книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Тогда полуоси эллипса будут равны:

Изображение на экране зависит от отношения полуосей Ь/а. Отклонение на экране может быть представлено в виде суммы

h=Ae—to-\-BeK

Если А или В обратятся в нуль, то луч будет описывать на экране окружность при неизменной по амплитуде второй состав­ ляющей. Условие постоянства амплитуды, очевидно, будет выпол­ нено, если электрон все время находится в одной фазе, что озна­ чает равенство пролетного времени одного витка спирали периоду высокочастотного напряжения. Указанное условие может быть за­ писано в виде

В этом случае вторая составляющая смещения относительно электрона будет вращаться с удвоенной частотой. Запишем усло­ вие обращения в нуль второй составляющей:

3) пролетное время больше периода высокочастотного напря­ жения:

kiz

Т

ают

При равенстве пролетного времени периоду высокочастотного напряжения, когда на экране получается окружность, имеет место своеобразный резонанс. Введем понятие резонансной частоты /р, определяемой равенством пролетного времени периоду высокоча­ стотного напряжения:

частоте высокочастотного напряжения изображение будет зави­ сеть от величины ускоряющего напряжения. Аналогичный расчет приводит к следующим зависимостям:

времени пролета электроном одного витка спирали периоду высо­ кочастотного напряжения.

Графики зависимости отношения b/а от частоты высокочастот­ ного напряжения и ускоряющего напряжения приведены на рис. 5.29.

Из рисунка видно, что отношение b/а значительно сильнее за­ висит от частоты осциллографируемого напряжения, чем от уско­ ряющего напряжения.

нами d; |— коэффициент, играющий ту же роль, что и коэффи­ циент амплитудной погрешности в обычной отклоняющей системе.

Нетрудно видеть, что при резонансе (т=7') £=1, т. е. чувстви­ тельность спиральной отклоняющей системы равна чувствительно­ сти обычной отклоняющей системы на низких частотах. Интересно отметить, что чувствительность спиральной отклоняющей системы на низких частотах при ускоряющих напряжениях, обеспечиваю­ щих достаточную для хорошей фокусировки и заметного свечения экрана скорость электронов, очень мала. Таким образом, исполь­ зование саморазвертывающей спиральной отклоняющей системы имеет смысл лишь при достаточно высоких частотах отклоняюще­ го напряжения, начиная примерно со 100— 200 Мгц.

Следует иметь в виду, что верхний предел частоты также огра­ ничен, так как при очень высоких частотах для получения макси­ мальной чувствительности (резонанса) необходимы очень высокие ускоряющие напряжения, что может встретить технические затруд­ нения. Однако если использовать спиральную отклоняющую систему в режиме бегущей волны, то верхний предел частоты осциллографируемого напряжения можно заметно увеличить. Для обеспечения режима бегущей волны выходные концы спирали не­ обходимо нагрузить согласованным сопротивлением.

Спиральная отклоняющая система позволяет достаточно хоро­ шо проанализировать сверхвысокочастотные сигналы. Достоинст­ вом таких систем является саморазвертываемость, при которой нет необходимости в генераторе временной развертки. Кроме того, спи­ ральной отклоняющей системе присуща высокая чувствительность, сравнимая с чувствительностью обычных отклоняющих систем на низких частотах. Наконец, спиральная система сравнительно про­ ста конструктивно.

Однако спиральные отклоняющие системы имеют и существен­ ный недостаток, заключающийся в том, что исследуемый сигнал может наблюдаться только в виде фигуры Лиссажу. Анализ чисто синусоидальных процессов, а также синусоидальных колебаний, модулированных по амплитуде или частоте, не очень сложен, по виду и размерам осциллограмм можно однозначно определить ха­ рактер изменения исследуемого сигнала во времени. Значительно сложнее анализ несинусоидальных высокочастотных сигналов. Ана­ лиз ультрадинамических фигур Лиссажу представляет значитель­ ные трудности, и вопрос о характере изменения во времени высо­ кочастотного сигнала в ряде случаев вообще не может быть решен однозначно. К недостатку спиральной отклоняющей системы сле­ дует отнести также ее сравнительную узкополосность, так как для получения не очень малой чувствительности приходится работать на частотах, близких к резонансным.

