Исследование факторов, определяющих выход УФ катодолюминесценции, с целью создания автоэмиссионного источника ультрафиолетового излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Арефьева Ирина Викторовна

• Арефьева Ирина Викторовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Арефьева Ирина Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Постановка задачи

1.2. Анализ достоинств и недостатков широкоиспользуемых источников ультрафиолетового излучения

1.2.1. Газоразрядные лампы на парах ртути

1.2.2. Эксимерные лампы

1.2.3. Ультрафиолетовые светодиоды

1.2.4. Источники ультрафиолетового излучения на основе автоэмиссионных катодов

1.4. Причины, определяющие интенсивность свечения катодолюминофоров

1.5. Краткие выводы

ГЛАВА

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ЛЮМИНОФОРОВ

2.1. Постановка задачи

2.2. Методика измерений световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров в вакуумной камере

2.2.1. Характеристики излучения ультрафиолетового диапазона

2.2.2. Стенд для электрооптических измерений

2.2.3. Спектрометр

2.2.4. Цифровая видеокамера

2.2.5. Методики измерений

2.3. Краткие выводы

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ КАТОДОЛЮМИНОФОРОВ

3.1. Постановка задачи

3.2. Исследования характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров

3.2.1. Методы измерения характеристик люминофоров

3.2.2. Люминофоры производства России (НИИ ПЛАТАН г.Фрязино)

3.2.3. Люминофоры на основе 7пЛ1204

3.3. Краткие выводы

ГЛАВА

АВТОЭМИССИОННЫЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1. Постановка задачи

4.2. Конструкция источника света с автокатодом

4.3. Метод изготовления катода из углеродных волокон

4.4. Электронно-оптическая система

4.4.1. Особенности катодно-модуляторного узла

4.4.2. Травление пучка углеродных волокон коронным разрядом

4.4.3. Вольт-амперная характеристика КМУ

4.5. Нанесение люминофора

3.6. Исследование характеристик ультрафиолетовой лампы на основе катодолюминофора ПЛАТАН КЛ-УФ

4.7. Исследование характеристик ультрафиолетовой лампы на основе

катодолюминофора 7пЛ1204

4.8. Применение ультрафиолетовых автоэмиссионных источников излучения

4.8.1. Ультрафиолетовое излучение для дезинфекции

4.8.2. Анализ и сортировка минералов

4.8.3. Лазерная накачка

4.8.4. Ультрафиолетовое отверждение

4.9. Краткие выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Используемая литература:

ВВЕДЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование факторов, определяющих выход УФ катодолюминесценции, с целью создания автоэмиссионного источника ультрафиолетового излучения»

Актуальность темы.

В настоящее время источники ультрафиолетового излучения нашли применение в лазерной технике, медицине, экологии, нефтехимии и других областях.

Однако, широкоиспользуемые источники ультрафиолета (эксимерные, ртутные лампы, популярные ультрафиолетовые светодиоды) имеют ряд существенных недостатков, таких как: громоздкость конструкции, маленькая площадь излучательной поверхности, низкая эффективность, высокая 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.

Принципиально новым уникальным источником ультрафиолета может стать автоэмиссионная лампа. Спектр излучения автоэмиссионной лампы зависит от химического состава люминофора, поэтому для создания автоэмиссионного ультрафиолетового источника излучения актуальной является задача поиска новых широкозонных люминесцентных материалов, излучающих в ультрафиолетовой области спектра.

Не смотря на то, что исследования в области автоэмиссионной электроники ведутся уже много лет, до сих пор никто не занимался разработкой и созданием автоэмиссионного ультрафиолетового излучателя. Однако имеются известные широкозонные полупроводники, которые могут быть использованы в качестве катодолюминофоров. Для этого данные материалы необходимо исследовать и

оптимизировать, выявляя факторы, определяющие срок службы, эффективность катодолюминесценции, а также спектральный состав излучения.

