книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

затрудняется хранение люминофора и его нанесение на подложку. Люминофор не должен изменять своих свойств при нагреве до тем­ пературы 400— 450° С вследствие необходимости прогревать кол­ бы электроннолучевых приборов до указанной температуры в про­ цессе заварки и обезгаживания стекла. Люминофор не должен заметно изменять свои параметры при измельчении до размера зерна в несколько микрон. Иногда требуется высокая химическая стойкость к агрессивным средам, например к парам щелочных ме­ таллов, которые вводятся в прибор при изготовлении фотокатодов. И, наконец, люминофор должен быть хорошим вакуумным мате­ риалом, т. е. легко обезгаживаться и не выделять газы или пары при работе в вакуумном приборе.

Как видно, требования, предъявляемые к люминофорам, явля­ ются достаточно жесткими, и удовлетворение этим требованиям часто оказывается довольно сложной задачей.

§ 6.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ЭКРАНОВ

Выбор того или иного типа экрана и сравнительную оценку раз­ личных экранов удобно производить, введя понятия характеристик и параметров экранов. Характеристиками экранов называют кри­ вые, выражающие зависимость какой-либо величины, определяю­ щей свойства экрана (например, яркости свечения, коэффициента вторичной эмиссии и др.), от другой величины, связанной с пара­ метрами возбуждающего свечение электронного луча, длиной вол­ ны излучаемого света, временем и т. д. Параметры экрана — это численные значения, характеризующие его свойства. Характеристи­ ки и параметры экрана в значительной мере определяются родом катодолюминофора, однако отождествлять параметры люминофора и экрана нельзя, так как свойства экрана могут заметно меняться в зависимости от природы подложки, степени измельчения и спо­

соба нанесения	люминофора,	наличия дополнительных	покрытий
и т. д.			с в е т о ­
Одним из определяющих параметров экрана является
в а я о т д а ч а ,	определяемая	как отношение силы света, излуча­

емого в направлении, перпендикулярном к поверхности экрана, к

мощности возбуждающего свечения электронного	луча:
т)= - ^ 2 - [св/вт].	(6.1)

* Э Л

Очевидно, световая отдача, так же как и энергетический к. п. д., характеризует эффективность преобразования энергии электронно­ го луча в энергию, излучаемую люминофором. В большинстве слу­ чаев излучение люминофора целиком лежит в видимой части спект­ ра, поэтому как световая отдача, так и энергетический к. п. д. одинаково полно характеризуют экран. Практически чаще основ­ ным параметром выбирают световую отдачу, как более наглядно характеризующую экран. Световая отдача экранов в зависимости от рода люминофора, величины его зерна, способов нанесения

и т. д. меняется от нескольких десятых свечи на ватт До 8— 12 св!вт. Световая отдача зависит от параметров возбуждающего •свечение луча — энергии (скорости) электронов и в меньшей сте­ пени от плотности тока пучка. От скорости электронов зависит глубина их проникновения в слой люминофора: при малой Скоро­ сти глубина проникновения электронов в люминофор невелика, высвечивание происходит вблизи поверхности, бомбардируемой электронами, и значительная часть света поглощается или рассе­ ивается в толще люминофора. Световая отдача для наблюдателя,

рассматривающего	экран со	стороны, противоположной						стороне,
Ч. ctyBm			воспринимающей					возбуж­
			дающие		электроны, невели­
			ка. По мере роста					скорости
			электронов свечение возбу­
			ждается все ближе к наблю­
			дателю, доля			поглощенного
			света	уменьшается,				а свето­
			вая	отдача		увеличивается.
			Однако, когда скорость эле­
			ктронов		станет		настолько
			большой,		что	значительная
			часть	их	будет		прострели­
			вать	слой люминофора на­
			сквозь, световая отдача уме­
Рис. 6.2. Зависимость	световой	отдачи	ньшится, так			как		условия
от ускоряющего	напряжения		передачи		энергии			электро­
			нов	люминофору				будут

•неблагоприятными. Характеристика, выражающая зависимость све­ товой отдачи от ускоряющего напряжения (рис. 6.2), имеет пологий максимум, сдвигающийся в сторону больших толщин слоя люми­ нофора с ростом ускоряющего напряжения. С увеличением плот­ ности тока световая отдача несколько уменьшается за счет насы­

щения яркости (см. стр. 353).			приборов
При	испытании	и эксплуатации электроннолучевых
•обычно	определяют	не световую отдачу, а я р к о с т ь	свечения

экрана. Яркость свечения определяется как сила света, излучае­ мого одним квадратным метром светящейся поверхности в направ­ лении наблюдателя. Равномерно светящаяся поверхность пло­ щадью 1 м2, излучающая в направлении наблюдателя свет силой в 1 св, имеет яркость в 1 нт. Яркость свечения экранов электрон­ нолучевых приборов, позволяющая достаточно хорошо различать детали изображения, должна быть не менее нескольких десятков нит; у некоторых типов приборов, например проекционных кине­ скопов, яркость свечения экранов достигает нескольких тысяч и да­ лее десятков тысяч нит.

