Автоэмиссионный источник ультрафиолетового излучения с автокатодом из наноструктурированного углеродного материала

Сер. 10. 2011. Вып. 1

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА

УДК 537.533.2

И. В. Ехменина, Е. П. Шешин, Н. Н. Чадаев АВТОЭМИССИОННЫЙ ИСТОЧНИК

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С АВТОКАТОДОМ ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА

Введение. В настоящее время источники ультрафиолетового излучения нашли применение в лазерной технике, медицине, экологии, нефтехимии и других областях. Однако широко используемые источники ультрафиолета (эксимерные, ртутные лампы) имеют ряд существенных недостатков, таких как: громоздкость конструкции, маленькая площадь излучательной поверхности, низкая эффективность, значительная стоимость, наличие экологически вредного вещества - ртути. Поэтому необходимой является разработка новых методов получения ультрафиолета на основе последних достижений в области оптоэлектроники, с целью создания источника, обладающего высокой световой эффективностью, большим сроком службы, а также являющегося максимально экологическим как в производстве и эксплуатации, так и при утилизации.

Методика проведения эксперимента. Наиболее простая методика получения ультрафиолета заключается в использовании ультрафиолетового люминофора - вещества, способного преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люминесцировать). Автоэлектронный источник света представляет собой вакуумную лампу с электронной пушкой и экраном, на который нанесен люминофор. Электроны ускоряются анодным напряжением, под действием электронов высоких энергий светится люминофор [1, 2] (рис. 1).

Ехменина Ирина Викторовна — аспирант факультета физической и квантовой электроники, младший научный сотрудник Московского физико-технического института (государственного университета). Научный руководитель: доктор физико-математических наук, проф. Е. П. Шешин. Количество опубликованных работ: 3. Научные направления: автоэлектронная эмиссия, катодолюминесценция, физика твердого тела. E-mail: ehmenina@mail.ru.

Шешин Евгений Павлович — доктор физико-математических наук, профессор кафедры вакуумной электроники факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (государственного университета). Количество опубликованных работ: более 300. Научные направления: автоэлектронная эмиссия, катодолюминесценция, углеродные материалы. E-mail: sheshin@mail.mipt.ru.

Чадаев Николай Николаевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры вакуумной электроники факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (государственного университета). Количество опубликованных работ: более 100. Научные направления: автоэлектронная эмиссия, катодолюминесценция, углеродные материалы. E-mail: chadaev@mail.mipt.ru.

© И.В. Ехменина, Е.П. Шешин, Н.Н. Чадаев, 2011

ку

Люминофор

Алюминий

Стекло

Автокатод

Модулятор

Рис. 1. Принципиальная схема работы катодолюминесцентного источника света

с автокатодом

В лаборатории кафедры вакуумной электроники Московского физико-технического института (государственного университета) в качестве электронной пушки используется пучок полиакрилонитрильного углеродного волокна [3, 4].

Несомненными преимуществами автоэмиссионного источника излучения являются экологичность, широкий диапазон рабочих температур, высокая устойчивость к механическим вибрациям и колебаниям напряжения в сети, низкая инерционность (время «электрического» включения катода не превышает 8-10 с) и долговечность. Также необходимо отметить, что благодаря применению автокатода источник не имеет греющихся частей.

Возбуждение люминофоров электронным пучком - сложный процесс, в котором различают ряд последовательных стадий:

1. Проникновение электронов в кристаллическую решетку люминофора и образование в ней в результате неупругих столкновений каскада вторичных электронов. Часть из них теряется в результате вторичной эмиссии.

2. Возбуждение электронами центров люминесценции.

3. Выделение поглощенной энергии в виде излучательных (люминесценция) или без-излучательных переходов (потеря энергии на нагревание люминофора). Соотношение между вероятностями этих переходов характеризует эффективность данного люминофора, если учесть также потери первичных и вторичных электронов из-за реэмиссии. Рассматривая процесс катодолюминесценции и особенности его практического применения, можно наметить три группы причин, которые определяют интенсивность свечения [5].

На первом месте следует поставить условия возбуждения в смысле особенностей подвода энергии к люминофору. Сюда относятся скорость (энергия) возбуждающих электронов, плотность тока луча и длительность возбуждения. Два первых фактора определяют энергию и число электронов, достигающих в единицу времени поверхности люминофора.

Вторая группа определяющих интенсивность факторов связана непосредственно с природой люминофора. К числу физико-химических свойств последнего,

положительно или отрицательно влияющих на яркость, относятся тип и параметры кристаллической решетки, природа слагающих ее атомов, особенности химического состава и структуры, проводимость и динатронные свойства. Связь явлений здесь очень сложна и совершенно не освещена теоретически. Отдельные качественные наблюдения полностью не характеризуют всю картину взаимоотношений. Особенно большое, хотя и косвенное, влияние на интенсивность излучения оказывают динатронные свойства; при недостаточной вторичной электронной эмиссии заряд экрана существенно понижает энергию бомбардирующих электронов. Необходимо учитывать еще прочность самого химического соединения, которая определяет стойкость люминофора к электронной и ионной бомбардировкам. При достаточной мощности пучок электронов вызывает сначала временное утомление, а затем необратимое выгорание люминофора. Оба эффекта существенно понижают интенсивность свечения, причем влияние их тем меньше, чем больше физико-химическая стойкость люминофора.