Цель работы: исследование и оптимизация новых люминесцентных широкозонных катодолюминофоров, излучающих в ультрафиолетовой области спектра для их дальнейшего применения в автоэмиссионных источниках излучения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- поиск широкозонных автоэмиссионных материалов, излучающих в ультрафиолетовой области спектра;

- разработка методик измерения спектральных и световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров;

- исследование спектральных и световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров, выявление факторов, определяющих эффективность люминесценции и спектральные характеристики ультрафиолетовых катодолюминофоров, поиск теоретических обоснований полученных результатов;

- оптимизация ультрафиолетовых катодолюминофоров, с целью повышения эффективности, срока службы и улучшения спектральных характеристик;

- разработка прототипа автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы: исследование влияние метода нанесения катодолюминофора на эффективность лампы, поиск оптимальных катодных материалов, доработка конструкции;

- разработка методик измерения спектральных и световых характеристик автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы;

- исследование спектральных и световых характеристик прототипа автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием калиброванных стандартных измерительных приборов и стационарных источников питания;

- достаточным объемом экспериментальных данных;

- соответствием результатов экспериментов известным литературным данным и расчетам.

Научная новизна

1. Исследованы спектральные и световые характеристики новых католюминесцентных материалов, излучающих на длинах волн менее 350 нм.

2. Выявлены факторы, определяющие спектральные характеристики излучения и эффективность катодолюминесценции новых широкозонных люминофоров. Исходя из теории катодолюминесценции, найдены причины, объясняющие полученные экспериментальные зависимости.

3. Доказана возможность использования новых катодолюминесцентных материалов в качестве стабильного и эффективного излучательного элемента автоэмиссионных ультрафиолетовых ламп.

4. Разработана конструкция автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, отличающаяся от существующих аналогов высокой эффективностью, оптимальным спектром, высоким сроком службы и отсутствием экологически вредных веществ.

Практическая ценность

1. Получены экспериментальные зависимости эффективности катодолюминесценции и спектральных характеристик излучения от анодного напряжения и тока электронного пучка для новых ультрафиолетовых

катодолюминофоров. Предложены объяснения полученным

экспериментальным зависимостям, согласующиеся с теорией катодолюминесценции.

2. Определен оптимальный размер частиц новых ультрафиолетовых катодолюминофоров, обеспечивающий максимальную эффективность и наилучшие спектральные характеристики излучения, удалось повысить КП ультрафиолетовой катодолюминесценции в три раза;

3. Найдена эмпирическая зависимость, позволяющая предсказывать зависимости интенсивности УФ катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях.

4. Разработан прототип экологически безопасной автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы обладающей КПД 0,3-6% (что в 1,5 раза превышает аналогичные значения для современных светодиодов), спектральными характеристиками излучения с максимумами на длинах волн 315 нм, 245-265 нм, с процентной долей мощности в УФ области спектра более 99%.

Научные положения и результаты выносимые на защиту

1. Впервые исследованы новые широкозонные ультрафиолетовые неорганические катодолюминофоры. Повышен КПД излучения в три раза, благодаря контролю количества примесей, а также оптимизации технологических процессов получения и нанесения катодолюминесцентных материалов. Показано, что при анодном напряжении 3-15кВ и токе катода 30-150мкА, могут быть достигнуты оптимальные значения КПД для предложенных новых, ранее не исследуемых материалов (0.3-6%);

2. Впервые исследовано затухание ультрафиолетовой катодолюминесценции люминофора на основе гадолиния с увеличением плотности тока электронного пучка. Найдена эмпирическая зависимость, позволяющая предсказывать зависимости интенсивности УФ катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях.

Предложены объяснения полученным экспериментальным данным, согласующиеся с теорией катодолюминесценции.

3. Установлен оптимальный размер частиц, обеспечивающий максимальную эффективность и лучшие спектральные характеристики новых исследуемых ультрафиолетовых катодолюминофоров, он составляет 1-10мкм. Частицы большего (более 10мкм) и меньшего (наноразмерные частицы) излучают хуже, что связано с тепловыми и оптическими процессами, проходящими в катодолюминофорах а также добавлением примесей, негативно сказывающихся на спектре и эффективности катодолюминесценции, в процессе размола;

4. Впервые предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности использования автоэмиссии для получения экологически безопасного источника ультрафиолета. Разработана конструкция автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, позволяющая получать излучение со спектральными характеристиками в диапазоне длин волн 200-380нм, максимумы излучения -315нм, 245-265нм (оптимальная длина волны для обеззараживания), и обладающая конкурентоспособным КПД 0.3-6%.

