Исследование факторов, определяющих выход УФ катодолюминесценции, с целью создания автоэмиссионного источника ультрафиолетового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 537.533.2

АРЕФЬЕВА ИРИНА ВИКТОРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВЫХОД УФ

КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ, С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ АВТОЭМИССИОННОГО ИСТОЧНИКА УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научный руководитель: д. ф.-м.н., профессор Шешин Е.П.

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном 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,

Капустин Владимир Иванович (Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики)

кандидат физико-математических наук Скибина Юлия Сергеевна (Саратовский государственный университет)

Ведущая организация: Федеральное государственное

образовательное учреждение высшего профессионального образования " Санкт -Петербургский государственный

университет" (ФГОБУ ВПО СПбГУ).

Защита состоится «25» сентября 2014 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.015.04 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» адрес: 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85, e-mail: D212.015.04@bsu.edu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» по адресу: 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85, https://www.bsu.edu.ru.

Автореферат разослан « » LihO^iSP 20 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Беленко В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

В настоящее время источники ультрафиолетового излучения нашли применение в лазерной технике, медицине, экологии, нефтехимии и других областях.

Однако, широко используемые источники ультрафиолета (эксимерные, ртутные лампы, популярные ультрафиолетовые светодиоды) имеют ряд существенных недостатков, таких как: громоздкость конструкции, маленькая площадь излучательной поверхности, низкая эффективность, высокая стоимость, наличие экологически вредного вещества — ртути.

Поэтому необходимой является разработка новых методов получения ультрафиолета на основе последних достижений в области оптоэлектроники с целью создания источника обладающего высокой световой эффективностью, большим сроком службы, а также являющегося максимально экологическим как в производстве и эксплуатации, так и при утилизации.

Принципиально новым уникальным источником ультрафиолета может стать автоэмиссионная лампа. Спектр излучения автоэмиссионной лампы зависит от химического состава люминофора, поэтому для создания автоэмиссионного ультрафиолетового источника излучения актуальной является задача поиска новых широкозонных люминесцентных материалов, излучающих в ультрафиолетовой области спектра.

Не смотря на то, что исследования в области автоэмиссионной электроники ведутся уже много лет, до сих пор никто не занимался разработкой и созданием автоэмиссионного ультрафиолетового излучателя. Однако имеются известные широкозонные полупроводники, которые могут быть использованы в качестве катодолюминофоров. Для этого данные материалы необходимо исследовать и оптимизировать, выявляя факторы, определяющие срок службы, эффективность катодолюминесценции, а также спектральный состав излучения.

Цель работы: исследование и оптимизация новых люминесцентных широкозонных катодолюминофоров, излучающих в ультрафиолетовой области спектра, для их дальнейшего применения в автоэмиссионных источниках излучения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- поиск широкозонных автоэмиссионных материалов, излучающих в ультрафиолетовой области спектра;

- разработка методик измерения спектральных и световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров;

- исследование спектральных и световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров, выявление факторов, определяющих эффективность люминесценции и спектральные характеристики ультрафиолетовых катодолюминофоров, поиск теоретических обоснований полученных результатов;

- оптимизация ультрафиолетовых катодолюминофоров, с целью повышения эффективности, срока службы и улучшения спектральных характеристик;

разработка прототипа автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы: исследование влияние метода нанесения катодолюминофора на эффективность лампы, поиск оптимальных катодных материалов, доработка конструкции;

- разработка методик измерения спектральных и световых характеристик автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы;

исследование спектральных и световых характеристик прототипа автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы.

Научная новизна:

1. Исследованы спектральные и световые характеристики новых католюминесцентных материалов, излучающих на длинах волн менее 350 нм.

2. Выявлены факторы, определяющие спектральные характеристики излучения и эффективность катодолюминесценции новых широкозонных люминофоров. Исходя из теории катодолюминесценции, найдены причины, объясняющие полученные экспериментальные зависимости.

3. Доказана возможность использования новых катодолюминесцентных материалов в качестве стабильного и эффективного излучательного элемента автоэмиссионных ультрафиолетовых ламп.

