книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

ной толщины плотного слоя, но условия поглощения электронов в обоих случаях будут примерно одинаковыми. Поэтому толщину слоя

делах от десятых долей миллиграмма на квадратный сантиметр до 5— 8 мг/см2.

Световая отдача (или яркость свечения) экрана сильно зависит от размера зерен лю­ минофора. К а к правило, более крупнозернис­ тые экраны имеют большую световую отдачу. Однако использование крупнозернистых сло­ ев люминофора в ряде случаев нецелесообраз­ но. Размер зерна ограничивает разрешающую способность экрана, поскольку светящееся пят­ но на экране принципиально не может быть меньше величины светящегося под электрон­ ным лучом кристаллика люминофора. Наибо­ лее заметное снижение световой отдачи наблю­ дается при размельчении сульфидных люми­ нофоров. Поэтому сульфиды обычно использу­

Интересно отметить, что размер зерна, при прочих равных условиях, несколько влияет на оптимальную (обеспечивающую максималь­ ную световую отдачу) весовую нагрузку экра­

на. Это объясняется относительно большей вероятностью прохож­ дения электронного луча сквозь слой без взаимодействия с люми­ нофором при больших размерах зерна. В качестве примера на рис. 6.15 приведена кривая зависимости оптимальной толщины слоя сульфидного люминофора от размера зерна при энергии бом­ бардирующих электронов 14 кэв.

Требование высокой разрешающей способности привело к не­ обходимости разработки бесструктурных экранов в виде тонкой однородной пленки. Очевидно, такой экран был бы идеальным во многих отношениях. Однако создание бесструктурных экранов на основе известных технических катодолюминофоров не увенчалось успехом. Удовлетворительные результаты дали некоторые новые светосоставы, которые можно наносить на экран путем испарения в вакууме (сублимацией). При этом люминофор осаждается на подложке в виде тонкой однородной пленки. Такие люминофоры значительно уступают по световой отдаче обычным зернистым лю­ минофорам и пока не получили распространения.

Единственным бесструктурным экраном, получившим практиче­ ское применение, является экран с записью темной трассой. Актив­ ный слой этого экрана не светится под действием электронной бом­ бардировки, а, наоборот, темнеет, окрашивается в фиолетово-корич­ невый цвет в местах падения электронного луча. Изменение окраски под ударами электронов присуще кристаллам щелочногалоидных солей. В частности, бесцветные (прозрачные) кристал­ лы хлористого калия при воздействии электронного луча окраши­ ваются в темный фиолетово-коричневый цвет.

Изменение окраски кристаллов хлористого калия объясняется возникновением центров поглощения света в кристаллах, подвер­ гающихся электронной бомбардировке. В кристаллической решет­ ке хлористого калия могут существовать вакантные места в узлах, нормально занятых атомами калия и хлора. При локализации элек­ трона в узле решетки, нормально занятом атомом хлора, этот узел становится центром поглощения света. Электрон, локализованный в узле кристаллической решетки, может совершать колебания с определенной (резонансной) частотой. При освещении кристалла с нарушениями в кристаллической решетке — наличием электронов на местах атомов хлора — происходит интенсивное поглощение све­ та с длиной волны, соответствующей резонансной частоте колеба­ ний электронов, локализованных в узлах кристаллической решет­ ки. Для хлористого калия резонансная частота соответствует ж ел ­ то-зеленой части спектра, вследствиве чего при освещении подверг­ шегося электронным ударам кристалла КС1 он кажется окрашен­ ным в дополнительный — фиолетовый цвет.

При бомбардировке кристаллов хлористого калия электронами первичный электронный пучок возбуждает в кристалле вторичную эмиссию, и вторичные, более медленные электроны могут занять вакатное место в узлах кристаллической решетки, создавая центры поглощения света. Центры поглощения весьма устойчивы, окраска экрана может сохраняться несколько часов после прекращения электронной бомбардировки. Удаление следа электронного луча (обесцвечивание экрана) осуществляется нагреванием экрана или освещением его интенсивным светом. При нагревании экрана за счет усиливающихся тепловых колебаний кристаллической решет­ ки происходит перераспределение электронов, центры поглощения исчезают, кристаллы КС1 снова становятся прозрачными.

Интенсивность потемнения экрана с записью темной трассой зависит от энергии электронов (ускоряющего напряжения) при­ мерно по квадратичному закону (рис. 6.16).

В отличие от люминофоров интенсивность потемнения экрана зависит не от плотности тока, а от плотности суммарного электри­ ческого заряда, приносимого электронным лучом на 1 см2 поверх­ ности экрана (рис. 6.17).

