В последние два десятилетия углеродные материалы начали
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) На правах рукописи УДК 537.533.2 ЛЕШУКОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН И КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА НА ИХ ОСНОВЕ 01.04.04 – физическая электроника Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель д.ф.-м.н., проф. Шешин Е.П. Долгопрудный – 2007 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)». Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Шешин Евгений Павлович. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Полторацкий Эдуард Алексеевич, начальник отдела наноэлектроники ФГУП НИИ Физических Проблем им. Ф.В. Лукина; кандидат физико-математических наук, Фролов Вадим Дмитриевич, старший научный сотрудник Центра естественно-научных исследований, Институт общей физики РАН (ИОФАН). Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов» (ФГУ ТИСНУМ). Защита диссертации состоится «__» _________ 200__ года в __ часов на заседании диссертационного совета Д 212.156.01 при ГОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)» по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9. Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9, МФТИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан «___» ___________ 200__ года. Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н. Батурин А.С. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Источники света являются неотъемлемой частью нашей жизни. Потребность в искусственном освещении и средствах отображения информации постоянно возрастает. Создается огромное количество световых систем, проектируемых с учетом специфических требований к цветопередаче, уровню яркости и освещенности. Известен широкий класс источников света: это — традиционные лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы (для освещения внутри помещений и световой рекламы), газоразрядные лампы высокого давления (освещение просторных площадок и улиц), полупроводниковые (LED) и органические (OLED) светодиоды (системы подсветки, светоэлементы видеоэкранов), катодолюминесцентные лампы. Тем не менее, любой источник света обладает каким-либо характерным недостатком, например, неидеальным спектром излучения, большим временем готовности к работе, недостаточным КПД. Поэтому непрерывно идет поиск новых источников света и совершенствование имеющихся технологий. Катодолюминесцентные источники света широко применяются в виде электронно-лучевых трубок в мониторах и телевизорах. С развитием электровакуумных технологий, а именно направления автоэмиссионных технологий, открываются новые области применения, где катодолюминесцентные источники света могут реализовать свои преимущества. Идут интенсивные исследования в области создания плоских автоэмиссионных дисплеев [1] и катодолюминесцентных пальчиковых ламп [2] на основе автоэмиссионных катодов. К наиболее привлекательным свойствам источников света с автокатодами следует отнести их высокую экологичность, широкий диапазон рабочих температур, высокую устойчивость к механическим вибрациям, низкую инерционность, широчайший диапазон цветности и высокую долговечность. Благодаря применению автокатода электронный прожектор катодолюминесцентного источника света не имеет греющихся частей. С целью практического использования исследуются автоэмиссионные свойства различных материалов. Особое место в этих исследованиях занимают углеродные материалы [3]. Было создано и изучено много различных 3 видов углеродных материалов, в том числе углеродных волокон. Несмотря на расширение номенклатуры перспективных углеродных материалов для электровакуумных приборов, использование углеродных волокон в качестве автокатодов остается актуальным и на сегодняшний день. Основными непревзойденными достоинствами углеродных волокон являются долговечность автокатодов в условиях отпаянных эмиссионных приборов, а также доступность и дешевизна материала для производства автокатодов. Тем не менее, до настоящего времени выпуск серийных приборов с автокатодами на основе углеродных волокон был ограничен. Предлагалось множество вариантов изготовления автокатода из углеродных волокон, но ни один из них не являлся достаточно технологичным для производства. Однако в работе [4] авторами был предложен весьма перспективный метод изготовления автокатода: пучок углеродных волокон по специальной технологии заключался в стеклянный капилляр. Так называемая операция остекловки позволила изготавливать катоды с пучком волокон, центрированным и ориентированным вдоль оси электронного прожектора при отсутствии механических нагрузок на волокна. Этот метод может стать основой при разработке промышленной технологии производства автокатодов из углеродных волокон для различного рода приборов автоэмиссионной электроники. Цель работы: экспериментальное исследование особенностей работы автокатодов на основе ПАН углеродных