ГЛАВА 1

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Постановка задачи

Перспективным направлением развития ультрафиолетовой светотехники является поиск новых методов получения ультрафиолета и разработка эффективных, экологичных и недорогих ультрафиолетовых ламп различных конструкций, обладающим спектром излучения в диапазоне длин волн 200-380нм. Особую роль среди методов получения ультрафиолета играет метод, основанный на явлениях автоэлектронной эмиссии и катодолюминесценции, позволяющий получить автоэмиссионную ультрафиолетовую лампу, обладающую всеми перечисленными выше достоинствами. Целью данной главы является определение путей разработки автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, которая будет обладать оптимальными, конкурентоспособными характеристиками. Для этого необходимо решить несколько задач.

Во-первых, нужно проанализировать достоинства и недостатки широкоиспользуемых в настоящее время ультрафиолетовых ламп (ртутные лампы, экисмерные лампы, УФ светодиоды).

Во-вторых, необходимо провести литературный анализ по известным ультрафиолетовым катодолюминофорам, широкозонным полупроводникам и конструкциям автоэмиссионных ламп в целом. На основании данного анализа выбрать катодолюминесцентные материалы для дальнейшего исследования. В-третьих, необходимо выделить факторы, определяющие эффективность и спектральные характеристики катодолюминесценции, используя литературу по теории катодолюминесценции и экспериментальные данные исследователей-колллег.

1.2. Анализ достоинств и недостатков широкоиспользуемых источников

ультрафиолетового излучения.

1.2.1. Газоразрядные лампы на парах ртути.

Принцип устройства

Рис. 1.1. Ртутная лампа: 1 — трубка-колба; 2 — вольфрамовый катод; 3 цоколь; 4 — штырёк; 5 — изолирующая прокладка.

Ртутные газоразрядные лампы используют газовый разряд в парах ртути для получения света, представляют собой стеклянную трубку (рис. 1.1). В торцы трубки введены вольфрамовые спиральные электроды; для повышения эмиссионной способности на электроды наносится оксидная суспензия, изготовляемая из карбонатов или перекисей щёлочноземельных металлов. В лампу вводят каплю ртути и некоторое количество инертного газа ^г, № и др.), который способствует увеличению срока службы лампы и улучшению условий возбуждения атомов ртути. При подключении лампы к источнику переменного тока между электродами лампы возникает электрический ток (десятые доли А), возбуждающий свечение атомов ртути [60].

Давление ртутных паров в лампе низкого давления зависит от температуры стенок лампы и составляет при нормальной рабочей температуре 40 °С

9 "5

примерно 10-2-10-3 торр

В такой лампе эффективно возбуждается излучение вблизи 254 и 185 нм в соотношении примерно 10:1.

В ртутных лампах низкого давления КПД преобразования вложенной в лампу электрической энергии в УФ излучение составляет 35-40%. В сочетании с простой конструкцией лампы (электромагнитный дроссель и стартер) и сроком службы более 10 тыс. ч это привело к широкому распространению ртутных ламп низкого давления в качестве источника бактерицидного излучения.

Эти лампы выпускаются в широком диапазоне мощностей от 8 до 60 Вт, а также обладают мгновенной способностью к работе после зажигания.

Большой единичной мощностью от 100 до 1.000 Вт обладают ртутные лампы высокого давления (давление наполнения 102 торр). Такие лампы имеют линейчатый спектр излучения со спектральными линиями в интервале длин волн от 100 до 380 нм. Однако эффективность такого типа ламп в 3-4 раза ниже, чем у ртутных ламп низкого давления: доля УФ излучения составляет 8 % от вкладываемой электрической энергии, а также они обладают малым сроком службы 500-1.000 ч. Кроме того, нормальный режим горения наступает через 5-10 минут после их зажигания.

Недостатки

Существенным недостатком ртутных бактерицидных ламп, ограничивающим их применение, является высокое содержание металлической ртути в свободном состоянии. В ртутных лампах низкого давления количество свободной ртути колеблется в пределах от 3 до 10 мг на лампу, а в лампах высокого давления составляет сотни миллиграмм. Так как ПДК содержания ртути в атмосферном воздухе составляет 0,3 мкг/м , то очевидно, что лампы с металлической ртутью в случае разрушения создают значительную экологическую опасность.