4. Разработана конструкция автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, отличающаяся от существующих аналогов высокой эффективностью, оптимальным спектром, высоким сроком службы и отсутствием экологически вредных веществ.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Впервые исследованы новые широкозонные ультрафиолетовые неорганические катодолюминофоры. Повышен КПД излучения в три раза, благодаря контролю количества примесей, а также оптимизации технологических процессов получения и нанесения катодолюминесцентных материалов. Показано, что при анодном напряжении 3-15кВ и токе катода 30-150мкА, могут быть достигнуты оптимальные значения КПД для предложенных новых, ранее не исследуемых материалов (0.3-6%);

2. Впервые исследовано затухание ультрафиолетовой катодолюминесценции люминофора на основе гадолиния с увеличением плотности тока электронного пучка. Найдена эмпирическая зависимость,

позволяющая предсказывать зависимости интенсивности УФ катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях. Предложены объяснения полученным экспериментальным данным, согласующиеся с теорией катодолюминесценции.

3. Установлен оптимальный размер частиц, обеспечивающий максимальную эффективность и лучшие спектральные характеристики новых исследуемых ультрафиолетовых катодолюминофоров, он составляет 1-10мкм. Частицы большего (более Юмкм) и меньшего (наноразмерные частицы) излучают хуже, что связано с тепловыми и оптическими процессами, проходящими в катодолюминофорах а также добавлением примесей, негативно сказывающихся на спектре и эффективности катодолюминесценции, в процессе размола;

4. Впервые предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности использования автоэмиссии для получения экологически безопасного источника ультрафиолета. Разработана конструкция автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, позволяющая получать излучение со спектральными характеристиками в диапазоне длин волн 200-380нм, максимумы излучения -315нм, 245-265нм (оптимальная длина волны для обеззараживания), и обладающая конкурентоспособным КПД 0.3-6%.

Практическая значимость заключается в разработке прототипа экологически безопасной автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы, обладающей КПД 0.36% (что в 1,5 раза превышает аналогичные значения для современных светодиодов), спектральными характеристиками излучения с максимумами на длинах волн 315 нм, 245-265 нм, с процентной долей мощности в УФ области более 99%. Автором были получены экспериментальные зависимости эффективности катодолюминесценции и спектральных характеристик излучения от анодного напряжения и тока электронного пучка для новых ультрафиолетовых катодолюминофоров. Предложены объяснения полученным экспериментальным зависимостям, согласованные с теорией катодолюминесценции.

Впервые исследовано затухание ультрафиолетовой катодолюминесценции люминофора с примесями гадолиния с увеличением плотности тока электронного пучка. Найдена эмпирическая зависимость, позволяющая предсказывать зависимости интенсивности УФ катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях.

Определен оптимальный размер частиц новых ультрафиолетовых катодолюминофоров, обеспечивающий максимальную эффективность и наилучшие спектральные характеристики излучения. В результате оптимизации процессов получения и нанесения исследуемых ультрафиолетовых катодолюминофоров, удалось повысить КПД ультрафиолетовой катодолюминесценции в три раза.

Внедрение результатов работы: научные подходы и научные результаты диссертации могут быть использованы в ведущих российских организациях, занимающихся исследованиями в области катодолюминесценции и ультрафиолета: ИРЭ РАН, ФГУП НИИ «Платан», ОАО «Плутон», ООО «Видеоэлектроника». Результаты научной работы включены в учебный процесс и использованы на промышленном предприятии.

Апробация работы.