волокон, а также разработка эффективных электронно-оптических систем с автоэмиссионным катодом на основе пучков углеродных волокон для катодолюминесцентных источников света. Для достижения цели автором были поставлены следующие основные научно-технические задачи: • изучить структурные и эмиссионные свойства автокатодов, изготовленных из пучков ПАН углеродных волокон; • исследовать влияние коронного разряда на эмиссионные характеристики углеродных волокон; 4 • разработать модель автокатода из пучка волокон, позволяющую рассчитывать средние значения автоэмиссионного тока с катода и определять траектории эмитированных электронов; • сформулировать основные параметры эффективности электронного прожектора и спроектировать оптимальную электронно-оптическую систему для источника света с автокатодом; • разработать и изготовить тестовые образцы катодолюминесцентных ламп триодной конструкции с автокатодом из пучка ПАН углеродных волокон; • разработать комплексную методику измерений световых и электрических характеристик катодолюминесцентных источников света; • предложить конструктивные схемы использования разработанных источников света. Научная новизна: • В работе впервые предложен и апробирован новый метод формовки автокатодов, а именно, — плазмохимическая обработка автокатодов из пучков углеродных волокон коронным разрядом на воздухе. Этот способ формовки позволяет значительно улучшить эмиссионные свойства автокатодов: пучки волокон, прошедшие обработку коронным разрядом на воздухе, при работе в вакууме дают стабильный эмиссионный ток, а эмиссионные центры распределены равномерно по рабочей поверхности катода. • Предложен новый способ описания геометрии автоэмиссионного катода, состоящего из пучка волокон и прошедшего обработку коронным разрядом: предложена двумерная функция, описывающая форму рабочей поверхности автокатода и позволяющая произвести расчет среднего автоэмиссионного тока при любых конфигурациях электрического поля. 5 • Рассчитаны оптимальные электронно-оптические системы с автокатодом из пучка углеродных волокон для катодолюминесцентных источников света триодной конструкции. • Разработана комплексная методика измерений световых и электрических характеристик катодолюминесцентных источников света. Научные результаты, выносимые на защиту: 1. Пучок углеродных волокон, подвергнутый плазмохимическому трав- лению в коронном разряде на воздухе, приобретает закругленную геометрическую форму. У автокатодов на основе обработанных таким образом пучков углеродных волокон улучшается стабильность эмиссионного тока и увеличивается равномерность распределения эмиссионных центров по рабочей поверхности катода. 2. Предложенная полуэмпирическая модель автокатода из пучка углеродных волокон позволяет рассчитывать средние значения автоэмиссионного тока с катода и определять траектории эмитированных электронов. 3. Разработанные и оптимизированные для катодолюминесцентных источников света электронно-оптические системы с автокатодами из пучков углеродных волокон обеспечивают токопрохождение через управляющий электрод более 98%, управляющие напряжения менее 1400 В и распределение электронного потока эффективно использующее всю люминесцентную область анода. 4. Разработанная комплексная методика измерений световых характеристик позволяет с хорошей точностью регистрировать основные параметры катодолюминесцентных ламп: яркость и светосилу источника света, световой поток, световую эффективность, спектр и цветовые координаты излучения. Методика одинаково точна для источников света как с линейчатым, так и со сплошным спектром излучения. Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при разработке приборов эмиссионной электроники, в частности катодолюминесцентных источников света. Исполь6 зование предложенного автором способа описания геометрии автокатода, состоящего из пучка углеродных волокон, и метода расчета среднего эмиссионного тока позволяет при численном моделировании повысить точность проектирования автоэмиссионных приборов на основе автокатодов из пучков полиакрилонитрильных волокон. Предварительная плазмохимическая обработка катодов коронным разрядом на воздухе может существенно улучшить характеристики приборов, использующих в качестве источника свободных электронов автокатоды из углеродных материалов. Технологические приемы и методы, предложенные и использованные в работе, могут стать основой при разработке промышленной технологии производства источников света с автокатодом из углеродных волокон. Внедрение результатов работы. Научные подходы и научные результаты диссертации могут быть использованы в ведущих российских научных организациях, занимающихся теоретическими и экспериментальными работами в области вакуумной и автоэмиссионной электроники: ИРЭ РАН, ФГУП НИИ «Платан», ФГУП НИИ Физических Проблем им. Ф.В.