Поскольку яркость свечения определяется силой света экрана, а сила света зависит от мощности возбуждающего электронного луча, яркость, очевидно, также зависит от мощности — тока и уско­ ряющего напряжения, определяющего скорость электронов, прихо-

дящих на экран. Теоретические расчеты и экспериментальные ис­ следования показали, что зависимость яркости свечения от пара­ метров электронного луча достаточно точно может быть представ­ лена выражением

B = Aj(Ua—U0)n,

(6.2)

где Л — коэффициент, характеризующий люминофор; / — плотность тока электронного луча; £/а — ускоряющее напряжение; U0— на­ чальный («мертвый») потенциал, определяемый как минимальное ускоряющее напряжение, при котором возникает свечение (см. стр. 354); п — показатель степени, колеблющийся для разных лю­ минофоров в пределах 1-г-2,5.

в,

чт

150

Г00

150

О 5 Ю

f II

15 20 25 иа,к8 а)

Рис. 6.3. Зависимость яркости свечения экрана от ускоряющего напряжения (а) и плотности тока луча (б)

Строго говоря, выражение (6.2) дает значение яркости свече­ ния катодолюминофора, а не экрана. Однако оно вполне удовле­ творительно описывает яркость свечения экрана при внесении по­ правки в коэффициент А, и им обычно пользуются при расчете яркости свечения экрана. Экспериментально полученные характе­ ристики яркости свечения экрана (рис. 6.3) показывают, что кри­ вая зависимости яркости от ускоряющего напряжения имеет пара­ болический характер, т. е. хорошо удовлетворяет уравнению (6.2) в широком интервале ускоряющих напряжение (имеются данные для иа = 2 0 0 кв). В то ж е время линейный характер зависимости яркости от плотности тока сохраняется лишь при малых значения / = 10—5— 10-4 а!см2. При больших плотностях тока наблюдается заметное отступление от линейного закона — наступает насыщение яркости, и дальнейшее повышение тока приводит к нагреванию экрана и разрушению люминофора. Приведенные зависимости по­ казывают, что для увеличения яркости свечения целесообразно повышать ускоряющее напряжение, оставляя плотность тока луча небольшой. Кроме того, увеличение плотности тока невыгодно по другой причине: чем больше плотность тока луча, тем сильнее вы-

12-—3266

353

ражено уменьшение разрешающей способности экрана. При плот­ ности тока, соответствующей насыщению, нарушается нормальное распределение яркости в пятне, средняя часть кривой распределе­ ния становится более плоской (рис. 6.4), кажущийся радиус пятна увеличивается, что и приводит к уменьшению разрешающей спо­ собности.

Следует иметь в виду, что в выражении (6.2) величина Ua яв­ ляется мерой энергии электронов, бомбардирующих экран. Энергия

электронов, приходящих на экран, определяется						не ускоряющим
	напряжением			прожектора,				а	истин­
	ным потенциалом					экрана		по отно­
	шению к катоду прожектора. Потен­
	циал экрана			в некоторых				случаях
	(см. § 6.5)		может заметно отличать­
	ся от потенциала последнего элек­
	трода,	поэтому			в общем			случае		в
	формулу		(6.2)		вместо		С/а		следует
	подставлять			истинное значение						по­
	тенциала экрана.							потенциа­
	Значение			начального
	ла U0 для различных люминофоров
	лежит	в пределах 30— 300						в. Непо­
	средственное			измерение			по		прекра­
	щению	свечения				является			очень
	неточным, так				как	при	небольших
	ускоряющих напряжениях из-за на­
Рис. 6.4. Увеличение радиуса	копления		на	экране, имеющем						не­
пятна с ростом плотности тока:	проводящую			подложку, отрицатель­
/ — /=0,1 ма!см7\ 2 — /=0,25 ма!см2	ного заряда			(см. § 6.5), потенциал
	экрана	будет значительно ниже								по­

тенциала ускоряющего электрода прожектора и экспериментально определенное значение начального потенциала может оказаться в несколько раз больше истинного. Более точно значение U0 можно определить, исследуя экран с металлической подложкой, электри­ чески соединенной с последним электродом прожектора, т. е. в слу­ чае принудительного поддержания равенства потенциала экрана ускоряющему напряжению. Значение начального потенциала мож­ но такж е найти, экстраполируя кривую зависимости яркости от ускоряющего напряжения, построенную в логарифмическом мас­ штабе, до пересечения с осью абсцисс.