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ ЭКРАНЫ

§ 6.1. КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭКРАНАМ

Одним из основных элементов многих электроннолучевых прибо­ ров (осциллографические, приемные телевизионные и радиолока­ ционные трубки, электронные преобразователи изображения) яв­ ляется люминесцирующий экран, преобразующий энергию элек­ тронного луча, падающего на экран, в энергию света, обычно в видимой части спектра. Экраном электроннолучевого прибора на­ зывается слой светящегося под действием ударов электронов ве­ щества, нанесенный на подложку, роль которой в большинстве случаев выполняет дно колбы прибора. Свечение экрана обычно наблюдается со стороны, противоположной стороне, подвергаемой электронной бомбардировке, т. е. сквозь прозрачную для света под­ ложку. Лишь в очень редких случаях, когда свечение наблюдается со стороны падения электронного луча, подложка экрана может быть непрозрачной для света, например представлять собой тон­ кий слой металла.

Свойства экрана в основном определяются родом вещества, пре­ образующего энергию электронного луча в свет. Однако род под­ ложки, способ нанесения светосостава, его структура, наличие при­ месей и дополнительных покрытий, термическая обработка и неко­ торые другие факторы могут заметно изменить свойства экрана. Точно так же параметры электронного луча, возбуждающего све­ чение, например, возбуждение экрана неподвижным или бегущим лучом, при одинаковой мощности луча влияют на характеристики экрана.

Явление свечения под ударами электронов было замечено еще в конце XIX в., оно присуще многим природным веществам, а так­

л ю м и н е с ц е н ц и и , лежит в основе действия люминесцирующих экранов. Вещества, обладающие способностью светиться под дей­

веществ, обладающих в той или иной степени способностью преоб­ разовывать энергию электронного луча в энергию света к катодолюминофорам относят лишь те, которые осуществляют это преоб­ разование достаточно эффективно, т. е. светятся с необходимой яркостью при сравнительно небольшой затрате энергии.

Несмотря на то, что явление свечения известно давно, теория катодолюминесценции была разработана лишь в 30—40-х годах

нашего столетия. И в настоящее время некоторые вопросы теории требуют уточнения. Значительный вклад в создание современной теории катодолюминесценции внесли академик С. И. Вавилов и его ученики.

Согласно современным представлениям, явление свечения катодолюминофора объясняется переходом электронов с более высо­ кого энергетического уровня на один из разрешенных низших уров­ ней. При таком переходе выделяется квант света с энергией, опре­ деляемой разностью энергий верхнего и нижнего энергетических уровней. Большинство практически используемых катодолюмино-

сунка, внутри достаточно широкой (1,5— 2 эв) запрещенной зоны W0 имеются локальные разрешенные уровни, возникшие за счет примесей и дефектов кри­ сталлической решетки. Таким образом, катодолюминофоры по сво­ им физическим свойствам близки к примесным полупроводникам, и наличие дополнительных уровней в запрещенной зоне, опреде­ ляющие их полупроводниковый характер, играет существенную роль в процессе возникновения свечения.

При бомбардировке кристаллов люминофора электронами пуч­ ка, возбуждающего свечение, часть электронов из валентной зоны

троны окажутся в зоне проводимости на уровнях, лежащих выше

шое значение в работе электроннолучевых приборов (см. § 6.5). Электроны, остающиеся в зоне проводимости, повышают электро­

типах потенциалоскопов (см. гл. 11). Однако лишь некоторая доля вторичных электронов покидает экран. Значительная часть вторич­ ных электронов взаимодействует с кристаллами люминофора, вы­

зывая новые акты возбуждения или выход третичных электронов, которые в свою очередь могут возбуждать люминофор. Акты воз­ буждения вторичными и третичными электронами даже более ве­ роятны, чем непосредственное возбуждение быстрыми (первичны­ ми) электронами.

Электроны, переброшенные в зону проводимости, но не вышед­ шие за пределы кристалла, быстро переходят на свободные ниж­ ние уровни зоны проводимости (переходы 2— 5, 8—9). У этих элек­ тронов имеются две возможности для рекомбинации с дыркой — переход либо непосредственно в валентную зону, либо на один иа локальных уровней (переход 5—6). Первый случай, как показыва­ ет теоретический расчет, весьма мало вероятен (такой переход сопровождался бы выделением кванта с энергией ftvо = ^ о). Более вероятен переход на один из локальных уровней, сопровождаю­ щийся выделением кванта с энергией ftvi = №1<№о. Так как в ре­ альных кристаллах имеется целый ряд локальных уровней, спектр излучения катодолюминофора обычно занимает некоторую полосу с выраженным максимумом, соответствующим переходам электро­ нов с нижнего уровня зоны проводимости на наиболее распрост­ раненные в данном кристалле локальные уровни. Кроме того, раз­ мытие спектра излучения в значительной мере обусловливается тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки люми­ нофора.