Лукина, ИОФАН, ФГУП НИИ «Волга», ФГУП «НПП «Исток». Апробация работы. В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 9 печатных источниках и 26 докладах (тезисах докладов) на научных конференциях. Основные результаты диссертации обсуждались на следующих конференциях: • 10-я – 14-я Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение». Москва, 2002 – 2006 г. • 1-я, 4-я и 5-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». Москва, 2002, 2005 и 2006 г. • 4th International Vacuum Electron Sources Conference (4-я Международная конференция по вакуумным источникам электронов). Саратов, Россия, 2002 г. 7 • th th Joint 15 International Vacuum Microelectronics Conference and 48 International Field Emission Symposium (15-я Международная конференция по вакуумной микроэлектронике, совмещенная с 48-м Международным симпозиумом по автоэмиссии). Лион, Франция, 2002 г. • 45-я – 49-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фун- • 16th International Vacuum Microelectronics Conference (16-я Международ- даментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 2002 – 2006 г. ная конференция по вакуумной микроэлектронике). Осака, Япония, 2003 г. • 10-я научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника». Судак, Украина, 2003 г. • Федеральная итоговая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным, техническим и гуманитарным наукам. Москва, 2003 г. • International conference “Displays and Vacuum Electronics” (Международная конференция по дисплеям и вакуумной электронике). Германия, 2004 г. • Международная конференция «Устойчивость и процессы управления». Санкт-Петербург, 2005 г. • 15-ое Международное совещание «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, Украина, 2005 г. • 18th International Vacuum Nanoelectronics Conference (18-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике). Оксфорд, Великобритания, 2005 г. • 9-я Международная конференция «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов». Севастополь, Украина, 2005 г. • th th Joint 19 International Vacuum Nanoelectronics Conference and 50 Inter- national Field Emission Symposium (19-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике, совмещенная с 50-м Международным симпозиумом по автоэмиссии). Гуйлинь, Китай, 2006 г. 8 Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы; изложена на 146 листах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 6 таблиц; список литературы включает 152 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы актуальность выбранной темы, описаны основные цели, задачи и научная новизна диссертационной работы. Первая глава включает в себя обзор наиболее перспективных углеродных материалов, а также методик изготовления автоэмиссионных катодов. Использование определенных типов углеродных материалов в качестве автоэмиттеров определяется в первую очередь их физическими свойствами: электро- и теплопроводностью, работой выхода электронов, характерным размером структуры. Проведенные исследования эмиссионных свойств различных углеродных материалов позволяют говорить о перспективности их использования в качестве автоэмиттеров. В настоящее время разработано значительное количество методик изготовления автоэмиссионных катодов из углеродных материалов. Углеродные материалы, которые используются в качестве автоэмиттеров, делятся на несколько групп: конструкционные материалы — высокопрочный графит, пироуглерод, стеклоуглерод; углеродные волокна (УВ) — полиакрилонитрильные, пековые, пироуглеродные; углеродные наноматериалы — аламазоподобные пленки, нанотрубки, фуллерены. Такое деление проводится условно, и в его основе лежит способ получения углеродного материала. Углерод может находиться в различных формах. В основном получаемая структура и её свойства определяются методом и технологическими параметрами производства. Одним из материалов, в большей степени удовлетворяющим требованиям, предъявляемым к автокатодам, являются углеродные волокна (рис. 1), получаемые пиролизом полиакрилонитрильных нитей. Диаметр углеродных 9 волокон около 7 мкм. Слои атомов углерода такого волокна образуют фибриллы длиной 250÷1000 Å и диаметром 20÷50 Å. Фибриллы связаны между собой аморфными областями. Такая связь обеспечивает сохранение эластичности углеродного волокна при высокой теплопроводности и электропроводности. Эмиссионными центрами у такого вида автоэлектронного катода являются многочисленные микровыступы, образованные выходящими на торцевую поверхность волокна фибриллами и их совокупностями. При работе такого автокатода в электровакуумной лампе происходит разрушение отдельных эмиссионных центров катода под действием ионной бомбардировки, пондеромоторных нагрузок, разогрева микровыступов эмиссионным током, адсорбционно-миграционных процессов. Однако на месте разрушенных эмиссионных центров автоматически из-за особенностей структурного строения материала образуются новые эмиссионные центры. Поэтому эмитирующая поверхность автоэлектронного катода из углеродного волокна, несмотря на действие разрушающих факторов, имеет тенденцию к самовосстановлению. 