Введение к работе
Актуальность теми. Развитие современных средств визуализации информации характеризуется существенным интересом к конструированию и изготовлению вакуумных экранов бэз отклоняющей системы. К ним относятся, в частности, сверхплоские дисплеи (с диагональю в несколько десятков сантиметров и толщиной в несколько миллиметров), создаваемые на основе матричных ав~ эмиссионных катодов (МАЭК), а также большие телевизионные экраны (с диагональю в несколько метров и .толщиной-в несколько дециметров), предназначенные для работы на открытом воздухе, соиираемые из большого числа вакуумных люминесцентных индикаторов (ВЛИ). При этом одним из новых и перспективных направлений изготовления сверхплоских дисплеев является создание І1АЗК на основе пленок с углеродными кластерами, являющимися источниками автозми'хии. Выращивание таких пленок стало возможным с открытием в середине 80-х годов новой фазы углерода - углеродных кластеров. Принцип работы экранов заключается в следующем. Поток эмиттирсванных электронов направляется управляющими электродами на анод в точку или площадку, расположенную напротив эмиттера. На каждый пиксел экрана приходится свой эмиттер и электронный пучок.
Для конструирования экранов с применением МАЭК и ВЛИ необходимо решать сходные задачи-: рассчитывать, т^к омиссии, вычислять напряженность на эмиттирующей поверхности, анализировать траекто- . рии движения электронов и оценивать температурные поля в электродах.
При расчете тока МАЭК нужно .знать 'работу вихода материала
эмиттера и напряженность на его вершине. В'случае использования
МАЭК, созданного на основе пленки с углеродными кластерами, точ
ное значение работы выхода неизвестно. Поэтому значительное вни
мание следует уделить изучении .работы вмхсда и потенциала иониза
ции кластеров.
Работа выхода материала эмиттеров ВЛИ известна достаточно хорошо и для определения термоэмисстонного и анодногг тока ВЛИ в" первую очередь необходимо разработать, методику расчета распреде- / пения температуры в. нити накала. .
Напряженность на вершинах эмиттеров МАЭК и катодах ВЛИ характеризуется тем, что электрическое поле вблизи них ведет себя сингулярно. Сложность конструкции не позволяет точно аналитически рассчитывать распределение потенциала, ^рямое применение традици-
-4-. онных численных методов для расчета поля с сингулярными точками не дает удовлетворительной точности. Поэтому необходима разработка специальных Численных методик учета сингулярности.
При конструировании экранов и других электровакуумных приборов на основе МАЭК необходимо обеспечить движение электронов без токооседания на сетке и напраёляпщих электродах. Для обеспечения качественной работа больших телевизионных экранов, собираемых из ВЛИ, необходимо обеспечить" равномерность токооседания на поверхности лшинофора, то есть рассчитывать траектории эмиттируемых и вторичных электронов. В обоих случаях решить задачу траєкторного анализа точно аналитически невозможно из-за сложности конструкции ИАЭК и ВЛИ. Поэтому следующее направление исследований необходимо посвятить численному расчету траекторий эмиттированных электро-' нов" в ВЛИ и электровакуумных приборах, конструируемых на основе НАЭК.
Исследование температурного поля ИАЭК позволяет более точно оценивать эмиссионный ток, а также предотвращать взрывную электронную эмиссию, вызываемую проявлением эффекта Ноттингема и джо-улевыни потерями. Картина распределения температур в ЗЛЯ важна не только для расчета эмиссионного тока, но и для определения максимально нагреваемых частей конструкции индикатора, что очень актуально прм конструировании, сис.ем охлаждения больаих телевизионных экранов. Знание степени разогрева каждого индикатора в экране позволяет обеспечить эффективный теплоотвод и надежную работу экрана. При разработке численных методов расчета следует учитывать два вида теплообмена: излучением и теплопроводностью.
Цель- работу заключается в исследовании эмиссионных характеристик углеродных кластеров, изучении влияния температуры и напряженности на эмиссионный ток; создании*методик расчета и анализа тока, напряженности, траекторий движения электронов, температурного поля ИАЭК и ВЛИ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Исследование эмиссионных характеристик материала пленок с углеродными кластерами по двум моделям: одной, построенной в рамках теории сплошной- среды и другой - квантовой, учитывающей структ/ру углеродных кластеров. Разработка программы расчета, электронного спектра углеродных кластеров, длин мегатонних связей и потенциала ионизации с помощью модифицированной схемы Харрисо-
- 5 -2. Разработка эффективной методики расчета напряженности электрического поля с точностью в несколько процентов в областях с сингулярными точками. Исследование влияния напряженности на эмиссионный ток.я
3. Разработка методики расчета траекторий электронов в электромагнитной поле с учетом пространствгчного заряда и возможной вторичной электронной эмиссии. Оптимизация,.конструкции ВЛИ для достижения равномерной яркости іюминофора и электронного прибора с пушкой из МАЭК для полной транспортировки электронов к аноду.
4. Разработка метоцики расчета теплового режима ЭВП при на
личии двух видов теплообмена: лучистого и ксмдуктивного. Исследо
вание влияния температуры на эмиссионный ток.
Научная новизна.
1. Для пленки с углеродными наноструктурами на основе обработки экспериментальных даннчх по двум моделям оценена величина эффективной работы выхода электронов из пленки и работа выхода электронов из углеродного кластера.