Теоретически объяснить наличие начального потенциала в де­ сятки и сотни вольт не представляется возможным, так как ши­ рина запрещенной зоны кристаллов люминофора не превышает не­ скольких электронвольт. Повидимому, существование такой вели­ чины U0 связано с наличием неактивного поверхностного слоя на кристаллах люминофора; чтобы пробить этот неактивный слой, электроны луча должны обладать энергией не меньше eUo.

Величина показателя степени п в выражении (6.2) для многих практически исследуемых люминофоров близка к двум. Для одно­

родного люминофора эту величину можно найти расчетным путем. Если предположить, что число возбуждений пропорционально дли­ не пробега электрона в кристаллической решетке люминофора, то яркость свечения должна линейно зависеть от глубины проникно­ вения электрона в слой люминофора. Глубина проникновения элек­ трона в плотный однородный слой люминофора в свою очередь может быть довольно точно определена по формуле

х = Си4,

где С — постоянная величина; v — скорость электрона.

Поскольку для нерелятивистских электронов v ~ УТГЛ, при принятых допущениях следует предположить, что яркость пропор­ циональна квадрату ускоряющего напряжения, т. е. п—2. Однако экспериментальные данные показывают, что в ряде случаев п < 2. Показатель степени приближенно можно определить по наклону экспериментально построенной (в логарифмическом масштабе) кривой зависимости яркости от ускоряющего напряжения.

§6.3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКРАНОВ

Как было указано, одним из требований, предъявляемых к экрану, является определенный цвет его свечения. Видимый (кажущийся) цвет свечения экрана однозначно определяется положением и ин­ тенсивностью полос излучения люминофора (предполагается, что прозрачная подложка экрана не обладает избирательным лучепоглощением), т. е. его спектральной характеристикой. В то же вре­ мя заданному цвету свечения может соответствовать множество спектральных характеристик. Наиболее точно цвет свечения экра­ на можно определить по цветовым координатам полос излучения на цветовом треугольнике*. Большинство люминофоров, применя­ емых для изготовления экранов электроннолучевых приборов, име­ ет один максимум на спектральной характеристике, положение ко­

торого и определяет в основном	видимый	цвет	свечения	экрана.
В зависимости от назначения	прибора	цвет	свечения	экрана

выбирается различным. Экраны, предназначенные для непосредст­ венного наблюдения глазом, должны иметь спектральную характе­

ристику, близкую к	кривой спектральной чувствительности глаза.
В этом случае, при	прочих равных условиях (одинаковой излучае­

мой световой энергии), изображение на экране будет казаться наи­ более ярким. Поскольку максимум чувствительности глаза лежит в желто-зеленой части спектра, желательно, чтобы излучение экра­ нов приборов для визуального наблюдения было сосредоточено именно в этой области спектра. В качестве примера на рис. 6.5 приведена спектральная характеристика одного из распространен­ ных катодолюминофоров — ортосиликата цинка, активированного

* О цветовом треугольнике см., например, в книге М. С. Каивера «Основы цветного телевидения». ИЛ, 1957.

марганцем (виллемита). Н а этом же рисунке пунктиром нанесен график спектральной чувствительности глаза. К а к видно, обе кри­ вые достаточно близки.

В тех случаях, когда изображение на экране необходимо фото­ графировать, целесообразно иметь экран с более коротковолновом излучением, так как фотоэмульсии более чувствительны к коротко­ волновой области спектра. Принципиально возможно получение люминофора с максимумом излучения в ультрафиолетовой обла­ сти, однако такие люминофоры не получили распространения из-за сильного поглощения ультрафиолетовых лучей стеклом дна колбы

Рис. 6.5. Спектральная характеристика виллемита и кривая спектральной чувствительности глаза (пунктир)

и оптической системой фотоаппарата. Изготовление колб и объек­ тива фотоаппарата из специального стекла, пропускающего ультра­ фиолетовые лучи, экономически невыгодно; кроме того, предвари­ тельное наблюдение и фотографирование невидимых осциллограмм встречает значительные трудности. Поэтому экраны, предназначен­ ные для фотографирования, обычно имеют синий или сине-фиоле­ товый цвет свечения. В качестве примера на рис. 6.6 приведена спектральная характеристика экрана, покрытого сульфидом цинка, активированным серебром (экрана «А»).

