ЭКРАНА

При рассмотрении свойств экранов в предыдущих параграфах пред­ полагалось, что энергия электронов, бомбардирующих экран, одно­ значно определяется величиной ускоряющего напряжения прожек­ тора. Это предположение справедливо тогда, когда слой люмино­ фора нанесен на проводящую подложку или поверх слоя люминофора имеется проводящее покрытие, причем проводящие подложка или покрытие электрически соединены с последним ано­ дом прожектора, т. е. потенциал экрана (относительно катода про­ жектора) равен потенциалу цнода прожектора. Во многих типах электроннолучевых приборов слой люминофора, имеющий удельное сопротивление 1012— 10м ом-см, наносится на стеклянное дно кол­ бы. Удельное сопротивление технических стекол, применяемых для изготовления колб электроннолучевых приборов, такж е лежит в пределах 10"— 1013 ом-см. Таким образом, экран в целом являет­ ся диэлектриком. Потенциал непроводящего экрана в общем слу­

чае может существенно отличаться от потенциала анода про­ жектора.

При падении электронного луча на непроводящий экран прино­ симый электронами отрицательный заряд накапливается на экране и потенциал его поверхности понижается, стремясь в пределе к потенциалу катода прожектора. Очевидно, при этом все электроны луча будут отражаться от экрана — свечение экрана прекратится. Нормальная работа непроводящего экрана, таким образом, воз­ можна лишь при условии отвода с экрана электрического заряда, приносимого электронным лучом.

Практически единственным способом отвода заряда с диэлек­

вичных электронов, /2— ток вторичных электронов) от энергии пер­ вичных электронов выражается известной кривой с пологим макси­ мумом (рис. 6.12).

Для большинства твердых тел, в том числе для кристаллов лю­ минофоров, значение коэффициента вторичной эмиссии в максиму­ ме больше единицы. Только в двух точках характеристики (а и b на рис. 6.12) сг=1.

Предположим, что на экран, в целом являющийся диэлектри­ ком, падает поток электронов, ускоренных разностью потенциалов, меньшей потенциала, соответствующего точке а (см. рис. 6.12). Очевидно, в этом случае с экрана уходит меньше вторичных элек­ тронов, чем приносится лучом (сг< 1), на экране накапливается отрицательный заряд, у поверхности экрана создается тормозящее (для электронов луча) поле. В пределе потенциал экрана стремит­ ся к нулю (потенциалу катода прожектора). За счет тормозящего поля электроны луча начинают отражаться от экрана, «кажущ ий­ ся» коэффициент вторичной эмиссии стремится к единице (пунк­ тирная кривая на рис. 6.12), что соответствует отражению всех электронов, направляемых на экран, обратно в сторону прожек­ тора. Таким образом, при энергии электронов луча, меньшей eUu

потенциал экрана стремится к нулю, электроны перестают дохо­ дить до экрана, свечение прекращается. Строго говоря, свечение прекращается раньше, как только поверхность экрана приобретает «мертвый» потенциал U0 [см. формулу (6.2)]. Потенциал экрана Ui, соответствующий точке а на кривой рис. 6.12, называется п е р ­ в ым к р и т и ч е с к и м п о т е н ц и а л о м £/„p i.

При бомбардировке экрана электронами, ускоренными доста­ точно большой разностью потенциалов (больше первого критиче­ ского потенциала), число вторичных электронов, покидающих эк­ ран, становится больше числа первичных электронов (сг> 1). В этом случае экран начинает заряжаться положительно относи­ тельно анода прожектора. Однако значительного превышения по­ тенциала экрана над потенциалом анода прожектора не происхо­ дит, так как часть вторичных электронов возвращается ца заря­ дившийся положительно (относительно анода прожектора) экран. Возвращающиеся на экран вторичные электроны снижают потен­ циал экрана. Равновесие устанавливается при потенциале экрана, примерно равном потенциалу анода прожектора. При этом число уходящих с экрана вторичных электронов равно числу приходя­

циал экрана можно с достаточной степенью точности считать рав­ ным потенциалу анода прожектора. Экспериментальное определе­ ние потенциала экрана показывает, что в зависимости от плотности тока электронного луча и условий отбора вторичных электронов от экрана истинный потенциал экрана (при а ^ 1 ) может отличать­ ся от потенциала анода прожектора на несколько вольт в ту и другую сторону. Например, при большой плотности тока луча и затрудненном отборе вторичных электронов у поверхности экрана может образоваться отрицательный объемный заряд— потенциал экрана будет несколько ниже потенциала анода прожектора. Н а ­ оборот, при малой плотности тока луча и хорошем отборе вторич­ ных электронов потенциал экрана может быть на несколько вольт выше потенциала анода прожектора.