2. Для исследования готенциала ионизации углеродных класте
ров применена квантовая модель - экпирииеская модель сильной свя
зи Харрисона в модификации Гудвина. С помочью нее впервие обнару
жено: '
потенциал ионизации фуллерена С60 и тубелена Сб0 понижается с внедрением атомов кремния или пар атомов азота и бора;
в тубелене С6д различается пять длин связей; при внедрении примесных атомов в тубелен С6д наибольшее понижение потенциала ионизации происходит, 'когда оі.и расположены на крызке, а не в каркасе кластера.
-
Для расчета электрического поля в областях с сингулярными точками разработан "численно-аналитический метод". Он позволяет рассчитывать напряженность на вершине эмиттера, радиус скруглення которого меньсе расстояния катод-анод в 10 .. 10 раз, с точностью 1..3%. Основная идея метода заключается в том, что кскокое реше-ниє краевой задачи представляется аумчой двух функций. Одна функция является решением аналитической ,задачи для области с более ' простой геометрией,, другая предсттвляет собой численное решение для исходной области с пересчитанными граничными условиями.
-
Для расчета траекторий электронного пучка в разномасштабных конструкциях, когда длина пролета электронов превышает диаметр пучка в десятки раз, а разм«ры дми^тера - в 10 . . 1С. раз соз-
-6-.
дана методика, базирующаяся на методе "трубок тока". Разработанная методика позволяет также осуществлять траєкторний ана/іиз ЭВП с учетом вторичных упруго отраженных, зеркально рассеиваемых электронов.
5. Разработана методика расчета теплового режима ЭВП с МАЭК и катодом прямого накала, nptf двух видах теплообмена: лучистом и кондуктивном. Методика включает выполнение следующих этапов: задание граничных условий и" внутренних источников; решение уравнения Пуассона; определение результирующих тепловых потоков на поверхности электродов и уточнение граничных условий, внутренних источников тепла и физических параметров материалов (теплопроводности, электропроводности, излучательной способности) по полученному распределению температуры. Описанная процедура повторяется до тех пор, пока решение уравнения Пуассона не сойдется с точностью до нескольких процентов.
Методика позволяет: рассчитывать тепловой режим ЭВП с катодом прямого накала, нагреваемым вследствие. джоулевых потерь и. излучающим тепло на остальные электроды;
рассчитывать температурное' поле змиттера МАЭК, нагреваемого вследствие джоулевых потерь и эффекта Ноттингема.
Положения, BiiHOCHMfcje- на зашиту. -
1. Для пленки, состоящей из углеродных кластеров, в резуль
тате обработки данных эксперимента по двум теоретическим моделям
оценена работа выхода:
для модели, в которой полагается, что пленка представляет собой однородную среду с плоской поверхностью, эффективная работа выхода электронов из пленки составляет 0,75 эВ при 20 С и 1,44 эВ при 470 С;
для модели, в которой учитывается рельеф поверхности, работа выхода электронов из углеродного, кластера составляет 4,16 эВ. . '
2. Одной из причин наблюдаемого низкого значения работы вы
хода эмиттеров в пленке с углеродными наноструктурами является
нарушение правильной- атомной структуры углеродных кластеров, либо
в результате отрава одного, или нескольких атомов углерода; либо
при внедрении примесных атомов других элементов, в частности,
атомов кремния, или пары азота и бора. Для фуллерена С60 и тубеле-
на Cgo значительное понижение потенциала ионизации на 1,9 и 2,6 эВ
получено при удалении пяти и шести атомов углерода из одного пентагона и гексагона соответственно.
3. Расчет электрических полей а областях с сингулярными точками с точностью'определения напряженности 1..3% можно обеспечить с помощью "численно-аналитического метода". Точность этого метода превышает точность "метода лупы" и "ме.ода лупы" с применением экстраполяции Ричардсона.
4. При оценке яркости све іения пюминофора в ВЛИ необходимо рассчитывать наряду с траекториями электронов, эмиттируемых катодом, траектории вторичных электронов.
5. С помощью разработанной методики расчета теплового режима ЭВП с наличием лучистого и кондуктивного теплообмена обнаружено:
разогрев эмиттера МАЭК происходит в основном за счет тепла, выделяемого в результате проясдения эффекта Ноттингема;
температура на вершине эмиттера МАЭК увеличивается с ростом напряженности. Она..плавно возрастает до значения напряженности, соответствующего плотности эгиссионного тока 2-Ю А/см , и быстро увеличивается по мере приближения к началу взрывной эгектронной эмиссии.
Научно-практическая ценность работы.
На основе результатов исследования эмиссионных характеристик углеродных кластеров можно выращивать углеродные пленки с заданными параметрами, в частности, потенциалом ионизации. -
Методика расчета тока, напряженности, траекторий электронов и температурного поля применялась для 'оптимизации конструкции ВЛИ, производимого НИИ "Волга".
Апробация работы. Результаты диссертационной работ* докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного- приборостроения" в Саратове в 1994 и в 1996 гг., на девятой Международной конференции по проблемам вакуумноіЯ микроэлектроники в Санкт-Петербурге0в 1996 г., на научном семинаре кафедры электроники волнезых процессов СГУ и научном семинаре кафедрычприкладной математики СГТУ, на десятой Международной конференции по проблемам вакуумной микроэлектроники в Южной Корее в 1997 г., на Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" в Саратове в- 1997 г.
Публик-"|ии, По материалам Диссертации опубликовано' 14 науч-
--8-. ных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
