|
|
|
|
|
|
||
Для преобразования энергии электронов в световую энергию служат люминесцирующие экраны. Электронный луч, попадая на такой экран, отдает целиком или частично свою энергию зернам люминофора, которые возбуждаются. Такой вид люминесценции называется катодолюминесценцией. Люминесценция, независимо от способа возбуждения, делится на флюоресценцию и фосфоресценцию. Флюоресценция исчезает немедленно после снятия возбуждения, в то время как фосфоресценция продолжает существовать и после прекращения возбуждения.
Различают тонкоструктурные порошковые катодолюминесцирующие экраны, а также бесструктурные экраны, состоящие из однородного люминесцирующего слоя, например, сублимат-экраны, монокристаллы (вольфрамит кальция), катодолюминесцирующие стекла. Порошковые экраны (рис.19,а) получают осаждением жидкого люминофора на стеклянную подложку. Сам люминофор состоит из основного материала, флюса, активатора и отравителя.
Основной материал, имеющий неизменную структуру кристалла, обычно бесцветен и является полупроводником с электронной структурой. В качестве основного материала эффективны сульфиды и селениды цинка, кадмия, кальция, стронция. В качестве флюса используют соли натрия, калия, лития. Они нужны только для кристаллизации, после чего их большая часть удаляется. Активаторами являются такие металлы, как медь, серебро, цинк, марганец, хром. Они позволяют управлять спектральной характеристикой экрана. Отравители, наоборот, ухудшают оптические свойства люминофора, однако позволяют управлять длительность послесвечения.
Для порошкового экрана существует оптимальная толщина слоя люминофора, при которой световой поток с передней стороны является наибольшим. При больших толщинах световой поток к наблюдателю уменьшается из-за рассеяния и поглощения в слое люминофора. При малых толщинах люминофора в нем имеются просветы и возбуждаемый световой поток также мал.
Пленки (бесструктурные экраны) отличаются, по сравнению с порошковыми экранами, более высокой прозрачностью, при этом их внешняя сторона может быть полированной или матовой.
В прозрачных пленках люминофора с гладкой поверхностью (рис.19,б) значительная часть света распространяется вдоль пленки, выходя из нее на торцах. Количество света, выходящего из подложки в сторону наблюдателя, зависит от соотношения между коэффициентами преломления подложки и пленки люминофора. Так, для пленки сульфида цинка (n =2,4) на стекле (n=1,5) количество света, выходящего из подложки к наблюдателю, составляет лишь 5%.
Неполированные матовые пленки люминофора (рис.19,в) обеспечивают более высокую яркость, чем полированные, что объясняется рассеиванием света на внешней матовой поверхности люминофора. Однако такое рассеяние создает монотонно убывающий световой поток вокруг светящегося элемента, обуславливая низкий уровень передачи контраста.
Так как в приборах наблюдения при усилении света решающую роль играет чувствительность устройства к перепаду яркостей (контрасту), то предпочтение отдают более ярким экранам, хотя и с ущерб разрешающей способности. Наиболее яркие экраны получаются при осаждении, но за счет зернистой структуры их разрешение мало, так как зерна светятся различно при одинаковом возбуждении.
Основными характеристиками экрана принято считать спектральную характеристику. Световую отдачу (светоотдачу), разрешающую способность и постоянную времени. Иногда надо учитывать диапазон линейной зависимости между плотностью тока электронного луча и люминесценцией.
Спектральная характеристика люминофоров выбирается в зависимости от того, с каким фотоприемником работает экран. При этом добиваются наибольшего значения коэффициента использования светового потока приемником излучения. Этот коэффициент вычисляется по следующей формуле:
где V( l) - спектральная чувствительность приемника (глаза);
b(l) - спектральная яркость свечения экрана. Для экрана ZnS+CdS:Ag k=0,7.
Если изображение на экране рассматривается глазом человека, то спектральную характеристику люминофора стремятся совместить с кривой видности глаза. Если фотоприемником является фотопленка, то удобнее использовать свечение люминофора в синей области, где квантовый выход фотоматериалов имеет большие значения.
В ЭОП применяются экраны из сульфида цинка и сульфида кадмия. Добавляя к этим веществам небольшие количества активаторов, удается сдвигать спектр излучения, как это показано на рис.20.