2 мкм а б Рис. 1. Торцевая поверхность полиакрилонитрильного углеродного волокна (а) и автокатод из пучка волокон (б) При работе автоэлектронного катода разрушение отдельных микровыступов не приводит к существенному изменению эмиссионного тока, так как среднее число микровыступов остается почти неизменным. Восстановление эмиссионных центров обеспечивает высокую стабильность эмиссионного тока и длительную работоспособность автокатода. Углеродные волокна имеют 10 более длительное время жизни, они доступнее и технологичнее в сравнении с другими типами автокатодов, и углеродными нанотрубками в частности. Углеродные волокна не требуют сверх высокого вакуума в отпаянном приборе. В условиях технического вакуума время жизни автокатода из углеродных волокон составляет более 10 000 часов. Использование пучков из 300÷400 волокон позволяет получить ток до 200÷500 мкА при хорошей стабильности. Катоды из углеродных волокон без существенной деградации эмиссии выдерживают вакуумные пробои, что недопустимо для подавляющего большинства других типов автоэлектронных катодов. Первая глава также содержит краткий обзор по катодолюминесцентным источникам света с автокатодами на основе углеродных материалов. Разрабатываемые прототипы автоэмиссионных источников света автор условно разделил на три группы: 1) Плоские источники света (основным конструктивным отличием плоских источников света является большая площадь анода (катода) и малое расстояние между катодом и анодом по сравнению с линейными размерами катодной подложки). 2) Источники света с аксиальной конструкцией (диодная или триодная система с аксиальным расположением электродов). 3) Пальчиковые катодолюминесцентные лампы (компактная триодная система электронно-лучевой трубки). Вторая глава посвящена описанию универсальной программы и методики испытаний автокатодов на основе углеродных материалов. Описано несколько методов анализа экспериментальных данных, позволяющих получить наиболее полную информацию об исследуемом автокатоде. Для исследования эмиссионных характеристик и долговременной стабильности автоэмиссионного тока использовался автоматизированный измерительный стенд, схема которого приведена на рис. 2. 11 LTC CRAIT ЦАП Высоковольтный блок питания ВЫ СОКОВОЛЬТН Ы Й ДЕЛИТЕЛЬ RF RF LPT UА R1 КАТОД УП РАВЛЯЮ Щ ИЙ КОМ ПЬЮ ТЕР АЦП СF R2 ПРЕДВАРИТЕЛЬН Ы Й УСИЛИТЕЛЬ С ЗАЩ И ТОЙ RI Рис. 2. Схема измерительного стенда Измерительный стенд состоит из компьютера, управляющего экспериментом, LTC-крейта производства компании L-CARD, содержащего в себе платы АЦП и ЦАП, высоковольтного источника питания производства компании Bertan High Voltage с аналоговым управлением, фильтра от помех питания (резисторы RF и конденсатор CF), высоковольтного делителя (резисторы R1 и R2) с коэффициентом аттенюации 1:1000 производства компании Tektronix, прецизионного резистора для измерения тока RI, кросс-платы 4х-канального усилителя с защитой по входу (для обеспечения согласования по сопротивлению и защиты АЦП от перенапряжения на входе). Далее в главе рассмотрен метод численного анализа вольт-амперных характеристик катода с использованием выражения для тока автоэмиссии, полученного в теории Мерфи-Гуда: ⎛ ⎛ βU ⎜ bv ⎜⎜ c ϕ ⎜ I =S exp ⎜ − ⎝ β U ⎛ ⎞ U β ⎜ t2 ⎜c ⎟⎟ ϕ ⎜ ⎜ ϕ ⎝ ⎠ ⎝ aβ2U 2 ⎞ 3/2 ⎞ ϕ ⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ где t, v — функции Нордгейма, а с = 3,79469·10-5 [(м/В)1/2 эВ], S — площадь эмитирующей поверхности, β — форм-фактор катода, φ — работа выхода. 12 На практике экспериментальную зависимость автоэмиссионного тока от приложенного напряжения обычно приближают функцией вида ⎛ B′ ⎞ I = A′U 2 exp ⎜ − ⎟ . ⎝ U⎠ 2 В этом случае, если построить зависимость ln(I/U ) от 1/U, так называемые координаты Фаулера-Нордгейма, то мы должны получить прямую линию: ln I B = A+ , U U2 тангенс угла наклона которой даст нам значение параметра B = −B ′ , а пере- сечение с осью ординат значение параметра A = ln A′ . Исходя из выражения для тока автоэмиссии, полученного в теории Мерфи-Гуда, получим выражения для коэффициентов А и В: ⎡ 1 dv ⎤ ⎢v ( y ) − 2 y dy ⎥ , ⎣ ⎦ ⎛ Saβ2 ⎞ bϕ3 / 2 ⎡v ( y ) − s ( y ) ⎤⎦ , A = ln ⎜ 2 ⎟+ U ⎣ ⎝ t ( y )ϕ ⎠ B= bϕ3 / 2 β где y = c β U ϕ , s( y ) = v ( y ) − 1 dv . y 2 dy Используя экспериментальные значения коэффициентов A и B, производился расчет эмиссионных параметров катода: площади эмитирующей поверхности катода и его форм-фактора. Также во второй главе предложена методика измерения световых характеристик катодолюминесцентных источников света с автокатодом. На основе разработанной методики световых измерений автором был создан специализированный измерительный стенд (рис. 3) и специализированное программное обеспечение, позволяющее полностью автоматизировать процесс измерения спектрально-яркостных параметров излучения катодолюминесцентных ламп и обработки экспериментальных данных. 