Практически все промышленно выпускаемые ртутные лампы высокого давления излучают линии с длиной волны менее 200 нм, что приводит к наработке высокотоксичного озона. Ртутные лампы низкого давления в основном изготавливают из боросиликатного стекла или специальных сортов кварца, которые не пропускают коротковолновое излучение и исключают наработку озона, что выгодно отличает их от озонообразующих ламп [44].

1.2.2. Эксимерные лампы

Данное устройство использует эксимеры (двухатомные возбужденные молекулы) и способно производить излучение высокой мощности ультрафиолетового диапазона (длина волны= 354нм-126нм).

Принцип работы:

В лампе один или оба электрода должны быть электрически изолированы, например, покрыты диэлектриком. При приложенном высоком напряжении (7 -10 кВ) и частоте (100-500 кГц) возникает дуговой разряд. Заряд накапливается на диэлектрической поверхности и мгновенно уменьшает поле и гасит дуговой разряд.

Рис. 1.2. Эксимерная лампа.

Может быть создано множество ламп различного стиля и формы. Во многих экспериментах они являются цилиндрическими. Типичная лампа состоит из двух концентрических кварцевых трубок, внешнего и внутреннего металлических электродов, внешнего генератора высокого напряжения и охлаждающей воды. Измеренное энергетическое отношение эффективностей (ультрафиолетовый выходной сигнал/электрический входной сигнал) может составлять 10-13%. В случае халидных смесей разряженных газов, циркулирующих между электронами, особенно для таких смесей как ArF, KrF и XeQ получаются известные частоты 192, 248 или 308 нм. Для возбужденных молекулярных комплексов в разряженных газах генерируется излучение низких длин волн: 126, 146 и 172 нм для аргона, криптона и ксенона соответственно.

Эксимерные источники УФ-излучения характеризуются высокой (до 10 МВт) мгновенной мощностью, сроком службы около 1000 ч и громоздкими высоковольтными источником питания.

Недостатки

Лампы с высокой удельной нагрузкой, такие как ртутные лампы высокого давления и импульсные ксеноновые лампы, требуют интенсивного теплоотвода, что существенно увеличивает стоимость, а также делает конструкцию аппаратов на их основе более сложной по сравнению с оборудованием на основе ртутных ламп низкого давления.

1.2.3. Ультрафиолетовые светодиоды

Принцип работы:

Рис. 1.3. Светодиод.

Светодиод — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AШBV (например, GaAs или !п?) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS) [61].

Недостатки:

В настоящий момент разработаны светодиоды с ультрафиолетовым излучением на длинах волн 280-380нм мощность излучения составляет до 650мкВт, однако, многие специалисты в области светодиодной оптики утверждают, что невозможно получить светодиод с длиной волны излучения менее 280нм. Также, не смотря на такие существенные преимущества светодиодов как длительное время службы (более 10000 часов) и отсутствие экологически вредных паров ртути, не стоит забывать о таких недостатках, как низкий КПД 0,11-10%, а также маленькая площадь излучательной поверхности 0,1-1см 2.

1.2.4. Источники ультрафиолетового излучения на основе автоэмиссионных

катодов

В последние годы идут интенсивные исследования в области создания автоэмиссионных катодолюминесцентных источников излучения [1, 2], однако серийное производство пока еще не ведется.

К наиболее привлекательным свойствам рассматриваемых источников света следует отнести их высокую экологичность, широкий диапазон рабочих температур, высокую устойчивость к механическим вибрациям и колебаниям напряжения в сети, низкую инерционность (время «электрического» включения

о

катода не превышает 10- с), широчайший диапазон цветности и высокую долговечность. Благодаря применению автокатода источник света не имеет греющихся частей.

Развитие материалов для автоэмиссионных источников излучения идет по двум основным направлениям — поиск новых эмиссионных материалов и разработка новых люминофоров, с лучшей светимостью и долговечностью.

Автоэлектронные катоды

Для создания автоэлектронных катодов используются различные материалы. Это, в первую очередь, тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, платина, рений. Также были проведены исследования автоэмиссионных свойств металлов переходных групп, таких, как хром, ниобий, гафний. Множество публикаций посвящено автоэмиссии и автокатодам из полупроводниковых материалов.

