Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Вакуумные катодолюминесцентные индикаторы

В основе работы приборов этого типа лежит явление катодолюминесценции, возникающей при возбуждении люминофора ускоренными электронами. Если энергия электронов сравнительно невелика (до нескольких десятков электронвольт), то говорят о низковольтной катодолюминесценции, которая используется в вакуумных люминесцентных индикаторах. Катодолюминесценция, возникающая в электронно-лучевых трубках, характеризуется гораздо большей энергией электронных пучков (десятки килоэлектрон-вольт).

Вакуумный люминесцентный индикатор (ВЛИ) представляет собой вакуумный прибор диодной или триодной конструкции. Наиболее распространенной является триодная конструкция, состоящая из катода прямого накала, сетки и нескольких анодов, покрытых низковольтным люминофором, заключенных в вакуумный баллон (рисунок 4.1).

 

Рисунок 4.1 - Устройство вакуумного люминесцентного индикатора:

1 - катод, 2 - сетка, 3 - экран, 4 - подложка, 5 - люминофор, 6 - анод.

 

Функции анода выполняют несколько электродов, покрытых люминофором. Электроны, вылетая с катода 1, имеющего температуру 900-1000 К, ускоряются электрическим полем сетки 2 и сегментов анода 6. Достигая этих сегментов, электроны возбуждают люминофор 5, вызывая его свечение. Для управления индикатором напряжение подается лишь на те сегменты анода, которые формируют требуемое изображение. Остальные сегменты находятся под тем же напряжением, что и катод; электроны, отражаясь от них, попадают на экран 3, соединенный с сеткой. На этот же экран попадает та часть электронов, которая не достигает положительно заряженных сегментов анода. Сетка 2 необходима для того, чтобы поток электронов в области анода был более равномерным, ее потенциал обычно равен потенциалу анода. В исходном состоянии, когда управляющее напряжение не подано, для предотвращения нежелательного свечения сетка имеет отрицательный потенциал на несколько вольт ниже, чем катод. Всю систему электродов вместе с подложкой 4 помещают в вакуумированный стеклянный баллон.

При облучении люминофора часть первичных электронов, попадающих на поверхность кристаллов, испытывает упругое или неупругое отражение, другая часть проникает в глубь люминофора на некоторую глубину, тем большую, чем больше их кинетическая энергия. Эта энергия расходуется на создание элементарных возбуждений кристаллической решетки - экситонов, электронно-дырочных пар, плазмонов (коллективных колебаний свободных электронов) и т. д., которые, мигрируя по кристаллу, могут возбуждать центры свечения. Кроме того, электроны больших энергий могут ионизировать атомы, выбивая на своем пути вторичные электроны, способные также принять участие в создании элементарных возбуждений решетки. В результате область, в которой происходит миграция экситонов и электронно-дырочных пар, а также возникает люминесценция, оказывается заметно шире области, в которую проникают электроны из падающего луча. Яркость катодолюминесцентных устройств зависит от условий возбуждения, т.е. плотности тока электронного пучка и ускоряющего напряжения U. Стабильную катодолюминесценцию удается получить только при таких ускоряющих напряжениях, когда число вторичных электронов, выбиваемых из кристалла и уносящих избыток заряда, становится равным числу первичных, проникающих вглубь люминофора.

У материалов, составляющих группу высоковольтных катодолюминофоров, пороговое напряжение, при котором начинается свечение люминофора - Uп составляет обычно сотни вольт; в результате ускоряющее напряжение U оказывается очень высоким (5-50 кВ), что является одним из основных недостатков приборов, в которых используют такие люминофоры. Люминофоры, используемые в низковольтных катодолюминесцентных индикаторах, обладают повышенной электропроводностью, в результате заряд, скапливающийся у их поверхности, оказывается меньше, и Uп снижается до единиц вольт. Зависимость яркости катодолюминесценции от плотности тока возбуждающих электронов линейна в широком диапазоне значений плотности тока.

Яркость, энергетический выход, цвет свечения зависят от химического состава люминофора. В качестве примера можно привести некоторые из тех, которые выпускаются для цветных телевизионных кинескопов: люминофоры на основе ZnS:Ag (цвет свечения синий), ZnCdS:Cu, А1 (цвет свечения зеленый), Y2O3:Eu (цвет свечения красный). Яркость свечения соответствующих устройств составляет (50-300) кд/м2. В вакуумных люминесцентных индикаторах используют кристаллофосфоры на основе оксида и сульфида цинка (ZnO:Zn, ZnS:Ag, ZnS:Cu+ZnO) диоксида олова (SnO2), смесь SnO2 и Y2O3S:Eu, а также некоторые другие. Эти люминофоры характеризуются низким потенциалом начала катодолюминесценции (для ZnS он равен (6-7) В, для ZnCdS – (4-5) В), поэтому общее напряжение, прикладываемое к таким индикаторам, не превышает 50-70 В. Яркость при этом может быть довольно велика (до 1000 кд/м2). От состава люминофора зависит и время послесвечения устройства: оно может составлять от 10 мкс до нескольких минут (у электронно-лучевых трубок с длительным послесвечением, используемых в запоминающих осциллографах).