При энергии электронов луча, соответствующей участку кри­ вой правее точки Ь на рис. 6.12, коэффициент вторичной эмиссии экрана становится меньше единицы. Н а экране начинает накап­ ливаться отрицательный заряд, так как число уходящих с экрана вторичных электронов меньше числа электронов, приносимых на экран лучом. Накопление отрицательного заряда на экране сни­ жает потенциал его поверхности, у экрана создается поле, тормо­ зящее электроны луча. Очевидно, понижение потенциала экрана будет происходить до тех пор, пока значение коэффициента вто­ ричной эмиссии не станет равным единице, т. е. до потенциала, соответствующего точке b на кривой рис. 6.12. По достижении по­ верхностью экрана потенциала точки Ь дальнейшего накопления заряда на экране не будет — установится равновесие между числом

электронов, приносимых лучом и уходящих с экрана за счет вто­

важных параметров экрана. Значение этого параметра определяет ту максимальную энергию электронов луча или максимальное ускоряющее напряжение прожектора, которые целесообразно вы­ бирать в трубках с экранами данного типа. В самом деле, повы­ шение ускоряющего напряжения прожектора до значений, больших t/кр 2, не имеет смысла, так как потенциал экрана, определяющий яркость свечения, при этом все равно не превысит UKp2, т. е. по­ вышение ускоряющего напряжения не приводит к увеличению яр­ кости свечения экрана. Значение второго критического потенциала для различных экранов обычно лежит в пределах 5-4-25 кв, дости­ гая у некоторых специальных типов экранов, покрытых смесью двух или нескольких люминофоров, ~ 4 0 кв. В процессе эксплуа­ тации экранов с большим значением UHp2 иногда наблюдается тенденция к снижению второго критического потенциала, что прак­ тически обнаруживается по уменьшению яркости свечения при неизменных параметрах электронного луча. Иногда экраны с тон­ ким или неравномерно нанесенным слоем люминофора обнаружи­ вают аномально малое значение второго критического потенциа­ ла — около 3 кв. Это явление объясняется прострелом электронами луча тонкого слоя люминофора или попаданием электронов на стекло дна колбы в промежутках между зернами люминофора, неплотно покрывающими подложку. В этом случае вторично-эмис­ сионные свойства экрана определяются зависимостью коэффициен­ та вторичной эмиссии от энергии падающих электронов, стекла подложки, а не люминофора. Второй критический потенциал боль­ шинства технических стекол составляет около 3 кв, и именно эта величина определяет «кажущийся» второй критический потенциал экрана. Поэтому при работе с ускоряющими напряжениями, близ­

кими к UKр2, следует применять достаточно толстые и равномерно нанесенные слои люминофора, исключающие возможность попа­ дания электронов на стекло дна колбы.

Приведенные соображения об установившемся потенциале экра­ на в случае идеального диэлектрика справедливы лишь тогда, ко­ гда до начала электронной бомбардировки истинный потенциал поверхности люминофора близок к величине ускоряющего напря­ жения прожектора. В противном случае, например, при потенциале экрана, до попадания на него электронного луча близком к нулю (потенциалу катода прожектора) независимо от величины уско­ ряющего напряжения прожектора, равновесное значение потенциа­ ла экрана будет равно нулю, электроны будут отражаться от поверхности экрана — свечения не будет. Однако опыт показывает, что при включении электроннолучевой трубки свечение вспыхива­ ет практически мгновенно, как только электроны луча достигают поверхности экрана независимо от того, каков был истинный по­

При включении высокого напряжения от проводящего покрытия внутренней поверхности колбы, соединенного с анодом прожектора, по стеклу и слою люминофора распространяется зарядная волна, доводящая потенциал экрана (до попадания на него электронного чуча) до значения потенциала проводящего покры­ тия. Поэтому практически потенциал экрана в от­ сутствие электронной бомбардировки, например, при запертом отрицательным смещением модулято­ ра луче, но при поданном напряжении на ускоря­ ющие электроды прожектора, равен потенциалу ближайшего к экрану электрода. При падении лу­ ча на экран электропроводность экрана оказывает­ ся недостаточной для быстрого уравнивания потен­ циалов экрана и проводящего покрытия; исстинный потенциал экрана устанавливается в соответствии со значениями коэффициента вторичной эмиссии экрана и энергии электронов луча, как это было

показано ранее.

