Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Автокатоды на основе углеродных материалов 10
1.1. Конструкционные углеродные материалы 11
Высокопрочный графит 11
Пироуглерод 11
Стеклоуглерод 12
Эмиссионные свойства конструкционных углеродных материалов 12
1.2. Углеродные наноматериалы 16
Методы синтеза углеродных наноструктур 17
Эмиссионные свойства углеродных наноструктур 20
Особенности работы автокатодов из углеродных наноматери- 25 алов в условиях технического вакуума
1.3. Углеродные волокна 31
Пиролитические углеродные волокна 32
Пековые углеродные волокна 32
Полиакрилонитрильные углеродные волокна 33
Эмиссионные свойства углеродных волокон 35
1.4. Источники света с автокатодом из углеродных материалов 40
Плоские источники света 40
Источники света с аксиальной конструкцией 42
Пальчиковые катодолюминесцентные лампы 44
Глава 2. Методика и техника эксперимента 47
2.1. Характеристики излучения оптического диапазона 47
Основные понятия и величины светотехники и колориметрии 47
Стенд для измерения спектрально-яркостных характеристик 56
Методика оптических измерений 60
Регистрация временных параметров излучения ламп 61
2.2. Методика эмиссионных испытаний автокатодов 65
Измерения и анализ вольт-амперных характеристик 65
Проведение долговременных автоэмиссионных испытаний 68
Измерительный стенд 72
Глава 3. Плазмохимическая обработка пучков углеродных волокон 75
Действие коронного разряда на углеродные волокна 77
Установка для травления коронным разрядом 78
Обработка коронным и искровым разрядом 79
Эмиссионные характеристики обработанного пучка волокон 81
Глава 4. Моделирование электронно-оптической системы с 88
автокатодом
4.1. Выбор метода численного моделирования 88
Метод граничных элементов 90
Метод конечных разностей 91
Метод конечных элементов 92
Модель автокатода на основе пучка углеродных волокон 96
Моделирование оптимальной электронной оптики 105
Глава 5. Прототипы приборов с автокатодом из углеродных волокон 110
5.1. Катодолюминесцентная пальчиковая лампа 110
Конструкция и технология сборки электронного прожектора 111
Вольт-амперные характеристики пальчиковых ламп 116
Схема управления катодолюминесцентными лампами 117
Спектрально-яркостные характеристики ламп 118
Временные характеристики ламп 121
Модуль динамической подсветки ЖК экранов 124
Модуль экрана низкого разрешения с индивидуальным управлением 130 каждой лампы
Заключение 132
Список литературы 134
Введение к работе
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 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 и успешно решены 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;
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.
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 травлению 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.
Предложенная полуэмпирическая модель автокатода из пучка углеродных волокон позволяет рассчитывать средние значения автоэмиссионного тока с катода и определять траектории эмитированных электронов.
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. Использование 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. Основные положения диссертации докладывались на:
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.
Joint 15th International Vacuum Microelectronics Conference and 48th 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 фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 2002 - 2006 г.
16th International Vacuum Microelectronics Conference (16-я Международная 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.
Joint 19th International Vacuum Nanoelectronics Conference and 50th International Field Emission Symposium (19-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике, совмещенная с 50-м Международным симпозиумом по автоэмиссии). Гуйлинь, Китай, 2006 г.
Публикации. Основные результаты исследований, проведенных соискателем и представленных в диссертации, изложены в 9 печатных источниках, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе. Список печатных работ приводится в конце диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (из 152 наименований). Диссертация изложена на 146 листах машинописного текста, включает 96 рисунков и 6 таблиц.