Применение в вакуумных люминесцентных индикаторах катодолюминофоров разных типов позволяет получать свечение от синей (ZnS:Ag+In2O3) до красной (ZnCdS:Ag+ In2O3) областей спектра. У некоторых люминофоров спектр излучения оказывается зависящим от ускоряющего напряжения, при больших энергиях первичных электронов возбуждаются более глубокие центры свечения. Так, при увеличении анодного напряжения от 20 до 60 В цвет свечения индикаторов с SnO2:Eu и ZnS:Cl, Ag -люминофорами меняется от оранжевого до желто-зеленого. На практике наибольшее распространение получил сравнительно дешевый люминофор на основе ZnO:Zn, дающий интенсивное излучение в сине-зеленой области спектра (максимум спектра соответствует длине волны 510 нм). Применение специально подобранных светофильтров позволяет несколько разнообразить цвет свечения индикаторов.

Эффективность использования вакуумных люминесцентных индикаторов в устройствах, построенных на современных интегральных схемах (ИС), определяется комплексом их функциональных и потребительских свойств. ВЛИ непосредственно сопрягаются с ИС, обладают высокой яркостью свечения и большим углом обзора, экономичны, многоцветны, работоспособны в условиях экстремальных воздействий внешних факторов.

К числу недостатков вакуумных люминесцентных индикаторов следует отнести невысокую контрастность (что особенно сказывается при больших уровнях внешней освещенности), ограниченный угол обзора и - несмотря на отмеченные выше успешные разработки в этой области - трудность получения достаточно яркого свечения синего, желтого и красного цветов. Существенным обстоятельством, ограничивающим развитие высокоинформативных крупноформатных вакуумных люминесцентных индикаторов, является также эффект снижения энергетической эффективности индикатора при увеличении количества светоизлучающих элементов. При использовании построчной развертки эффективность индикатора снижается с ростом количества строк. Единственной мерой, снимающей это ограничение, является использование ненакаливаемого катода, потребляющего энергию лишь в момент токоотбора.

 

 

Газоразрядные индикаторы

 

Действие приборов этого типа обусловлено возникновением свечения при электрическом разряде в газовой среде. Обычно используют режим тлеющего разряда (с холодным катодом).

Основные типы газоразрядных индикаторов:

- знаковые индикаторы;

- индикаторные тиратроны;

- газоразрядные индикаторные панели (ГИП).

В свою очередь, ГИП делятся на три подгруппы: ГИП постоянного тока с внешней адресацией, ГИП постоянного тока с самосканированием и ГИП переменного тока. В знаковых индикаторах используется слабое свечение тлеющего разряда вблизи катода (свечение покрывает весь катод, который имеет форму отображаемого символа). Система независимых катодов (рисунок 4.2) позволяет получать различные изображения. Возникающее при этом излучение выходит через сетчатый анод.

 


 

а) б)

Рисунок 4.2 а) - Устройство знакомоделирующего газоразрядного индикатора:

1 - прозрачная часть анода; 2 - катоды; 3 - сплошная часть анода.

б) - Конструкция газоразрядной индикаторной панели постоянного тока с внешней адресацией: 1-стеклянные пластины; 2-диэлектрическая матрица; 3-прозрачные электроды.

 

Стеклянный баллон индикатора заполнен инертным газом (давление - порядка 100 ГПа); пока энергия электронов, вылетающих из катода, мала, в индикаторе происходят упругие столкновения этих электронов с атомами газа. Однако с повышением анодного напряжения энергия электронов постепенно увеличивается и, наконец, достигает значений, необходимых для ионизации атомов газа. Столкновения электронов с атомами становятся неупругими; в результате столкновений образуются добавочные электроны (которые, так же как и первичные, устремляются к аноду) и положительно заряженные ионы, движущиеся к катоду и выбивающие из него электроны вторичной эмиссии. Ток через лампу при этом возрастает, однако, поскольку подвижность положительных ионов значительно меньше подвижности электронов, вокруг катода создается область положительного пространственного заряда. При этом даже уменьшение напряжения по-прежнему сопровождается ростом тока, поскольку одновременно вследствие возрастания пространственного заряда ионов у катода увеличивается прикатодное поле. В результате на вольт - амперной характеристике появляется участок, соответствующий отрицательному сопротивлению.