В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 6 статьях и в 24 тезисах конференций.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и российских научно-технических конференциях:

- МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (V, 2008, 2009, 2010, 2011,2012, 2013 М-Долгопрудный)

- XIX межнациональное совещание «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2009)

- «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Москва, 2009)

- "НАНОТЕХНОЛОГИИ - ПРОИЗВОДСТВУ" (Фрязино, 2009, 2012)

- 2-ая Всероссийская научная школа для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем» (Москва, 2009)

- IVNC2011 (Вупперталь Германия),

- IVESC 2010 (Китай),

- 16th International workshop on beam dynamics and optimization (Санкт-Петербург, Россия, 2010),

- 20 Международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника» (Москва, 2012).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы; изложена на 150 листах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 16 таблиц; список литературы включает 63 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы актуальность выбранной темы, описаны основные цели, задачи и научная новизна диссертационной работы. Первая глава включает в себя обзор широко используемых в настоящее время источников ультрафиолетового излучения: газоразрядных ламп на парах ртути, эксимерных ламп, ультрафиолетовых светодиодов. На основе данного обзора выявлены основные недостатки современных ультрафиолетовых ламп: низкая эффективность, высокая стоимость, недостаточно длительный срок службы, неоптимальный спектр излучения для поставленных задач, конструктивные ограничения, невозможность использования ламп в импульсном режиме, а

б

самое главное - наличие вредных экологических веществ в составе ламп, а также выработка озона в результате их работы.

Таким образом, обзор литературы и анализ широко используемых ультрафиолетовых излучателей показали, что конкурентоспособный источник УФ излучения должен обладать высокой эффективностью (0.3-20%), длительным сроком службы (более 50000 часов), экологичностью (в частности лампа не должна содержать паров ртути и излучать на длине волны менее 200 нм (длина волны, при которой происходит наработка токсичного озона)). Также источник ультрафиолетового излучения, способный занять лидирующее место на рынке УФ ламп, должен излучать в спектральном диапазоне 200-380 нм (оптимальная длина волны для обеззараживания - 260нм, для УФ отверждения - 300-350нм) и быть достаточно дешевым. К таким источникам ультрафиолетового излучения, исходя из особых свойств уникальных автоэмиссионных и катодолюминесцентных материалов, а также особенностей конструкции лампы, можно отнести автоэмиссионные источники излучения. Спектр излучения автоэмиссионной лампы зависит от химического состава люминофора. В первой главе диссертационной работы представлен обзор литературы по известным широкозонным полупроводникам, излучающим в ультрафиолетовой области, автоэмиссионным материалам и конструкциям автоэмиссионных ламп в целом. На основании данного обзора выбраны перспективные катодолюминофоры, которые могут быть использованы в качестве покрытия излучающего экрана автоэмиссионного источника ультрафиолета. Ими являются люминофоры с примесями висмута и гадолиния, а также люминофор на основе алюмината цинка.

Здесь же были выявлены факторы, определяющие эффективность катодолюминесценции [1-3]. К ним относятся: условия возбуждения люминофора электронным пучком (напряжение на аноде, ток/плотность тока электронного пучка); химический состав, размер зерен и способ нанесения люминофора.

Анализ опубликованных исследовательских данных показал, что интенсивность катодолюминесценции является сложной функцией большого числа переменных, зачастую с недостаточно определенной физической интерпретацией. Поэтому природу катодолюминесценции возможно описывать только оперируя некоторыми усредненными свойствами люминофоров, при рассмотрении частных случаев в связи с этим зачастую возникают отклонения полученных значений от ожидаемых величин интенсивности, и даже нарушение самой формы количественных зависимостей интенсивности излучения от тех или иных факторов.

Исходя из вышесказанного, очевидно, что при работе с новыми катодолюминесцентными материалами (особенно излучающими в ультрафиолетовом диапазоне), чрезвычайно важной является задача исследования факторов, влияющих на эффективность катодолюминесценции и спектральные характеристики, а также поиск теоретических обоснований полученных зависимостей.

Вторая глава посвящена описанию методик исследования световых характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров.

Описано несколько методов изучения физических свойств катодолюминофоров, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Для измерения характеристик катодолюминесценции автором были созданы специализированный измерительный стенд (рис. 1) и специализированное программное обеспечение, позволяющее полностью автоматизировать процесс измерения спектральных и энергетических характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров, а также процесс исследования равномерности излучения люминесцентных экранов.