Изучение автоэлектронной эмиссии углеродных материалов началось в 70-х годах и сразу же показало принципиальную перспективность таких материалов. За прошедшие годы проведен огромный экспериментальный материал по исследованию автоэлектронной эмиссии углеродных материалов [3].

Характерными особенностями автокатодов из углеродных материалов являются: высокая плотность эмиссионного тока, высокая крутизна вольтамперной характеристики, также такие автокатоды могут долговременно работать в условиях технического вакуума (~10-6 Торр).

Автокатоды из углеродных материалов значительно дешевле и устойчивее металлических и полупроводниковых катодов, требующих для стабильной работы более высокого вакуума.

В настоящее время широкое распространение в качестве автоэмиссионного катода для катодолюминесцентных источников света получили углеродные нанотрубки. Разрабатываются светоэлементы на основе автокатода такого типа.

В своих работах Filip V., Nicolaescu D., Tanemura M., Okuyama F. [4] представили рабочий прототип светоэлемента с автокатодом на основе нанотрубок. Максимальная заявленная яркость светоэлемента составила

4 2

104 кд/м2. При этом долговременная наработка источника на срок службы автокатода составила 2500 часов без существенного уменьшения автоэмиссионного тока и яркости.

Исследовательская группа Saito Hata К, Takakura A., Yotani J., Uemura S. [5] разработала ультра яркий (до 106 кд/м2) катодолюминесцентный источник

света. Основу автокатода такого источника составляют многостенные нанотрубки.

Большинство работ Образцова А.Н. [6-8] посвящено изучению автоэлектронной эмиссии из алмазных и графитоподобных материалов, углеродных нанотрубок. Под его руководством разработан прототип катодолюминесцентной лампы с протяженным автокатодом, в виде металлической нити покрытой нанотрубками. Яркость такого светоэлемента

5 2

достигала уровня 10 кд/м при потребляемой мощности 3 Вт.

Существующие в настоящее время варианты конструкций источников излучения на основе автокатодов можно разделить на два основных класса: на просвет и на отражение. Основная, классическая конструкция состоит из автоэлектронного катода стержневого типа и металлической диафрагмы с отверстием, которая используется для вытягивания электронов (модулятор).

Для большей равномерности свечения можно использовать автокатод с распределенными эмиссионными центрами, например пленочный. В этом случае в качестве модулятора более предпочтительно использовать хорошо натянутую сетку с большой прозрачностью, выполненную из тугоплавкого материала, как это сделано в работе [9].

Однако в таких источниках света яркость электронов используется не в полной мере (~30%) из-за того, что часть фотонов летит назад в колбу.

Наилучшие результаты по увеличению к.п.д. можно получить, если сделать источник света на отражение [10]. В этом случае электроны летят к люминесцентному слою, который нанесен на алюминиевое зеркало. Потери света в данном случае определяются только незначительным (единицы процентов) поглощением света в выходном стекле и прозрачностью катодной матрицы, которую можно уменьшить до уровня менее 10%.

Довольно перспективным решением является использование в качестве автоэмиссионного катода пучка углеродных волокон [11].

Первые эксперименты по автоэлектронной эмиссии углеродных волокон производились на образцах из вискозных волокон [12], позднее были изучены эмиссионные свойства стеклоуглеродных волокон [13]. Однако наиболее распространенным объектом исследования являются полиакрилонитрильные волокна (рис. 1.4.) [14-16].

Рис. 1.4. Торцевая поверхность полиакрилонитрильного углеродного волокна

(а) и автокатод из пучка волокон (б)

Автоэмиссионный катод на основе полиакрилонитрильного волокна наиболее стабилен в условиях технического вакуума (~10-6 Тор). Эмиссионными центрами у такого автокатода являются многочисленные микровыступы, которые образованы выходящими на поверхность волокна фибриллами и их совокупностями. Во время работы автоэмиссионного катода под действием ионной бомбардировки, пондеромоторных нагрузок, разогрева микровыступов эмиссионным током, адсорбционно-миграционных процессов происходит образование разрушение эмиссионных центров, однако, вследствие особой структуры волокна, на месте разрушившихся эмиссионных центров образуются

новые, поэтому эмиссионный ток существенно не изменяется. Этот факт определяет длительное время жизни автоэлектронных катодов в условиях технического вакуума (7,5 тыс. часов при токе 50 мкА [17]), а также высокую стабильность эмиссионного тока.