Оптимальная толщина слоя КС1 определяется условием полного поглощения электронов луча в толще слоя. Например, при уско­ ряющих напряжениях порядка 10 кв толщина слоя КС1 должна быть не менее 10 мкм. Слой хлористого калия наносится на под­

ложку (специальную стеклянную пластинку или дно колбы) испа­ рением в вакууме. При этом получается бесструктурная пленка, имеющая со стеклом оптический контакт. Оптический контакт не­ обходим для наблюдения следа электронного луча сквозь подлож­ ку, так как при отсутствии оптического контакта значительная доля света, падающего на экран, будет отражаться от внутренней поверхности стекла, не проходя сквозь слой хлористого калия и не поглощаясь в нем.

Кроме высокой разрешающей способности, экраны с записью темной трассой имеют и другие достоинства. Они достаточно стой­ ки к электронной бомбардировке, допускают нагревание до срав­ нительно высоких температур (максимально допустимая темпера­ тура ограничивается началом возгонки КС1). Длительность сохра­ нения следа электронного луча может достигать нескольких часов; в случае необходимости темная трасса может быть быстро уничто­ жена нагреванием или интенсивным освещением экрана.

Распространенным типом экрана с длительным послесвечением является двухслойный экран с каскадным возбуждением свечения. Создание двухслойных экранов было вызвано отсутствием техниче­ ских катодолюминофоров с длительностью послесвечения до не­ скольких секунд. В то же время давно было известно, что некото­ рые люминофоры, например цинк-кадмийсульфид, активированный медью, при возбуждении (освещении) коротковолновым светом обнаруживают способность длительно светиться после прекращения возбуждения. Таким образом, наряду с катодолюминесценцией цинк-кадмийсульфид обладает фотолюминесценцией и фосфорес­ ценцией, причем длительность фосфоресценции на несколько поряд­ ков превышает время послесвечения при возбуждении электрон­

ным лучом. Длительное время свечения при возбуждении светом объясняется тем, что центры свечения кристаллов люминофора, способные длительно пребывать в возбужденном состоянии, более вероятно возбуждаются не электронными ударами, а электромаг­ нитным излучением с длиной волны, соответствующей коротковол­ новому краю видимого спектра и ближнему ультрафиолету.

Таким образом, для возбуждения длительного послесвечения целесообразно использовать не электронную бомбардировку, а ос­ вещение фотолюминофора коротковолновым светом. В теории лю­ минесценции показывается, чт>; свечение люминесценции (флюо­ ресценции и фосфоресценции)

всегда оказывается более длин­ новолновым, чем вызвавшее лю­ минесценцию излучение. Поэто­ му, чтобы длительное свечение фосфоресценции фотолюминофо­ ра соответствовало средней, ка ­ жущейся наиболее яркой, обла­ сти видимого спектра, необходи­ мо для возбуждения свечения ис­ пользовать коротковолновое из­ лучение.

В практически применяемых двухслойных экранах фотолюмннофором, наносимым непосред­

ственно на прозрачную подложку (обычно дно колбы), является цинк-кадмийсульфид, активированный медью, обладающий дли­ тельным желтым свечением при возбуждении синим или фиолето­ вым светом. Фотолюминофор возбуждается излучением катодолюминофора, возбуждаемого электронным лучом. Цвет свечения катодолюминоф.ора должен быть близким к синему, время послесве­ чения катодолюминофора не имеет принципиального значения. Обычно катодолюминофором служит сульфид цинка, активирован­ ный серебром, дающий при возбуждении электронным лучом ко­ роткое яркое сине-голубое свечение. Спектральные характеристики

тронного луча, на экране длительное время наблюдается желтое свечение фотолюминофора. При растровом возбуждении двухслой­ ного экрана цвет его свечения такж е заметно отличается от цвета свечения обоих люминофоров, хотя, как показывают измерения, доля яркости свечения катодолюминофора не превышает 5— 7% от общей яркости экрана. Очевидно, наилучшие условия возбужде­ ния фотолюминофора были бы при полном поглощении излучения катодолюминофора в слое фотолюминофора, но для этого потре­

бовалось бы применение очень толстых слоев фотолюмннофора. Применение же толстых слоев фотолюминофора невыгодно, так как в них рассеивается заметная доля излучения самого фотолюмино­ фора, что приводит к уменьшению яркости свечения и разрешаю­ щей способности экрана (увеличению размера светящегося пятна). Поэтому практически подбирается толщина слоя фотолюминофора, обеспечивающая поглощение значительной части возбуждающего излучения катодолюминофора и в то же время недостаточная для значительного поглощения света самого фотолюминофора. Конеч­ но, при этом не поглощенная фотолюминофором часть излучения катодолюминофора воспринимается наблюдателем. В некоторых случаях заметная вспышка свечения катодолюминофора является нежелательной, поэтому часто двухслойные экраны с длительным послесвечением желтого цвета прикрывают (со стороны наблюда­ теля) желто-оранжевым светофильтром, прозрачным для излучения фотолюминофора, но почти полностью поглощающим коротковол­ новое излучение катодолюминофора.