Рис. 1. Схема стенда для энергетических и спектральных характеристик ультрафиолетовых катодолюминофоров:

1- вакуумная камера, 2 — катодолюминесцентная схема (помещенная в вакуумную камеру); 3 —датчик спектрометра;, 4 - цифровая камера, 5 — спектрометр; 6 - компьютер; 7 - высоковольтный блок питания.

Исследования равномерности излучения и оценка площади излучающей поверхности катодолюминесцентного экрана проводились при помощи цифровой видеокамеры, просматривающей излучающую поверхность экрана. Затем при помощи специального программного обеспечения строилась функция распределения интенсивности - 1Г(х, у), где х, у - координаты пикселей на изображении, а сама функция Г принимает значения от 0 до 1 (0 - черный цвет пикселя, 1- наиболее светлый цвет пикселя) (рис.2.).

Площадь излучающей поверхности определялась формулой:

Где Sp — площадь пикселя в сантиметрах.

Рис. 2. Фотография поверхности излучения и трехмерное изображение распределения излучения.

Для измерения спектральных и энергетических характеристик катодолюминофоров использовался дифракционный спектрометр. При помощи спектрометра непосредственно измерялись спектральная характеристика

F 7

излучения Е(Х)[отн. ед.] и спектр энергетической яркости '■ [Вт/ (ср*см~*нм)] в диапазоне длин волн 20СК1100 нм.

Энергетическая освещенность приемника излучения рассчитывалась через спектральную энергию излучения, зарегистрированную спектрометром:

"=ШГЕл[Вт/ср*см2] Е

где 1 — спектр энергетической яркости

Значение для энергетической силы источника по выбранному направлению определяется как произведение освещенности на квадрат расстояния между источником и окуляром спектрометра:

I = H*R\ [Вт/ср]

Световой (энергетический) поток распространялся от экрана, с нанесенным ультрафиолетовым катодолюминофором, в определенном пространственном угле П=2л (1 -cos 0„).

Угловое распределение света симметрично относительно оптической оси, а плоский угол такого распределения составляет 20л=120°, что соответствует пространственному углу Q=rc. Поэтому поток излучения от катодолюминесцентного экрана определялся выражением:

Р=т=1тг [Вт]

КПД автоэмиссионного источника УФ-излучения определялось по формуле:

Где 1к - ток катода, иа — напряжение на аноде, 1)м - напряжение на модуляторе.

Таким образом, при помощи методик измерения, описанных во второй главе, можно исследовать равномерность излучения катодолюминесцентных экранов, а также зависимости полного энергетического потока (Вт), эффективности (КПД, %) и спектральных характеристик ультрафиолетовой

катодолюминесценции от тока/плотности тока электронного пучка, анодного напряжения, способов нанесения и размера частиц катодолюминофора.

В третьей главе приведены результаты исследований спектральных и энергетических характеристик неорганических катодолюминофоров, излучающих в ультрафиолетовой области спектра.

Первый этап исследований включал в себя измерение спектральных и энергетических характеристик катодолюминофоров с примесями висмута и гадолиния. По результатам исследований были отобраны два наиболее перспективных катодолюминофора: катодолюминофор с примесями гадолиния (маркировка ПЛАТАН КЛ-УФ-752) и катодолюминофор содержащий 10% висмута (маркировка ПЛАТАН 1678). Основные измеренные характеристики данных катодолюминофоров приведены ниже.

_ -1.

200 400 600 800 1000

Длина волны, нм

Рис. 3. Спектр излучения люминофора ПЛАТАН КЛ-УФ 752

Ч 0)

X 0,8

о

■П с п 0,6

X

X 0,4

1-

5

0,2

1

V.