Газоразрядные приборы обладают значительной инерционностью. Это связано с тем, что время запаздывания импульса тока в разрядном промежутке относительно импульса управляющего напряжения определяется как статистическими закономерностями вылета электронов из холодного катода, так и временем формирования электронной лавины. В то же время после прекращения действия анодного напряжения электроны и ионы рекомбинируют не мгновенно, что обусловливает существование некоторого времени запаздывания. В результате быстродействие подобных индикаторов, как правило, не превышает 10 -3 с.

Основной газовой смесью, используемой в газоразрядных индикаторах, является смесь гелия с неоном (к ним иногда в малых количествах добавляют и другие инертные газы). Видимое излучение электрического разряда в этой смеси принадлежит оранжево-красной области спектра (добавление аргона приводит к сдвигу спектра в более коротковолновую область). Световая отдача индикаторов этого типа составляет (0,2 - 0,3) лм/Вт; в красной области спектра, где 1 Вт соответствует примерно 100 лм, энергетический выход оказывается равен ( 0,2 - 0,3) %. В то же время яркость индикаторов может достигать 10 000 кд / м2.

Для повышения светоотдачи и обеспечения многоцветности в газоразрядных индикаторах часто используют фотолюминофоры, преобразующие ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимое.

Аналогичный механизм формирования светового потока используется в лампах дневного света, световая отдача которых может достигать в итоге 100 лм/Вт. Световая отдача газоразрядных индикаторных приборов, использующих свечение фотолюминофоров, заметно ниже (0,5- 1) лм/Вт, при этом энергетический выход не превышает 1%.

В отличие от знаковых индикаторов индикаторные тиратроны имеют несколько управляющих электродов - сеток и анодов, что позволяет более эффективно управлять электрическим разрядом. В приборах этого типа ультрафиолетовое излучение газа преобразуется в видимое при помощи фотолюминофора. В одном стеклянном баллоне индикатора могут размещаться несколько ячеек, свечение люминофора в каждой из которых имеет свой цвет.

Схема конструкции ГИП постоянного тока приведена на рисунке 4.2,б. Панель по существу является совокупностью большого числа двухэлектродных газоразрядных ячеек. Свечение возникает лишь в ячейках, находящихся на пересечении тех полосок электродов, на которые подано напряжение. Для повышения стабильности работы панели между верхними и нижними электродами располагается диэлектрическая пластина с отверстиями, оси которых совпадают с перекрестиями электродов. Разряд происходит в пространстве, ограниченном этими отверстиями. В газоразрядных панелях может использоваться как свечение самого разряда, так и излучение слоя люминофора.

Особенностью ГИП постоянного тока с самосканированием является наличие внутренней развертки. Вдоль каждой строки такой панели периодически пробегает разряд, проводящий предварительную ионизацию газового промежутка ячеек; свечение самого разряда незаметно оператору. Если теперь на какую-либо из ячеек подается и управляющее напряжение, то возникает разряд. К достоинствам панели этого типа относятся большая однородность и стабильность возникающего разряда, относительная простота системы управления.

В отличие от панелей рассмотренных типов, электроды ГИП переменного тока покрывают тонким слоем диэлектрика, в связи, с чем через панель может протекать лишь переменный ток. На поверхности диэлектрика, осуществляющего емкостную связь между электродами и газом, способен накапливаться заряд. Если возбуждающее напряжение U складывается с разностью потенциалов Uн, создаваемой накопившимся зарядом, в ячейке возникает электрический разряд, который в итоге приведет к локальной перезарядке диэлектриков. Общее напряжение уменьшится при этом до значения U-Uн (при соответствующем выборе U таком, чтобы U<Ut<U+Uн, где Ut - напряжение зажигания тлеющего разряда) и разряд погаснет. После перемены полярности напряжения U процесс повторится, в результате ячейка будет периодически испускать импульсы света. В то же время те ячейки, которым не было предварительно сообщено напряжение (Uн не будут зажигаться вовсе. Таким образом, рассматриваемая ГИП обладает свойством запоминать информацию, что оказывается важным при конструировании матричных экранов.

Газоразрядные индикаторы обладают значительным (порядка 104 ч) сроком службы, который может быть еще повышен, например, введением в состав газовой смеси паров ртути. В последнем случае, однако, несколько сужается температурный диапазон работы приборов, составляющий обычно (без добавок Мg) от - 60 до + 70 оС.

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...