13 5 2 4 3 АЦП 6 1 Iа Iм Uм Uа Iк Iа, Im, Iк Um, Ua Рис. 3. Схема стенда для измерения светоэлектрических параметров В состав измерительного стенда входят: дифракционный спектрометр, цифровая видеокамера, высоковольтный блок питания для управления катодолюминесцентным источником света. Разработанная методика позволяет регистрировать основные световые характеристики источников света: яркость и светосила источника света, интегральный световой поток, световая эффективность, спектр и цветовые координаты излучения, время включения/выключения источника света. Третья глава посвящена исследованию влияния коронного разряда на характеристики катода из углеродных волокон. Автором разработан и апробирован метод плазмохимической обработки пучка углеродных волокон коронным разрядом на воздухе. Такая обработка позволяет существенным образом улучшить эмиссионные характеристики катода из углеродных волокон. Установлено, что при работе автоэмиссионного катода состоящего из пучка углеродных волокон происходит отклонение периферийных волокон под действием электростатических сил, что приводит к нестабильности автоэмиссионного тока и возможному отрыву отдельных волокон из пучка. 14 Для уменьшения влияния электростатических сил, отклоняющих периферийные волокна пучка, необходимо придать пучку волокон такую геометрическую форму, которая позволила бы обеспечить наиболее одинаковое электрическое поле у всех волокон в пучке, то есть подрезать отдельные, выступающие из пучка волокна, а также укоротить периферийные волокна. Сделать это с помощью механической обработки волокон технологически трудно. Для этого был предложен новый метод обработки катода состоящего из пучка углеродных волокон. Это — плазмохимический метод травления катодного пучка углеродных волокон коронным разрядом на воздухе, Автором был создан экспериментальный стенд, позволяющий воспроизвести условия возникновения коронного разряда на катоде из пучка углеродных волокон. Установка для травления состоит из анода (круглая металлическая пластина) и катода, то есть, собственно, автоэмиссионного катода, состоящего из пучка углеродных волокон. Напряжение UА на аноде и расстояние h (между анодом и катодом) подбираются таким образом, чтобы создать условия возникновения коронного разряда на катоде, а ток коронного разряда чтобы составлял ток того же порядка, что и рабочий ток автокатода в вакууме. При расстояниях h = 5÷6 мм и положительном анодном напряжении 2-3 кВ возникал коронный разряд на катоде (отрицательная корона), а при напряжении на аноде UА=+6,5÷7,5 кВ ток коронного разряда в цепи анод—катод составлял 80-100 мкА. Непременным условием возникновения коронного разряда является резкая неоднородность электрического поля, которая возникает на различных микронеровностях катода. При воздействии коронного разряда на воздухе при атмосферном давлении происходило стравливание материала катода именно на таких микронеровностях. Таким образом, длина отдельного волокна, выступающего из пучка волокон, уменьшается до тех пор, пока фактор усиления электрического поля для него не станет меньше или одинаковым по сравнению с другими волокнами из пучка. Далее, в коронный процесс включаются и другие волокна. Соответственно, на поверхности пучка углеродных волокон электрическое поле выравнивается. А это, в свою очередь, сказывается на 15 работе автоэмиссионного катода в вакууме. То есть при включении катода начинает эмитировать значительная часть волокон, так как в нетравленой структуре пучка электронная эмиссия начинается с отдельных волокон, выступающих или торчащих из общей массы (рис. 4). Рис. 4. Пучок углеродных волокон (а) и его автоэмиссионное изображение (в). Пучок углеродных волокон, подверженный плазмохимическому травлению коронным разрядом (б), и его автоэмиссионное изображение (г) Для изучения влияния процесса обработки коронным разрядом на эмиссионные характеристики автоэмиссионного катода из углеродных волокон был проведен эксперимент. Пучок волокон до и после обработки коронным разрядом ставился в диодном режиме на долговременную наработку в вакууме при постоянном токе. Периодически регистрировались и анализировались вольтамперные характеристики катода. Полученные экспериментальные данные для обработанного и необработанного коронным разрядом катода показали существенное «улучшение» динамики поведения рабочего напряжения (рис. 5). Во-первых, обработанный коронным разрядом пучок углеродных волокон меньше подвержен резкой перестройке своей структуры (перераспределение волокон в пучке). В данном эксперименте динамика поведения нетравленого катода проявляла относительно резкие спады и подъемы рабочего напряжения. В то время как для травленого коронным разрядом катода этого практически не заметно. Вовторых, после обработки пучка волокон коронным разрядом существенным образом понизилась величина локальной флуктуации анодного напряжения. 