Катоды из углеродных волокон без существенной деградации эмиссии удерживают вакуумные пробои, что недопустимо для подавляющего большинства других типов автоэлектронных катодов.

Дополнительным положительным обстоятельством считается то, что волокна не требуют специального предварительного заострения, предполагая лишь особый режим предварительного формирования их поверхности. То есть создание развитой эмитирующей поверхности автокатода обеспечивается не только внутренним строением углеродного волокна, но и соответствующей формовкой автокатода. Выбрав оптимальный режим формовки на поверхности автокатода можно создать максимальное количество равномерно расположенных по его поверхности эмиссионных центров, дающих примерно одинаковый вклад в общий эмиссионный ток.

К этому следует добавить, что углеродные волокна в огромных количествах выпускаются промышленностью ряда стран, что определяет их относительно невысокую стоимость. Наконец, они выпускаются только в виде пучков из сотен и тысяч единичных волокон диаметром 7-10 мкм каждое, что также рассматривается как положительное обстоятельство, поскольку позволяет без дополнительных операций создавать «многоэмиттерные» автоэмиссионные катоды.

Ультрафиолетовые люминофоры

Помимо исследования новых эмиссионных материалов, важным этапом разработки автоэмиссионного источника ультрафиолетового излучения

является поиск новых люминофоров с высокой эффективностью и долговечностью.

С начала 90-х годов начались интенсивные исследования явлений катодолюминесценции в средневольтовом диапазоне энергий электронного пучка [18]. Как уже говорилось выше, особенно перспективным является использование в качестве возбудителей катодолюминесценции острийных катодов с диаметром острия в несколько нанометров.

Но поскольку в автоэмиссионных источниках излучения электронный пучок не сканирует экран, к используемым в них люминофорным материалам предъявляются различные дополнительные, ранее не рассматривавшиеся требования такие как:

потенциал зажигания катодолюминесценции более 50 эВ, управляемость вольт-яркостной характеристики катодолюминесценции, высокие энергетическая и световая эффективности, высокая дисперсность зерен определенной формы, позволяющих наносить плотное покрытие катодолюминесцентного материала с минимальной шероховатостью, полная химическая и радиационная устойчивость люминофора в условиях интенсивной электронной бомбардировки, низкая адсорбционная способность люминофорного покрытия к остаточным газам в атмосфере прибора, исключающая заряд поверхности вторичная эмиссия или весьма значительная возбужденная катодопроводимость.

Таким образом, для создания эффективного катодолюминофора необходима разработка теоретической модели взаимодействия электронного пучка с материалом люминофора.

В работе Попова Ю. М. [19] выбор эффективного катодолюминофора основан на количественном соотношении между шириной запрещенной зоны материала (Е^ и энергией, затрачиваемой на возбуждение в нем пары электрон-дырка (Еф), а именно - Еф = 3Еg . По этому критерию был оценен предельный

энергетический выход катодолюминофора h =hn/3Еg, где Ь.п - энергия кванта излучения. При этом порог зажигания люминофора предполагался равным: Епор = 3Её + Е0 (Е0 ~30 эВ). Таким образом, Епор = 50 эВ.

Однако данный критерий хотя и давал хорошие результаты при расчете предельного значения эффективности катодолюминофоров, но для описания характеристик многих известных люминофоров не подходил. Так, ширина запрещенной зоны оксида цинка равна 3,6-3,8 эВ, а порог возбуждения этого люминофора - 3 эВ. Также предложенный критерий не предусматривал кристаллографическую анизотропию катодолюминесценции, присущую некоторым монокристаллам (например, рубин).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Арефьева Ирина Викторовна, 2014 год

Используемая литература:

1. Лейченко А., Шешин Е., Щука А. Наноструктурные углеродные материалы в катодолюминесцентных источниках света // Электроника: Средства отображения информации 6/2007, С. 94-101.

2. Field emission lighting element presented by SI Diamond Technology, Inc. at the 1997. SID International Exhibition in 1997.