В некоторых случаях заметная электропровод­ ность стекла экрана может привести к искажению электрического поля у поверхности экрана и как следствие к нарушению фокусировки луча или к появлению заметных искажений при отклонении лу­ ча, а при значительном снижении потенциала в средней части экрана — к уменьшению яркости све­

чения. Рассмотрим распределение потенциала в толще стеклянного дна колбы, обладающего объемной электропроводностью (рис. 6.13).

Предположим, что трубка работает с заземленным катодом про­ жектора, а к дну колбы с внутренней стороны прилегает прово­ дящее покрытие, имеющее высокий относительно земли положи­ тельный потенциал. Снаружи колба закреплена в поддерживающем кольце, имеющем потенциал земли. Т ак как наружная поверхность дна колбы из-за наличия пленки влаги обычно имеет значительно большую поверхностную проводимость, чем внутренняя, потенциал наружной поверхности дна колбы молено с достаточной степенью точности считать равным потенциалу поддерживающего кольца, т. е. потенциалу катода прожектора. При этом эквипотенциальные поверхности в толще стекла будут иметь вид, приведенный на рис. 6.13. Из рисунка видно, что потенциал средней части экрана (при отсутствии электронной бомбардировки) заметно ниже потен­ циала периферийных частей, расположенных вблизи проводящего покрытия и имеющих потенциал, близкий к ускоряющему потен* циалу прожектора.

Вызванное таким неравномерным распределением потенциала по поверхности экрана электрическое поле и приводит к указан­ ным нежелательным явлениям. Падение электронного луча при <т>1 ведет к повышению потенциала экрана; в случае развертки достаточно интенсивного луча по всей поверхности экрана потен­ циал его быстро приобретает равновесное значение, приблизитель­ но равное потенциалу анода прожектора. Поэтому паразитное электрическое поле, вызванное проводимостью стекла колбы, сле­ дует учитывать лишь при работе с очень малыми токами, а такж е тогда, когда луч попадает только на отдельные небольшие участки экрана. При малых токах луча заряд, уносимый с экрана вторич­ ными электронами, может оказаться недостаточным для доведения потенциала экрана до равновесного значения. При облучении элек­ тронами небольшого участка экрана до равновесного значения бу­ дет доведен потенциал лишь этого участка, а наличие соседних участков с более низким потенциалом приведет к появлению мест­ ных неоднородных полей. Местные поля могут заметно ухудшить фокусировку луча и привести к большим погрешностям при откло­ нении луча. Поэтому при необходимости использовать отдельные небольшие области экрана целесообразно периодически облучать

весь экран интенсивным электронным пучком для доведения потен­ циала экрана до равновесного значения, соответствующего потен­ циалу проводящего покрытия.

Таким образом, при эксплуатации элекроннолучевых приборов необходимо выбирать значения ускоряющего напряжения прожек­ тора, лежащие в пределах икР1^ и &^ и кр2. В случае необходимо­ сти иметь Ua>U Kp2 (например, для получения очень большой яр­ кости) потенциал экрана следует поддерживать равным ускоряю­ щему напряжению прожектора принудительно, покрывая, например, экран тонкой проводящей пленкой, электрически соединенной с анодом прожектора (см. § 6.6).

§6.6. ТИПЫ ЭКРАНОВ

Взависимости от назначения электроннолучевого прибора с люминесцирующим экраном в различных приборах используются эк­ раны разных типов. Свойства экрана определяются составом, тол­ щиной слоя, размером зерна, способом нанесения люминофора, а также наличием дополнительных покрытий. Согласно предъявля­ емым требованиям в настоящее время разработаны стандартные типы экранов, обладающие определенными параметрами, — таки­ ми, как цвет и длительность свечения, светоотдача (или яркость), предельный (второй критический) потенциал. Некоторые типы эк­ ранов удовлетворяют дополнительным требованиям, соответству­

ющим особенностям эксплуатации прибора. Экраны приборов, из­ готовляемые отечественной промышленностью, имеют типовое обо­ значение в виде одной из букв русского алфавита. Экраны прибо­ ров, изготовляемые в зарубежных странах, также в большинстве

случаев стандартизованы. Например, экраны трубок, изготовляе­ мые в СШ А, имеют типовое обозначение в виде буквы Р и поряд­ кового номера.