16 Если для нетравленого катода она составляла ΔUA ~ 400-500 В (~20%), то для травленого катода эта величина равнялась ΔUA ~ 200-300 В (~10%). Рис. 5. Динамика изменения анодного напряжения при долговременной наработке: а — необработанного пучка углеродных волокон, б — пучка волокон, подвергнутого действию коронного разряда на воздухе Также было проанализировано поведение автоэмиссионных параметров катода S — площади эмитирующей поверхности и β — форм-фактора катода, полученных из анализа вольт-амперных характеристик. Из графиков зависи17 мостей β(t) и S(t) выяснилось, что форм-фактор катода после обработки коронным разрядом уменьшился на ~ 20% (это немного увеличило рабочие напряжения), в то время как площадь эмитирующей поверхности катода после травления увеличилась в несколько раз. При небольшом изменении формфактора значительное увеличение площади эмитирующей поверхности катода означает увеличение количества эмиссионных центров на поверхности катода. Причем плазмохимическая обработка коронным разрядом способствовала более равномерному их распределению по поверхности катода (этому свидетельствует более равномерное автоэмиссионное изображение на люминесцентном аноде — см. рис. 4). Таким образом полученные данные свидетельствуют о том, что работает значительно большее число волокон в пучке, эмиссионные центры после обработки катода коронным разрядом более равномерно распределены по поверхности катода, а эмиссионный ток стал намного стабильнее. Четвертая глава посвящена моделированию электронно-оптических систем для катодолюминесцентных источников света с автокатодом из пучка углеродных волокон. В первой части главы особое внимание уделено методам компьютерного моделирования. Автором были рассмотрены основные методы расчета электростатических полей: метод граничных элементов (МГЭ), метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Для решения поставленных задач был выбран метод конечных элементов, как наиболее оптимальный и эффективный метод. Этот метод наилучшим образом подходит для расчета электростатических потенциалов и полей при моделировании и проектировании электронно-оптических систем с автокатодом, так как позволяет эффективно и корректно работать с границами сколь угодно сложной формы и с частями разного размера (отличающихся на порядки величины), обладает наименьшим (по сравнению с МГЭ и МКР) числом операций, необходимых для решения задачи, и не требует большого объема машинной памяти и мощного процессора. 18 Автором предложен эффективный способ описания геометрии автоэмиссионного катода, состоящего из пучка волокон и прошедшего обработку коронным разрядом. Реальному катоду из пучка волокон поставлен в соответствие модельный катод, представляющий собой цилиндр того же диаметра со скругленным торцом. Для аналитического описания формы торца цилиндра предложена двумерная функция — эллипсоид вращения z = z(x, y): x2 + y 2 z2 + = 1, r2 k 2r 2 0 < z < αr , k = 0,87 где r — радиус пучка волокон. Заданная функция хорошо повторяет контуры реального катода и удовлетворяет физическим принципам, лежащим в основе обработки коронным разрядом. На основе анализа вольт-амперных характеристик реального катода автором было получено полуэмпирическое выражение для расчета среднего автоэмиссионного тока с пучка волокон в зависимости от конфигурации электрического поля вблизи поверхности пучка волокон. Используя модельный катод и экспериментальные данные для реального катода проведено моделирование электронно-оптической системы (рис. 6а) катодолюминесцентной лампы триодной конструкции. Целью проводимого моделирования электронно-оптической системы лампы является подбор геометрических параметров (D — диаметр диафрагмы управляющего электрода, L — расстояние от модулятора до люминесцентного экрана анода, H — глубина расположения автоэмиссионного катода) электронного прожектора, удовлетворяющего следующим положениям: — необходимо обеспечить практически полное прохождение эмитируемого с катода тока до анода; — необходимо практически исключить попадание электронов на вертикальную стенку внутренней поверхности стеклооболочки лампы; — для эффективного использования автоэмиссионного тока необходимо обеспечить наиболее равномерное распределение электронного потока по внутренней поверхности экрана лампы в области с нанесенным люминофором; 19 — необходимо обеспечить максимальное значение управляющего напряжения (на модуляторе) на уровне менее 1500 В при токе катода (или анода) IK = 100 мкА и анодном напряжении UA = 10 кВ; — для обеспечения высокого контраста работающей лампы, необходимо также, чтобы при нулевом потенциале на модуляторе (или при небольшом положительном потенциале) отсутствовал автоэмиссионный ток (IA = 0 мкА). Анод (проводящее покрытие) L D H а б Рис. 6. Электронно-оптическая система катодолюминесцентной лампы (а). Расчетная модель электронного прожектора (б) с автокатодом из пучка волокон (UA = +10 кВ, UM = +1200 В, UK = 0 В) При помощи специализированного программного обеспечения для каждого набора параметров D, L, H производился расчет распределения электрического потенциала в межэлектродном пространстве электронного прожектора и распределение электрического поля вблизи рабочей поверхности катода. Учитывая ограничения, связанные с электропрочностью лампы, диапазоны изменения вышеупомянутых геометрических параметров при моделировании были следующими: D — [0,5 – 5 мм] при шаге 0,5 мм, L — [3 – 15 мм] при шаге 1 мм, H — [0 – 2 мм] при шаге 0,1 мм. 20 Далее, используя полученную полуэмпирическую формулу, производился расчет интегрального эмиссионного тока с катода, а также моделирование траекторий электронов (рис. 6б). Выполнив моделирование электронно-оптической системы с каждым набором параметров, удалось получить оптимальный набор параметров электронной пушки (D = 4 мм, L = 7 мм, H = 1,4 мм). Полученные расчетные данные позволяют уверенно полагать, что спроектированный электронный прожектор удовлетворяет всем вышепоставленным положениям (тестирование катодно-модуляторного узла, собранного по расчетным параметрам, практически подтверждает это). Достигнуто полное отсутствие перехвата автоэмиссионного тока на управляющем электроде, расчетные траектории движения электронов даже не касаются модулятора (величина тока модулятора, измеренного при рабочих напряжениях на электродах и токе катода IК = 100 мкА, составляет значение IM < 0,5 мкА); автоэлектроны практически не могут попасть на вертикальную стенку внутренней поверхности стеклооболочки лампы. Только вблизи анода они попадают на стенку лампы, но эта ситуация разрешается напылением дополнительного обода из алюминия, что, собственно, и было уже учтено при моделировании (тестирование КМУ показало, что электроны не попадают на стенку лампы); весь электронный поток, попадая на анод, должен засвечивать практически всю область с нанесенным люминофором (при тестировании пробного КМУ автоэмиссионное изображение занимало всю люминесцентную область анода); расчетная область вольт-амперной характеристики спроектированного катодно-модуляторного узла укладывается в границы модуляторного напряжения UM < 1500 В (измерения вольт- амперных характеристик КМУ показали, что при токе IK = 100 мкА и напряжении на аноде UA = 10 кВ значение модуляторного напряжения составило UМ = 1,2 кВ. В пятой главе приведены конструкции разработанных прототипов катодолюминесцентных источников света, а также технология изготовления элек21 тронных пушек и пальчиковых вакуумных ламп. Предложены варианты использования разработанных источников света в системе цветной подсветки ЖК дисплеев и модуле видео экрана низкого разрешения Основные результаты диссертационной работы: 1) Исследована работа автоэмиссионного катода, состоящего из пучка ПАН углеродных волокон, в условиях технического вакуума. Экспериментально установлено, что существенную роль в нестабильности рабочих напряжений и распределения плотности автоэмиссионного тока играет отклонение периферийных волокон в пучке под действием электростатических сил. 2) Предложен новый метод предварительной обработки катода — плазмохимическое травление пучка углеродных волокон в коронном разряде на воздухе. При травлении коронным разрядом пучок волокон приобретает закругленную геометрическую форму: «выступающие» волокна отсутствуют, а периферийные — укорочены. Установлено, что обработка коронным разрядом незначительно (не более, чем на 20%) уменьшает форм-фактор катода (что приводит к повышению рабочих напряжений), но в то же время существенно (в 3-5 раз) увеличивает площадь эмитирующей поверхности. Пучки волокон, прошедшие обработку коронным разрядом на воздухе, при работе в вакууме дают стабильный эмиссионный ток, а эмиссионные центры распределены равномерно по рабочей поверхности катода. 3) Рассмотрены основные методы расчета электростатических полей: метод граничных элементов (МГЭ), метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Для решения поставленных задач выбран метод конечных элементов, как наиболее оптимальный и эффективный метод, подходящий для расчета электростатических потенциалов и полей при моделировании и проектировании электроннооптических систем с автокатодом. Показано, что выбранный метод позволяет эффективно и корректно работать с границами сколь угодно сложной формы и с частями разного размера (отличающихся на поряд22 ки величины), обладает наименьшим (по сравнению с МГЭ и МКР) числом операций, необходимых для решения задачи, и не требует большого объема машинной памяти и мощного процессора. 4) Предложен способ описания геометрии автоэмиссионного катода, состоящего из пучка волокон и прошедшего обработку коронным разрядом. Реальному катоду из пучка волокон поставлен в соответствие модельный катод, представляющий собой цилиндр того же диаметра со скругленным торцом. Для аналитического описания формы торца цилиндра предложена двумерная функция, повторяющая контуры реального катода и удовлетворяющая физическим принципам, лежащим в основе обработки коронным разрядом. 