В последнее время широкое распространение получили так на­ зываемые а л ю м и н и р о в а н н ы е экраны, имеющие поверх слоя люминофора со стороны электронного прожектора металлическое покрытие в виде тонкой пленки алюминия. Экраны с металличес­ ким покрытием имеют ряд преимуществ. Во-первых, металличес­ кое покрытие, непрозрачное для света, исключает паразитное за­ свечивание экрана светом, излучаемым люминофором внутрь кол­ бы прибора и попадающим на экран либо непосредственно (за счет вогнутой поверхности экрана), либо после отражения от сте­ нок колбы. Отсутствие внутреннего засвечивания экрана заметно повышает контрастность изображения (см. § 9.1). Во-вторых, свет, излучаемый люминофором в сторону металлической пленки, отра­ жается последней в сторону наблюдателя; вследствие чего увели­ чивается яркость свечения экрана. Поэтому алюминированные экраны имеют большую световую отдачу. В-третьих, при наличии металлического слоя, электрически соединенного с анодом прожек­ тора, потенциал экрана не зависит от вторично-эмиссионных свойств люминофора и энергия электронов, приходящих на экран, однозначно определяется ускоряющим напряжением прожектора. Поэтому трубки с алюминированным экраном могут работать при ускоряющих напряжениях, больших второго критического потен­ циала катодолюминофора. И, наконец, металлическая пленка пре­ пятствует попаданию на слой люминофора тяжелых заряженных частиц — отрицательных ионов, разрушающих люминофор, вследст­ вие чего экраны с металлическим покрытием оказываются более стойкими, особенно при использовании высоких ускоряющих на­ пряжений. Трубки с алюминированными экранами не нуждаются в ионных ловушках (см. § 9.3).

Металлическая пленка, покрывающая люминофор, должна удов­ летворять нескольким требованиям: быть достаточно прозрачной для электронов и непрозрачной для света и тяжелых заряженных частиц; иметь высокую отражательную способность; химически не

реагировать с люминофором; допускать прогрев до высоких темпе­ ратур и хорошо обезгаживаться при прогреве; иметь не очень сложную технологию нанесения на слой люминофора. Всем пере­ численным требованиям в значительной мере удовлетворяет алю­ миниевое покрытие. Алюминий в тонких (0,1— 0,5 мкм) слоях про­ зрачен для быстрых (с энергией более 6-^8 кэв) электронов и не­ прозрачен для света. Такой слой алюминия задерживает практи­ чески все тяжелые заряженные частицы — отрицательные ионы. Гладкая поверхность алюминия хорошо отражает свет. Алюминий

певают отклонение от первоначального направления движения, рас­ сеиваются в алюминии. Поглощение электронов снижает эффек­ тивность использования электронного луча, яркость свечения экра­ на падает, а рассеяние приводит к уменьшению разрешающей спо­ собности экрана. Поэтому при небольших ускоряющих напряже­ ниях алюминированный экран имеет меньшую световую отдачу, чем неалюминированный. При ускоряющих напряжениях 6— 8 кв

световая отдача алюминированного и неалюминированного экра­ нов примерно одинакова, а при напряжениях выше 10 кв световая отдача алюминированного экрана на 50— 60% больше неалюмини­ рованного. Поэтому алюминированные экраны целесообразно при­ менять только в высоковольтных трубках. Примерная зависимость световой отдачи от ускоряющего напряжения для алюминирован­ ного и неалюминированного экранов с сульфидным люминофором приведена на рис. 6.19.

В некоторых трубках специального назначения применяются экраны, покрытые несколькими различными люминофорами. Н а ­ пример, в кинескопах для приема цветного изображения покрытие

экрана состоит либо из отдельных, сгруппированных по три, точек, светящихся синим, зеленым и красным цветом, либо из чередую­ щихся полос, светящихся теми ж е цветами. Имеются такж е экраны, покрытие которых состоит из чередующихся полос с оранжевым и голубым цветами свечения. В табл. 6.2 приведены основные пара­ метры типовых экранов, используемых в отечественных электрон­ нолучевых приборах.

Получение высококачественного экрана возможно лишь при со­ блюдении ряда условий. Подложка (дно колбы) и люминофор дол­ жны быть достаточно чистыми, так как даже ничтожные загрязне­ ния могут существенно изменить параметры экран — яркость и цвет свечения, привести к появлению темных или светящихся от­ личным от цвета свечения всего экрана точек и пятен. Точно так же достаточно чистыми должны быть вещества и растворители, ис­ пользуемые при нанесении люминофоров.

Кроме того, способ нанесения люминофора должен обеспечи­ вать получение однородного и прочно удерживающегося на под­ ложке слоя. И , наконец, технологические операции, производимые после нанесения люминофора (например, нанесение проводяще­ го покрытия, заварка колбы прибора, активирование катода прожектора и т. д .), не должны приводить к изменению свойств экрана.