При разработке экранов приемных трубок для обычного (не цветного) телевидения важное значение приобретает эстетическая сторона восприятия изображения. Телевизионное изображение представляется наиболее естественным при белом цвете свечения экрана, т. е. цвете, соответствующем средней области цветового треугольника.

Физическая природа катодолюминесценции не позволяет соз­ дать однородный люминофор, излучающий непрерывный (белый) спектр. Поэтому в настоящее время экраны телевизионных трубок покрывают смесью двух (иногда трех) люминофоров, светящихся дополнительными цветами. На рис. 6.7 приведена суммарная спек­

тральная характеристика белого экрана, активный слой которого состоит из смеси сульфида цинка и цинк-кадмийсульфпда, активи­ рованных серебром (экран «Б»),

Положение максимумов на спектральных характеристиках, а следовательно, и видимый цвет свечения экрана можно изменять

°/о

	т	450	500	550	600	650	А'НМ
Рис. 6.6. Спектральная характери­	Рис.	6.7.	Спектральная характеристика
стика экрана «А»			экрана		«Б»

в больших пределах, варьируя состав двухкомпонентного люмино­ фора. Так, например, широко применяемый цинк-кадмийсульфид (твердый раствор сульфидов цинка и кадмия), активированный се­ ребром, может иметь максимум излучения в любой части видимого спектра в зависимости от процентного содержания ZnS и CdS (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Спектральные характеристики цинк-кал- мийсульфидного люминофора

Некоторое изменение цвета можно получить подбором актива­ тора; иногда введением двух активаторов удается добиться необ­ ходимого цвета свечения. Спектральные характеристики некоторых катодолюминофоров можно заметно изменить путем термической

обработки. На рис. 6.9 показаны спектральные характеристики оки­ си цинка, прокаленной при температуре 1000° С на воздухе и в вос­ становительной среде (водороде): в первом случае люминофор име­ ет фиолетовое свечение, во втором — зеленое.

Цвет свечения однородных катодолюминофоров, имеющих одну

полосу излучения,		практически		не зависит	от параметров (тока и
					ускоряющего			напряже­
0/0					ния)	возбуждающего
/00					электронного луча. Ви­
					димый цвет			свечения
80					двухкомпонентных					лю­
					минофоров,			а	также
60					однокомпонентных					лю­
					минофоров,			имеющих
00					две	или	несколько			по­
					лос	излучения,			может
					заметно		изменяться
20					при	изменении			скоро­
0					сти	электронов			(уско­
	500		600	700 А, нм	ряющего		напряжения)
ООО					и плотности			тока		воз­
					буждающего			луча,		так
Рис. 6.9. Спектральные			характеристики окиси		как	зависимость			ярко­
цинка, прокаленной		на	воздухе и в	водороде	сти	свечения		(световой
					отдачи)		от ускоряюще­

го напряжения и плотности тока луча у разных люминофоров мо­ жет сильно различаться. В меньшей степени это различие сказы­ вается на разных полосах излучения одного люминофоров, но и в этом случае наблюдаемый цвет свечения при изменении ускоряю­ щего напряжения меняет оттенок.

§ 6.4. РАЗГОРАНИЕ И ПОСЛЕСВЕЧЕНИЕ ЭКРАНОВ

Время разгорания свечения экрана определяется квантовыми пе­ реходами в катодолюминофоре и, как было указано, очень мало. Поэтому характеристики разгорания экрана обычно не имеют су­ щественного значения для работы электроннолучевых приборов. При возбуждении экрана весьма короткими импульсами тока до­ стигаемый уровень интенсивности свечения близок к уровню интен­ сивности при длительном возбуждении. Если приемник излучения обладает интегрирующими свойствами (например, глаз и фото­ эмульсия), то даже тогда, когда длительность возбуждающего импульса меньше времени разгорания свечения, суммарный на­ блюдаемый эффект практически не зависит от крутизны фронта кривой разгорания свечения.

На рис. 6.10 показаны характеристики высвечивания двух экра­ нов с разным временем разгорания свечения.

Предположим, что оба экрана имеют одинаковую световую от­ дачу. Тогда при длительном возбуждении по прошествии времени,

большего времени разгорания более инерционного экрана, оба экрана будут иметь одинаковую яркость. Допустим теперь, что оба экрана возбуждаются короткими импульсами тока, длительность Л которых меньше времени разгорания свечения обоих экранов.