200 400 600 800 Длина волны, нм

1000

Рис. 4. Спектр излучения люминофора ПЛАТАН 1678

Наименование характеристики Расчетная формула Единица измерений Значения для люминофора КЛ-УФ-752 (с примесью гадолиния) Значения для люминофора 1678 (с примесью висмута)

Энергетическая эффективность % 1,8 1,65

Для отобранных люминофоров были сняты зависимости полного энергетического потока излучения от приложенных анодных напряжений и токов катод-анод. Также было установлено, что из-за крупного размера зерна, катодолюминофор ПЛАТАН 1678 (рис. 5а) очень трудно и неравномерно наносится на анод, а из-за неровностей люминесцентного покрытия картина люминесценции оказалась размыта, светящееся пятно неоднородно и нестабильно. Вследствие вышеперечисленных факторов было решено размельчить и просеять катодолюминофор марки ПЛАТАН 1678. В результате измельчения люминофора, удалось добиться наиболее ровной и стабильной картины люминесценции, а зависимость интенсивности излучения от потребляемой мощности приобрела линейный характер (рис. 6).

Б

Рис. 5. Фотография катодолюминисценции, трехмерное распределение интенсивности излучения и изображение поверхности анодной пластинки с люминофором для ультрафиолетового люминофора 1678: а- до просеивания (размер зерна 10-15мкм), б - после просеивания (размер зерна 2-10мкм).

В связи с трудностями, возникающими при изготовлении, а также недостаточной эффективностью люминофора ПЛАТАН 1678, было принято решение не использовать данный катодолюминофор для изготовления автоэмиссионных ламп.

В третьей главе также описаны результаты исследований уменьшения энергетического потока ультрафиолетовой катодолюминесценции люминофора с примесями гадолиния с увеличением плотности тока электронного пучка и проверена теоретическая модель насыщения катодолюминофоров, описанная Christopher J. Summers на одном из семинаров в Phosphor Technology Center of Excellence, Manufacturing Research Center, Georgia Institute of Technology [6]. Автором диссертационной работы получена эмпирическая зависимость, позволяющая предсказывать зависимости интенсивности

катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях (рис. 6).

Функция для аппроксимации: Е=аУ*ехр(-Ь\^)

Е б

Рис. 6. Результаты аппроксимации: синяя линия - экспериментальные данные, красная линия - полученная функция аппроксимации, черная линия - экспоненциальная линия аппроксимации (линия Тренда).

Исследования показали, что образец ПЛАТАН КЛ-УФ 752, насыщается гораздо быстрее, чем предсказывает приведенная математическая модель. Эффективность катодолюминесценции убывает с возрастанием плотности тока экспоненциально, что может быть связано с повышенной чувствительностью молекул люминофора к воздействию температуры (температурное гашение при температуре свыше 70°С). Такое поведение достаточно часто присуще УФ катодолюминофорам, известны предложения по устранению подобного перегрева посредством применения новейших технологий нанесения катодолюминофоров, позволяющих максимизировать отвод тепла от люминесцентного экрана.

Отдельно в третьей главе описаны результаты исследований катодолюминофора на основе алюмината цинка (прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны -4,11эВ(300нм)). Спектр излучения первых партий образцов катодолюминофоров на основе алюмината цинка был крайне нестабильным. Был проведен ряд экспериментов и теоретических исследований, позволяющих выделить факторы, определяющие нестабильность спектральных характеристик. К ним относятся: приложенное напряжение, ток электронного пучка, время воздействия электронным пучком, размер частиц, толщина нанесения люминофора на подложку, предшествующие эксперименту условия эксплуатации подложки с образцом. Однако, основной причиной «загрязнения» спектра (под загрязнением имеется в виду наличие в спектре катодолюминесценции дополнительных полос (в видимой области спектра)

Анодное напр, кВ

3 0,8544 0,000333

4 1,005975 0,0005

5 1,15338 0,0006

6 1,101983 0,0005

7 1,158157 0,000571

знач. 1,054779 0,000501

400 500 600 700 800

Плотность тока, мкА/см2.

помимо основной полосы 230-320нм, соответствующей ширине запрещенной зоны материала) являлось наличие примесей приобретенных во время синтеза или присутствующих в исходных порошках. Поэтому решено было использовать чистые порошки для синтеза и обеспечивать чистоту самого процесса изготовления катодолюминофоров. Результаты исследований чистых катодолюминофоров приведены ниже.