Изготовление экрана требует строгого соблюдения правил ва­ куумной гигиены. Помещения, в которых производится нанесение люминофора, должны иметь определенную постоянную температу­ ру и влажность воздуха, не содержать пыли, паров или газов, об­ ладающих химической активностью. Колбы перед нанесением лю­ минофора должны тщательно промываться обезжиривающими рас­ творами и слабым раствором плавиковой кислоты для удаления неорганических загрязнений. Окончательная промывка колб долж­ на производиться деминерализованной водой.

Из многочисленных способов нанесения люминофора в настоя­ щее время используются в основном два — метод осаждения и ме­ тод пульверизации. От применявшегося ранее метода сухого на­ пыления люминофора сейчас почти отказались из-за трудности по­ лучения достаточно равномерного покрытия.

Наиболее равномерное покрытие экрана получается при нане­ сении люминофора методом осаждения. Методом осаждения изго­ товляются экраны кинескопов, двухслойные (каскадные) экраны радиолокационных трубок, экраны многих приборов специального назначения. Поскольку сульфидные люминофоры обычно имеют сравнительно крупные зерна, основным методом нанесения таких светосоставов является осаждение люминофора из жидкой среды. Эта среда должна прочно связывать частицы люминофора между собой и с подложкой (дном колбы). Средой, закрепляющей люми­ нофор, чаще всего служит раствор силиката калия. При раство­ рении в деминерализованной воде силиката калия, кроме истин­ ного раствора К ^ Ю з , образуется такж е коллоидный раствор дву­ окиси кремния (SiOa), обладающий свойством полимеризации. Коллоидные частицы S i0 2 обволакивают зерна люминофора и прочно скрепляют их с подложкой. Т ак как полимеризация в обыч­ ных условиях протекает очень медленно (для закрепления люми­ нофора потребовалось бы несколько десятков часов), в раствор силиката калия добавляется вещество, ускоряющее этот процесс, так называемый коагулятор. В качестве коагулятора чаще всего используется азотнокислый стронций. При наличии коагулятора прочное закрепление люминофора осуществляется за 30— 40 мин.

Подготовленная для нанесения экрана колба устанавливается горлом вверх и в нее заливается раствор силиката калия с добав­ кой коагулятора. Отдельно готовится суспензия люминофора пу­ тем размешивания порошка люминофора в растворе силиката ка­ лия. Суспензия через шелковое сито и специальную воронку — разбрызгиватель вливается в колбу. По истечении примерно 1 ч жидкость из колбы удаляется путем постепенного слива или при помощи сифона. Метод осаждения позволяет получать высокока­ чественные экраны, однако производительность его невелика. Про­ изводительность значительно повышается в случае применения для нанесения экранов конвейерных полуавтоматов, в которых подача растворов и суспензии в колбы, а такж е выстаивание и слив жид­ кости автоматизированы. Схема такого полуавтомата показана на рис. 6.20.

Колбы устанавливаются на движущуюся ленту, над которой размещены бачки 1, 2, 3 с необходимыми растворами. С помощью специальной каретки и дозирующего устройства 4 порции раство­ ров заливаются в колбы.

Скорость движения ленты рассчитана так, чтобы за время дви­ жения колб от момента заливки до слива 5 люминофор был надеж­ но закреплен.

Методом осаждения наносятся такж е двухслойные экраны. Осаждение обычно производится из одного раствора силиката ка ­ лия, предварительно заливаемого в колбу. В раствор силиката ка ­ лия вводится сначала суспензия фотолюминофора, а по прошествии

Рис. 6.20. Схема полуавтомата для нанесения люминофора ме­ тодом осаждения

15— 20 мин— суспензия катодолюминофора. Слив (сифонированне) раствора производится после полного осаждения катодолю­ минофора.

Люминофоры, допускающие размельчение зерен до размера меньше 5 мкм, могут наноситься методом пульверизации. Этот метод широко распространен при изготовлении массовых осциллографических трубок с виллемитовыми экранами. Методом пульве­ ризации может наноситься такж е вольфрамат кальция. Схема ус­ тановки для нанесения люминофора методом пульверизации пред­ ставлена на рис. 6.21.

Колба 1 горлом вниз зажимается в держателе — патроне, вра­ щающемся при помощи мотора 3 со скоростью около 50— 60 об/мин. Внутрь колбы вводится пульверизатор 2, который мо­ жет качаться в вертикальной плоскости вдоль диаметра экрана. В пульверизатор через патрубок 4 подается суспензия люминофо­ ра, распыляемая струей сжатого воздуха от насоса 6 через патру­ бок 5. При использовании виллемита суспензия готовится на спир­ те и перед употреблением разбавляется ацетоном. Вольфраматовая