В настоящее время разработано несколько типов люминофоров, пригодных для практического использования (рис.21).
Светоотдача. Люминофор начинает светиться, когда ускоряющее напряжение превосходит некоторую величину напряжения, называемую пороговой. Она зависит от рода люминофора, метода его изготовления. Так для CuS пороговое напряжение U0 составляет 300 В, для ZnS - 170 В.
Между яркостью экрана В, плотностью тока возбуждения I и ускоряющим напряжением U существует следующая зависимость: B=pI· (U-U0)2, если плотность тока не превышает 100 мкА/см2.
Световая отдача - это отношение светового потока, излучаемого экраном, к мощности падающего электронного луча: c = Вэ/ IU [кд/Вт].
На рис.22 и рис.23 показаны изменения яркости свечения порошкового экрана в зависимости от плотности электронного луча и приложенного напряжения.
Пропорциональная яркость свечения сохраняется лишь до насыщения люминофора, после чего увеличение тока приводит лишь к вредному нагреву экрана. Средним значением I является величина 0,3-0,7 мА/см2.
Таким образом, величина Вэ зависит от свойств люминофора, величины приложенного напряжения и плотности тока. Это значит, что при достижении предельного значения напряжения светоотдача начинает уменьшаться. Светоотдача зависит также от размеров зерен люминофора, толщины экрана, его температуры.
Яркость свечения экрана должна составлять величину в несколько десятков кандел на квадратный метр, чтобы наблюдатель мог полностью использовать разрешающую способность зрительной системы. Для увеличения светоотдачи слой люминесцентного вещества со стороны падения электронного луча покрывают металлическим зеркалом (см. рис.19). С помощью такого зеркала световой поток отражается в сторону наблюдения. Незначительная потеря энергии из-за того, что электроны должны проникать через тонкий слой металла, в расчет может не приниматься, ибо выигрыш в светоотдаче даже при достаточно толстых слоях металла оказывается значительным. Оптимальная величина слоя алюминия, используемого для зеркала, при напряжении 10 кВ составляет 0,05 мкм. При 20 кВ - 0,1 мкм. Такая пленка обеспечивает усиление светового потока в 2,2 раза ([1]*). Кроме усиления света, алюминиевая пленка исключает обратную связь экрана с фотокатодом.
При катодолюминесценции не вся энергия электронов используется для возбуждения. Часть электронов в результате вторичной эмиссии покидает вещество. При этом экран заряжается положительно. Если пленку алюминия еще соединить с источником питания, то ее потенциал будет постоянным. Это предохраняет экран от положительного заряда при бомбардировке его электронным пучком. Искажение электрического поля у поверхности экрана не возникает, и качество изображения улучшается.
Разрешающая способность экранов ограничена и зависит от толщины слоя, зернистости люминофора, способа изготовления экрана и типа связующего вещества. Ограничение разрешающей способности принципиально различно для двух типов экранов - полученных методом осаждения и бесструктурных.
Разрешающая способность современных экранов составляет около 15 мкм (20-40 пар лин/мм), мелкозернистых - около 7,2 мкм (120 пар лин/мм) ([1]*, [5]*). Она в 5-10 раз больше размера зерен люминофора, полученных осаждением (размер зерен - 1-50 мкм). Экраны, не имеющие зернистого строения (бесструктурные) имеют разрешение на порядок выше. Так, хорошую четкость изображения удается получить на экране из монокристаллического фтористого кальция, активизированного тербием. Спектр люминесценции такого экрана хорошо совпадает с кривой видности глаза. Разрешение у него доходит до 700 пар лин/мм, но при очень малой светоотдаче - 1,3 кд/Вт ([5]*).
Разрешающая способность экрана снижается из-за внутреннего отражения света в стеклянной подложке экрана. Хотя алюминиевая пленка устраняет влияние отражения внутрь прибора, контраст при этом может снижаться до 20% из-за многократного отражения в толще экрана.
Инерционность свечения экрана зависит от длительности процесса затухания, в течение которого яркость изображения спадает до 5-10% начальной яркости. Практически инерционность составляет 0,001-0,05 с.