200

400 600

Длина волны, нм

800

1000

Рис. 7а. Спектр и фотография катодолюминесценции: а - катодолюминофора из первых партий (партия с большим количеством примесей)

1.г

504 а» 7М 8»)

Длина волны, нм

Б

Рис. 76. Спектр и фотография катодолюминесценции: б - катодолюминофора, изготовленного из особо чистых исходных материалов (доля примесей менее

0,00001%).

Как видно из рисунка данный люминофор обладает спектром катодолюминесценции оптимально подходящим для обеззараживания.

В ходе экспериментов с чистыми катодолюминофорами на основе алюмината цинка, выяснилось, что микропорошки (с размерами зерен 1-10мкм) излучают в три раза интенсивнее нанопорошков (с размерами зерен менее 1мкм) (рис.8).

1.2

Микропорошки: размер зерен 2-5мкм;

Нанопорошки: размер зерен 50-150нм, образуют крупные конгломераты размером 10-30мкм на поверхности анода.

Рис. 8. Спектр излучения нано- и микропорошков алюмината цинка.

600 700

Длина волны,нм

Анализ литературных данных показал, что снижение эффективности катодолюминофора при уменьшении размера зерен может быть вызвано следующими причинами: изменением оптических свойств слоя в зависимости от размера частиц, разрушением центров свечения при механическом размоле частиц, появлением в составе люминофора инородных неизлучающих частиц от истирания материала шаров и мельницы, в которой производится размол. Также следует отметить, что наночастицы легко образуют крупные конгломераты, благодаря своим уникальным поверхностным свойствам. Исследования в растровом электронном микроскопе показали, что такие конгломераты могут достигать размеров 10-30мкм, такие крупные «частицы» легко разогреваются электронным пучком, в результате чего происходит температурное гашение катодолюминесценции.

Таким образом, были оптимизированы основы промышленной технологии получения неорганических ультрафиолетовых катодолюминофоров и показано, что при анодном напряжении 3-15кВ, токе катода 30-150мкА, и размере зерен католюминофоров 1-10 мкм могут быть достигнуты оптимальные значения КПД для предложенных новых, ранее не исследуемых материалов (0.3-6%).

В четвертой главе экспериментально доказывается гипотеза о возможности использования автоэмиссии в целях создания экологически безопасного и максимально эффективного источника ультрафиолетового излучения. Для этого разработана методика изготовления автоэмиссионного источника

ультрафиолетового излучения, и в том числе развита методика изготовления катодно-модуляторного узла с автокатодом из углеродных волокон и исследованы соответствующие вольтамперные характеристики. Отдельное внимание в методике изготовления автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы уделено нанесению катодолюминофора на люминесцирующий экран, а именно был подобран оптимальный метод нанесения излучающего покрытия, обеспечивающий высокий КПД автоэмиссионного источника [5]. Данный метод заключается в нанесении тонкого слоя люминофора (толщина 10-20мкм) на поверхность анодного экрана с последующим алюминированием (толщина слоя алюминия ~100нм). Такой метод позволяет устранить нежелательное поглощение света в толще слоя люминофора, а также повысить эффективность лампы за счет отражения излучения от слоя алюминия (все излучение, таким образом, направляется наружу) (рис.9).

А Б

Рис. 9. А- схема ультрафиолетовой автоэмиссионной лампы с автокатодом: 1 - вакуумная колба; 2 - излучающий экран из увиолевого стекла; 3 -ультрафиолетовый люминофор; 4 - слой алюминия, 5 - модулятор; 6 -автокатод; 7 — контактный узел автокатода, выполненный из аквадага; 8, 9 -контактные выводы. Б - изображение нанесенного слоя люминофора с

алюминированием.