5) На основе экспериментальных данных и компьютерного моделирования предложены: метод расчета среднего автоэмиссионного тока с пучка углеродных волокон и определение траекторий электронов, эмитированных с такого катода. 6) С помощью компьютерного моделирования спроектированы оптимальные электронно-оптические системы с автокатодом из пучка углеродных волокон для катодолюминесцентных источников света триодной конструкции. 7) Разработана комплексная методика измерений световых и электрических характеристик катодолюминесцентных источников света. Создан автоматизированный стенд для измерения основных параметров катодолюминесцентных ламп: яркость и светосила источника света, интегральный световой поток, световая эффективность, спектр и цветовые координаты излучения, время включения/выключения источника света (времена разгорания и затухания люминофора). 8) Разработаны и изготовлены прототипы катодолюминесцентных ламп триодной конструкции. Исследованы их характеристики. Предложены конструктивные схемы использования разработанных источников света в качестве светоиндикаторов для видео экранов низкого разрешения и систем цветной подсветки ЖК дисплеев. 23 Основные материалы диссертации содержатся в следующих работах: 1. Лешуков М.Ю., Труфанов А.И. Электровакуумный источник света с автокатодом //«Федеральная итоговая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным, техническим и гуманитарным наукам». Материалы конференции. —М.: МИЭМ, 2003, 241 с. ISBN 5-94506-038-0, стр. 56-57 2. Батурин А.С., Ескин И.Н., Лешуков М.Ю., Труфанов А.И., Чадаев Н.Н., Шешин Е.П. Рентгеновские трубки и источники света с автокатодами из углеродных волокон //Автоионная и автоэлектронная микроскопия и спектроскопия: история, достижения, современное состояние, перспективы. Под ред. Суворова А.Л. —М.: Академпринт, 2003, стр. 336-339 3. Baturin A.S., Chadaev N.N., Leshukov M.Yu., Trufanov A.I., Sheshin E.P. Cathodoluminescent dynamic backlighting for color liquid crystal displays //Proceedings of the Displays and Vacuum Electronics Conference. Germany, 2004. ISBN 978-3-8007-2830-5, p. 321-324 4. Лешуков М.Ю., Шешин Е.П. Оптимизация электронно-оптической системы катодолюминесцентного источника света с автокатодом из углеродных волокон //«Устойчивость и процессы управления». Труды международной конференции. Том 1. Под ред. Овсянникова Д.А., Петросяна Л.А. —СПб.:СПБГУ, НИИ ВМ и ПУ, ООО ВВМ, 2005, 690 c. ISBN 5-9651-00884 стр. 202-208 5. Бормашов В.С., Лешуков М.Ю., Шешин Е.П. Модификация автокатода на основе углеродных нанотрубок под действием ионной бомбардировки //Труды XV международного совещания «Радиационная физика твердого тела». Под ред. Бондаренко Г.Г. —М.: НИИ ПМТ МГИЭМ, 2005, 583 с. ISBN 5-89671-004-4, стр. 205-210 6. Baturin A.S., Chadaev N.N., Chakhovskoi A.G., Leshukov M.Yu., Sheshin E.P. Application of holographic diffusers to improve light uniformity of source with carbon fiber cathodes //Journal of Vacuum Science & Tech24 nology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2003, Volume 21, Issue 4, p. 1629-1632 7. Baturin A.S., Chadaev N.N., Leshukov M.Yu., Sheshin E.P. Characterizations of light sources with carbon fiber cathodes // Applied Surface Science, 2003. Volume 215, Issue 1, p. 260-264 8. Батурин А.С., Лешуков М.Ю., Труфанов А.И., Чадаев Н.Н., Шешин Е.П. Эмиссионные характеристики источников света с автокатодом на основе пучка углеродных волокон //Микросистемная техника, 2004, №3, стр. 3235 9. Leshukov M.Yu., Sheshin E.P. New design of electron gun for field emission light sources with carbon fibers cathode //“Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials”. NATO Security through Science Series A: Chemistry and Biology. Special Issue, XLI, Springer Science, 2007, 878 p., ISBN-10: 1-4020-5512-9 p. 245-248 Список литературы 1. Itoh S., Tanaka M. Current status of field emission display //Proc. Of IEEE. April 2002. V.90 №4. P.514. 2. Y. Saito, K. Hata, A. Takakura, J. Yotani, S. Uemura Field emission of carbon nanotubes and its application as electron sources of ultra-high luminance light source devices //Physica B 323 (2002), p 30-37. 3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов —М.: МФТИ, 2001. C.287. 4. 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. 25 Лешуков Михаил Юрьевич Эмиссионные свойства углеродных волокон и катодолюминесцентные источники света на их основе Автореферат Подписано в печать 12.03.2007 Формат 60х84 1/16, Усл. печ. л. 1,75 Тираж 100 экз. Заказ № ____ Московский физико-технический институт (государственный университет) Печать на аппаратуре Copy Printer 1280 НИЧ МФТИ 141700, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9