Рассмотренный механизм возникновения катодолюминесценции позволяет предположить, что спектр излучения определяется толь­ ко природой люминофора и не зависит от параметров пучка, воз­ буждающего свечение (плотности тока, энергии электронов, скоро­ сти перемещения луча по экрану). Однако опыт показывает, что изменение параметров пучка в некоторых случаях влияет на цвет свечения экрана. Это влияние особенно заметно при наличии не­ скольких полос в спектре излучения. Условия возбуждения для разных полос неодинаковы: коротковолновое излучение в большей степени возбуждается быстрыми (первичными) электронами, длин­ новолновое— медленными (вторичными) и третичными электрона­ ми. Поэтому при изменении, например, ускоряющего напряжения возрастает интенсивность коротковолнового излучения с ростом энергии электронов, что и наблюдается как изменение цвета све­ чения экрана.

Переходы типа 1—2— 5—6 протекают весьма быстро (10-8— 10-9 сек), поэтому разгорание и затухание свечения люминофора должно было бы происходить практически мгновенно. Однако опыт показывает, что разгорание в большинстве случаев протекает весь­ ма быстро, а затухание — спад яркости после прекращения элек­ тронной бомбардировки катодолюминофора — иногда растягивает­ ся во времени до нескольких секунд и даже минут. Наличие дли­ тельного послесвечения объясняется задержкой электронов в так называемых электронных ловушках — локальных дефектах кри­ сталлической решетки, захватывающих электроны из зоны прово­ димости и удерживающих их длительное время. Из ловушки элек­

трон за счет теплового возбуждения может перейти в. зону про­ водимости, а оттуда на один из локальных уровней с выделением кванта света. Такой переход с задержкой в ловушке представлен на рис. 6.1 в виде цепочки 7—8— 9— 10— 11— 12.

Как было указано выше, достаточно эффективное преобразова­ ние энергии электронного луча в излучение люминофора возмож­ но лишь при наличии дефектов кристаллической решетки — локаль­ ных уровней в запрещенной зоне. В некоторых случаях подобные дефекты могут возникать при термической обработке люминофора. Например, при прогреве окиси цинка в кристаллической решетке обнаруживаются избыточные атомы цинка, т. е. имеет место нару­ шение стехиометрической закономерности. Такие же нарушения наблюдаются в некоторых вольфраматах, например в CaW 04) ис­ пользуемом в качестве катодолюминофора. Обычно для получения необходимой яркости свечения катодолюминофоры активируют, т. е. вводят в основное вещество, например, сульфид или силикат цин­ ка, небольшое количество примесей, называемых активаторами. В качестве активаторов часто используются тяжелые металлы — Ag, Си, Мп. Концентрация примеси-активатора обычно подбирает­ ся экспериментально, в большинстве случаев достаточны доли про­ цента активатора по отношению к основному веществу. Следует отметить, что некоторые примеси к люминофорам не только не уве­ личивают яркости, но могут совершенно погасить свечение. Таки­ ми «отравляющими» многие люминофоры примесями являются железо и кобальт.

Поскольку основные свойства экрана зависят от катодолюмино­ фора, требования, предъявляемые к экранам электроннолучевых приборов, являются определяющими в выборе люминофора. Пер­

отношение энергии излучения люминофора к энергии, приносимой на экран возбуждающим свечение электронным лучом. Энергети­ ческий выход люминофоров невелик (8— 10%), у наиболее эффек­ тивных сульфидных люминофоров он достигает 15— 20%. Второе, также весьма существенное требование — определенный состав из­ лучения (цвет свечения) люминофора. Очень важным является также определенный характер затухания свечения или длитель­ ность послесвечения (свечения после прекращения электронной бомбардировки). В некоторых случаях необходима неизменность спектра излучения при изменении параметров возбуждающего элек­ тронного луча. Немаловажную роль играют также вторично-эмис­ сионные свойства экрана, так как отвод электрического заряда с непроводящего экрана во многих типах приборов возможен только за счет вторичной эмиссии.

Общим требованием, предъявляемым к люминофору, является его достаточно высокая физико-химическая стойкость. Люминофор должен быть влагоустойчивым, так как в противном случае сильно