Факторы третьей группы связаны с изготовлением катодолюминесцирующего экрана и с особенностями его эксплуатации. Решающую роль играют способ нанесения, толщина экрана, характер подложки, наличие биндера, степень дисперсности люминофора и т. д. В отношении дисперсности дело сводится не только к вторичному эффекту изменения оптических свойств (рассеяние, отражение); при очень мелком зерне имеет место и прямое нарушение люминесцентных свойств. Из условий эксплуатации особенно важен отвод тепла и зарядов с экрана. Температура выше известных пределов гасит люминесценцию; рассеяние зарядов диэлектриком зависит от конфигурации соседних электродов. Поэтому на предельную величину получаемой интенсивности в конечном счете влияет и конструкция самой трубки.

Из причин, определяющих интенсивность, выше приведены только самые существенные. Их достаточно, однако, чтобы характеризовать интенсивность свечения как сложную функцию большого числа переменных.

Каждая из этих констант, в свою очередь, может быть более или менее сложной функцией, часто с недостаточно определенной физической интерпретацией. Поэтому в описании катодолюминесценции приходится оперировать некоторыми усредненными свойствами. Естественно, что при переходе к крайним случаям иногда имеет место нарушение ожидаемых величин и даже самой формы их количественной зависимости.

В данной статье интенсивность катодолюминесценции рассматривается как функция напряжения, приложенного к аноду, и как функция тока катода при постоянной мощности. Также исследованы интенсивности катодолюминесценции для люминофоров с различными дисперсионными характеристиками и разным химическим составом. Зависимость интенсивности свечения I от плотности тока 3 электронного пучка и приложенного напряжения V выражается формулой

I = к/(3Ш - Vo)q,

где к - константа, зависящая от материала люминофора; V) - «мертвое напряжение» (то минимальное напряжение, которое необходимо для прохождения электроном поверхностного слоя); /(3) - некоторая функция, выражающая зависимость интенсивности свечения от плотности тока пучка электронов; величина ц лежит в пределах ц = 1-3.

При вполне определенных значениях плотности тока, которые зависят от состава люминофора, интенсивность свечения достигает предела (происходит насыщение).

Эффект насыщения почти не зависит от энергии электронов. Его появление при увеличении плотности тока электронного пучка обусловлено, во-первых, возникновением на поверхности люминофора заряда, приводящего к появлению тормозящего электрического поля (если отсутствует проводящий слой), и, во-вторых, нагреванием экрана в результате действия пучка электронов и происходящего вследствие этого температурного гашения.

Результаты и их обсуждение. Для определения характеристик будущего авто-электронного источника ультрафиолетового излучения были проведены исследования спектров ультрафиолетовых люминофоров.

а

Интенсивность, отн. ед.

б

Длина волны, нм

Рис. 2. Спектральное распределение излучения некоторых ультрафиолетовых люминофоров с различными химическими составами а — пик распределения на длине волны Л = 315 нм; б — более широкий пик распределения на длине волны Л = 295 нм.

Для измерения параметров люминофоров они были нанесены на анодную стеклянную пластинку. Анод ставился в диодную конструкцию с автокатодом из пучка углеродных волокон. Люминофоры испытывались в вакуумной камере при анодном напряжении 5-10 кВ и катодном токе 100-300 мкА.

В ходе эксперимента наблюдались эмиссионные пики на длинах волн А = 295-315 нм (рис. 2), что соответствует ближнему ультрафиолетовому диапазону.

В данной работе была изучена зависимость интенсивности ультрафиолетового излучения от напряжения на аноде при различных приложенных мощностях. Результаты приведены на рис. 3. Как из него видно, зависимости интенсивностей ультрафиолетового излучения от напряжения на аноде для катодолюминофоров с различными

а

I, мВт

и, кВ

Рис. 3. Зависимость интенсивности ультрафиолетового излучения люминофоров с размерами зерен 10 нм (а) и 5 нм (б) от анодного напряжения при различных потребляемых мощностях

размерами зерен (10 и 5 нм) удовлетворяют приведенной формуле с коэффициентами q, равными 1.7 и 1.9 соответственно. Однако для люминофора с большим размером зерна ультрафиолетовая интенсивность резко увеличивается с ростом тока пучка (кривая, соответствующая приложенной мощности 900 Вт, расположена гораздо выше остальных), тогда как для люминофора с меньшим размером зерна она повышается линейно с ростом катодного тока (все кривые на картинке расположены равноудалено).

Заключение. Таким образом, результаты исследования интенсивности ультрафиолетового излучения катодолюминофоров показали, что люминофоры с меньшим размером зерен не только лучше наносятся на анод и имеют более равномерную люминесценцию, но также обладают более стабильными характеристиками при различных приложенных мощностях и напряжениях.

Литература

1. Sheshin E. P., Suvorov A. L., Bobkov A. F., Dolin D. E. Light Source on the Basis of Multitip Field Emission Cathode from Carbon Materials // Abst. of 7th Intern. Vac. Microelectron. Conf. Grenoble, France, 1994. P. 423-426.

2. Лешуков М. Ю., Чадаев Н. Н., Шешин Е. П. и др. Катодолюминесцентные источники света с автокатодами из углеродных волокон // Материалы конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». М.: Тровант, 2002. C. 327-341.

3. Шешин Е. П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Изд-во Моск. физ.-техн. ин-та, 2001. 287 с.

4. Sheshin E. P. Field emission of carbon fibers // Ultramicroscopy. 1999. Vol. 79. P. 101-108.

5. Москвин А. В. Катодолюминесценция: в 2 ч. М.; Л.: Гостехиздат, 1948. Ч. 1. 348 с.

Статья рекомендована к печати проф. Д. А. Овсянниковым.

Статья принята к печати 14 октября 2010 г.