3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. —М.: Изд. МФТИ, 2001. C. 287.

4. Filip V., Nicolaescu D., Tanemura M., Okuyama F. Influence of the electronic structure on the field electron emission from carbon nanotubes. // JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B. 21 (1): 382-390 JAN-FEB 2003

5. Saito Y., Hata K., Takakura A., Yotani J., Uemura S. Field emission of carbon nanotubes and its application as electron sources of ultra-high luminance light-source devices. // PHYSICA B-CONDENSED MATTER. 323 (1-4): 30-37 OCT 2002

6. A.N. Obraztsov, I.Yu. Pavlovsky, A.P. Volkov Prototype of light emitting device with thin film cold cathodes. // EuroDisplay'99. Proc. оf 19th Int. Display Res. Conf., Berlin, Germany, 1999, pp. 229-231.

7. А.П. Волков, А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский и др. Катодолюминесценция углеродных пленок, полученных методом газофазного химического осаждения. // Поверхность, ©3-6 (1999) 161-166.

8. A.N. Obraztsov, A.P. Volkov Synthesis, characterization and application of thin film carbon nanotube material. // MRS Symp. Proc. 633 (2001) A13.1.1-6.

9. Sheshin, E.P., Suvorov, A.L., Grigoriev V. A., Sheshjorkin V. J. Light Source On The Basis Of Multitip Field Emission Cathode From Carbon Materials // Abst. Of Sixth Int. Vac. Microelectron. Conf., 1993, Newport, USA. P.117 - 118.

10. 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 Int. Vac. Microelectron. Conf., 1994, Grenoble, France. P.423 - 426.

11. Baturin A.S., Eskin I.N., Trufanov A.I et al. Electron gun with field emission cathode of carbon fiber bundle // J. Vac. Sci. Technol. 2003. V. B21. №1. P. 354-357.

12. Baker F. S., Osbom A. R., Williams J. The Carbon fiber field emitter. // J. Phys. D, Appl. Phys., 1974, v. 7,15, p. 2105-2115.

13. Watt W. Production and properties of high modulus carbon fibres. // Proceeding of the Royal Society A319 (1970) №1536, p. 5.

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

15. Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия углеродного волокна. // Радиотехника и электроника 27, 1982, № 8, с.1593.

16. Шешин Е. П., Рыбаков Ю. Л. Автоэлектронные катоды из углеродных волокон // Тезисы докладов XVIII Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. - М.: Наука, 1981. - С. 213-214.

17. Бондаренко Б. В., Макуха В. И., Шешин Е. П. Стабильность эмиссии и долговечность некоторых вариантов автокатодов. // Радиотехника и электроника, 1983, т. 28, № 8, с. 1649.

18. R. O. Peterson Information Display, 1997, v. 13, № 3, p. 22-24/

19. Попов Ю. М. и др. Труды ФИАН, т. 41, 1961.

20. David Pines Elementary excitation in solids. -N. Y. - Amst., 1963, p. 382.

21. H. Yamamoto, A. Tonomyra Electron energy loss spectra and efficiencies of cathode-ray phosphors - J. of Lumin., 1976, v. 2, N13, p.947.

23. D. J. Robbins On Predicting the Maximum Efficiency of Phosphor Systems Excited by Ionizing Radiation -JES, 1980, v. 127, N12, p. 2694-2702.

24. Н. Сощин, В. Большухин Люминофоры решают все в плоскостных индикаторах, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2001, с. 54-57.

25. Москвин А. В., Катодолюминесценция, ч. 1, М.- Л., 1948

26. R. Kuhnert, R. Helbig. Vibronic structure of the green photoluminescence due to copper impurities in ZnO J. Luminesc., 26, 203 (1981)

27. Левшин В.Л., Арапова Э.Я, Блажевич А.И и др. // Труды ФИАН, 1963. Вып. 23.

28. Левшин В.Л. // Изв. АН СССР, 1965. Сер.физ.29, 346.

29. Garlick G. Luminescent Materials. Oxford, 1949. P. 172-200.

30. Garlick G. // Proc. IRE, 1955. P 43, 1907.

31. Ivey H. // IRE, Trans. on Components Parts, 1957. Vol. CP-4, №4, 114.

32. Leverenz H. An Introduction to Luminescence of Solids. New York, 1950.

33. Толстой Н.А., Феофилов П.П. // УФН, 1950.

34. Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. The carbon-fibre field emitter. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1974. V. 7. P. 2105.

35. Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. Field emission from carbone fibers: A New Electron Source. // Nature, 1972. V. 239. №8. P. 96.

36. Colin Lea Field emission from carbon fibres. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V. 6. P. 1105-1114.

37. Braun E., Smith J.F. and Sykest D.E. Carbon fibers as field emitters. // Vacuum, 1975. V. 25. №9/10. P. 425.

39. Forbes R.G., Braun E., Smith J.F. and Sykes D.E. // Proc. of 20th Field Emission Symp. Penn. State Univ. 1973. P.37.

40. Latham R.V. and Salim M.A. // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1986. V. 20. P. 181188.

41. Latham R.V. and Wilson D.A. // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1982. V. 15. P. 10831092.

42. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. —М.: Наука, 1987.

43. Ультрафиолетовое излучение, материал из Википедии - свободной энциклопедии, wikipedia.org

44. Л. М. Василяк Л. М., Костюченко С. В., Кольцов Г.В., Применение импульсного и непрерывного уф-излучения для обеззараживания воды и воздуха

45. Казанкин О.Н., Марковский Л.Я. и др. Неорганические люминофоры. -Л.: Химия, 1975.

46. Thornton W. A. J. Electrochem. Soc.. - 1960, V. 107. - P. 895—907.

47. Hopkinson R.G. Inst. Electr. Eng.. - 1946. - V93, N.3A. - P.779.

48. Малкиель Б.С. Исследование, разработка и промышленное освоение осциллографических запоминающих и цветных ЭЛТ. Дисс. на соиск. уч.ст.д.т.н., Львов, 1981.

49. Саминский Л.А. Исследования в области технологии нанесения люминофоров. Дисс. на соиск. уч.ст.к.х.н., М., 1969.

50. Grosspo P.F., Heck R.F. Method of forming phosphor screen. Патент США, Field July 27, №3672931. -1970.

51. Лобанова И.И., Фадеева Ю.Н. Сокращение цикла люминесцентного экрана методом осаждения // Электронная техника. 1976. - Т. 72, №2. - С. 51-54.

52. McGee J.D., Aslam M., Airay R.W. The Evaluation of Cascade Phosphor-Photocatode Screens // Edreances in Electronics and Electron Physics (Third

Symposium of Photoelectronic image devices) University of London, England. -1966. - V.22A. - P.407-423.

53. Жилинскас Р.А., Наускас Ю.Ю., Пуртулис Р.Ю., Якученис Л.А. Влияние качества внутренних покрытий на оптические параметры ЭЛТ // Электронная техника. - 1982. - Т.93, вып.4. - С. 28-32.

54. Саминский Л.А., Твердохлеб И.Г. Нанесение органической пленки из акрилатного лака центробежным методом на тонкострунные экраны // Электронная техника. - 1972. - Т.4, вып. 2. - С. 45-49.

55. Brill A., Klasens H. Intrinsic efficiencies of phosphors for cathode-ray excitation // Philips Research report. - 1952, - V.7, N.5. - P.17-21.

56. Лобанова И.И., Ширяева О.В. Оптимизация процессов формирования люминофорных покрытий и нанесения органической пленки с целью повышения процента выхода годных люминесцентных экранов ЭЛП на 10%. Дисс. на соиск. уч.ст.д.т.н., Москва, 1985.

57. Барановский В.И. Технология производства приемных электроннолучевых трубок // Энергия. - 1970. - С.137-178.

58. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. - М., 1962.

59. Koglin B. Lur Stabilitan reon Suspensionen // J. Soc. Cosmet. Chem.. - 1975, P/ 439-452.

60. Люминесцентная лампа, материал из Большой Советской энциклопедии. -1968.

61. Светодиод, материал из Википедии - свободной энциклопедии, wikipedia.org.

62. Лешуков М. Ю. Эмиссионные свойства углеродных волокон и катодолюминесцентные источники света на их основе : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.04 Долгопрудный, 2007 146 с. РГБ ОД, 61:07-1/728.