К а к было указано, основные свойства экрана определяются лю­ минофором. Из большого разнообразия веществ, обладающих спо­ собностью светиться под действием электронной бомбардировки, для изготовления экранов преимущественное распространение по­

Сульфидные люминофоры обладают рядом замечательных свойств — весьма высокой световой отдачей (до 15 св/вт) и соот­ ветственно большой яркостью свечения, возможностью в зависимо­ сти от состава и типа активатора в широких пределах (практиче­ ски во всей области видимого спектра) варьировать цвет свечения. Точно так ж е в зависимости от состава и типа активатора сульфид­ ные люминофоры могут иметь сильно различающуюся длитель­ ность свечения — от 10-3 сек (сульфид цинка, активированный се­ ребром) до ~ 10 сек (цинк-кадмийсульфид, активированный медью). Предельный потенциал сульфидных люминофоров такж е достаточно высок — до 30— 35 кв. Эти свойства экранов с сульфид­ ными люминофорами обеспечили им весьма широкое распростра­ нение.

Однако сульфидные люминофоры имеют и некоторые недостат­ ки. Впервую очередь необходимо отметить их слабую физико-хи­ мическую стойкость. Интенсивная электронная бомбардировка и особенно удары тяжелых заряженных частиц — отрицательных ио­ нов,— быстро разрушают люминофор. Сульфидные люминофоры могут существенно изменять свои параметры (в частности, яркость и цвет свечения) при наличии посторонних примесей (загрязнений) даже в ничтожно малой концентрации. К недостатку сульфидных люминофоров следует такж е отнести сильное уменьшение световой отдачи при измельчении люминофора: люминофор, состоящий из зерен размером 2— 3 мкм, имеет световую отдачу, в несколько раз меньшую по сравнению с крупнозернистым (размер зерен больше 10 мкм) люминофором.

Спектральные характеристики некоторых сульфидных люмино­ форов были приведены на рис. 6.6 и 6.8. Для получения необхо­ димого цвета свечения можно использовать смеси нескольких суль­ фидных люминофоров. В частности, для экранов телевизионных приемных трубок широко применяется так называемая белая смесь — механическая смесь сульфида цинка и цинк-кадмийсуль- фида, активированных серебром. Спектральная характеристика та­ кого экрана приведена на рис. 6.7.

И з группы силикатов широкое распространение получил орто­ силикат цинка, активированный марганцем (Z n jS iO ^ M n ), обычно называемый виллемитом по названию минерала, содержащего ор­ тосиликат цинка.

Искусственно синтезируемый виллемит является хорошим лю­ минофором с достаточно высокой световой отдачей (до 3,5 св/вт),

средним временем послесвечения и зеленым цветом свечения. Спек­ тральная характеристика виллемита приведена на рис. 6.5.

Виллемит является одним из наиболее стойких к физико-хими­ ческим воздействиям люминофоров. Интенсивная электронная бом­ бардировка сравнитель.но мало разрушает виллемитовый экран. Посторонние примеси в небольшой концентрации практически не влияют на параметры этого люминофора. Виллемит не меняет сво­ их свойств при нагревании до 500— 600° С.

Вольфрамат кальция применяется реже, главным образом тог­ да, когда требуется очень короткое время послесвечения. Особен­

экранов трубок специального назначения находят фториды, фос­ фаты, селениды, оксиды и фотолюминофоры на основе соединений редкоземельных элементов.

Редкоземельные люминофоры достаточно эффективны и более стойки к физико-химическим воздействиям по сравнению с суль­ фидными люминофорами. Замечательной особенностью редкозе­ мельных люминофоров является очень узкая полоса излучения на спектральной характеристике, что обеспечивает высокую чистоту цвета люминесценции.

Практическое применение в производстве экранов цветных ки­ нескопов находит красный люминофор, состоящий из ортованадата иттрия, активированного европием (Y V O ,rE u ), имеющий узкую по­ лосу излучения с максимумом при Л.=619 нм. Хорошие результаты получены такж е с окислами иттрия и гадолиния, активированны­ ми европием (У 20 з *Е и и Gd203-E u ). Эти люминофоры также име­ ют максимум излучения в длинноволновой части видимого спектра и по световой отдаче превосходят ортованадат иттрия. Редкозе­ мельные люминофоры весьма перспективны, однако их широкому