Энергия электронного луча, которая может быть преобразована люминофором в энергию излучения ( / V i ) , представлена на рис.6.10 прямоуголньиком OCDB. За время импульса ^ в виде излучения

выделится

лишь

доля

этой

энергии,

представленная

на рисунке

частью

прямоугольника

ОАВ, лежащей под

кривой

разгорания.

Доля

ж е энергии,

представленная частью прямоугольника OCDA

над характеристикой

разгорания,

запасается

люминофром

и

излу­

чается

в виде послесвечения уже

после

прекращения

возбужде­

ния.

Очевидно,

площадь

OCDA

равна площади ВАЕ, т. е. вся из­

лучаемая

энергия

равна

доле

энергии

электронного

луча, пре­

образуемой

в излучение. Анало­

гичные рассуждения

можно про­

вести для второго, более инерци­

онного

экрана.

Таким

образом,

суммарный наблюдаемый эффект

для обоих экранов

будет

одина­

Рис. 6.10. Характеристики раз-

ковым. При

восприятии

свечения

экрана

глазом

приведенное рас­

горанпя

и высвечивания экра­

нов

смотрение

будет справедливым в

том случае, если суммарное вре­ мя разгорания и послесвечения не превышает нескольких сотых се­

кунды, т. е. пока сохраняется интегрирующая способность глаза. Почернение фотоэмульсии пропорционально освещенности и вре­ мени экспозиции; следовательно, и в этом случае окончательный эффект в первом приближении не зависит от закона разгорания катодолюминофора.

Если время разгорания свечения и вид характеристики разго­ рания не имеют большого практического значения, то время после­ свечения и форма кривой затухания свечения после прекращения возбуждения люминофора электронным лучом часто оказываются весьма существенными при выборе катодолюминофора для экранов электроннолучевых приборов различного назначения. Например, для приемных телевизионных трубок желательно иметь экран с длительностью послесвечения порядка несколько сотых секунды, поскольку при этом мелькание за счет смены кадров, происходящей с частотой 50 гц, будет мало заметно. Большее время свечения экрана приведет к появлению «хвостов» за быстро движущимися деталями изображения. Для экранов радиолокационных трубок, используемых в индикаторных установках кругового обзора, время послесвечения должно быть достаточно большим — порядка не­ скольких секунд. Примером экрана, имеющего весьма короткое

послесвечение (микросекунды), является использование электрон­ нолучевой трубки в передающей телеустановке с бегущим лучом. Таким образом, в зависимости от назначения электроннолучевых трубок время послесвечения экранов необходимо варьировать в очень широких пределах — от микросекунд до нескольких секунд и даже минут.

По времени послесвечения экраны условно разделяются на пять

групп: 1)	экраны	с	очень коротким	послесвечением — менее
10-5 сек; 2) экраны		с коротким послесвечением— 10-5ч-10-2 сек;
3) экраны	со средним		послесвечением— 10_2ч-10-1		сек; 4)	экраны
с длительным послесвечением— 10-1-г-16				сек; 5)	экраны	с очень

длительным послесвечением — более 16 сек.

Поскольку затухание свечения экрана происходит постепенно, точное измерение полного времени послесвечения — от момента прекращения возбуждения до спада яркости до нуля — встречает определенные трудности, связанные с необходимостью количествен­ ной оценки, очень малых яркостей в конце затухания. Для прео­ доления указанного затруднения условились считать временем по­ слесвечения экрана промежуток времени от момента прекращения возбуждения до момента спада яркости свечения до 1 % начальной яркости. Очевидно, яркость в одну сотую первоначальной может быть измерена достаточно точно.

Характеристики затухания свечения экранов в основном опре­ деляются свойствами люминофора; для простых (однородных) лю­ минофоров экспериментально полученные кривые обычно могут быть достаточно хорошо аппроксимированы экспоненциальным или гиперболическим законом.

Для люминофоров, свечение которых обусловлено только внут­ ренними переходами в атомах, быстрота (скорость) v исчезновения

возбужденных состояний пропорциональна числу возбужденных состояний N:

v = — — —= k N .	(6.4)
dt

Интенсивность свечения I в свою очередь пропорциональна ско­ рости исчезновения возбужденных состояний:

J=y.N,

(6.6)

где х — постоянная, характеризующая люминофор.

Из (6.4) и (6.5) получается уравнение затухания люминофора:

dt			(6.6)
решением которого является экспонента:
	_	t_
/ =	/ 0е	х	(6.7)
гд е /о — интенсивность свечения	в	момент	возбуждения (/ = 0);

т — постоянная затухания, характеризующая люминофор.