Здесь же приведены результаты исследований спектральных и энергетических характеристик автоэмиссионных ламп с излучающими экранами на основе алюмината цинка и катодолюминофора с примесями гадолиния. Установлено, что изготовленные источники излучения генерируют излучение в диапазоне длин волн 200-380нм, максимумы излучения -315нм, 245-265нм (оптимальная длина волны для обеззараживания), обладают конкурентоспособным КПД 0.3-

6%, а также являются экологически безопасными как при сборке и эксплуатации, так и при утилизации, так как не содержат ртути и других экологически вредных веществ. Предложены варианты использования таких источников ультрафиолетового излучения: обеззараживание (воды, воздуха, небольших ран и т.п.) [3-4], уф отверждение (лакокрасочных покрытий), анализ и сортировка минералов, лазерная накачка.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведен анализ достоинств и недостатков широкоиспользуемых источников ультрафиолета (ртутные и эксимерные лампы, УФ светодиоды). Выявлены характеристики, которыми должна обладать автоэмиссионная ультрафиолетовая лампа для того, чтобы иметь возможность занять конкурирующее место на рынке. На основе анализа литературы выбраны наиболее перспективные катодолюминофоры для дальнейшего исследования: люминофоры с примесями висмута и гадолиния, а также катодолюминофор на основе алюмината цинка;

2. Проведены исследования характеристик отобранных ультрафиолетовых катодолюминофров. Выявлены зависимости эффективности и спектрального состава излучения от приложенного напряжения, тока катода, размера зерен и способа нанесения люминофора. Определен оптимальный размер частиц, обеспечивающий максимальную эффективность и лучшие спектральные характеристики новых исследуемых ультрафиолетовых катодолюминофоров, -1-10мкм;

3. Проведены исследования уменьшения энергетического потока ультрафиолетовой катодолюминесценции люминофора с примесями гадолиния с увеличением плотности тока электронного пучка. Получена эмпирическая зависимость, позволяющая предсказывать зависимости интенсивности катодолюминесценции от плотности тока при разных анодных напряжениях. Предложены объяснения полученным экспериментальным данным, согласующиеся с теорией катодолюминесценции;

4. Контролируя и улучшая технологии получения и нанесения исследуемых ультрафиолетовых катодолюминофоров на основе алюмината цинка удалось повысить КПД излучения в три раза;

5. Разработана конструкция автоэмиссионного источника излучения с автокатодом из углеродных волокон. Предложен метод нанесения УФ катодолюминофора на излучающий экран автоэмиссионной лампы с последующим алюминированием, позволяющий получить высокий КПД автоэмиссионной ультрафиолетовой лампы;

6. Исследованы характеристики автоэмиссионных ультрафиолетовых ламп, выполненные на основе отобранных катодолюминесцентных материалов. Показано, что разработанные автоэмиссионные УФ излучатели характеризуются излучением со спектром в диапазоне длин волн 200-380нм, с максимумами излучения -315нм, 245-265нм (оптимальная длина волны для

обеззараживания) и долей мощности в УФ области спектра более 99%, а также обладают конкурентоспособным КПД 0.3-6%;

Основные материалы диссертации содержатся в следующих работах:

1. Ехменина И.В., Шешин Е.П., Чадаев H.H. Проблемы создания ультрафиолетовых источников на основе наноструктурированных автоэмиссионных катодов // Журнал «Нано- и микросистемная техника» №2,2010, стр. 39-45.

2. Ехменина И.В., Шешин Е.П., Чадаев H.H. Источники излучения на основе наноструктурированных автокатодов // Журнал «Нано- и микросистемная техника», №4, 2010, стр. 45-48.

3. Ехменина И.В., Шешин Е.П., Чадаев H.H. Автоэмиссионный источник ультрафиолетового излучения с автокатодом из наноструктурированного углеродного материала // Вестн. С.-Петербург, ун-та. Сер. 10. Прикл. матем. Информ. Проц. упр., 2011, № 1, стр. 3-8.

4. Ехменина И.В., Шешин Е.П. Исследование влияния различных факторов на эффективность катодолюминесценции с целью создания конкурентоспособного автоэмиссионного источника излучения // Журнал «Труды Москосвкого физико-технического института», том 5, №1(17), 2013, стр. 36-43.

5. Ехменина И.В., Шешин Е.П. Исследование характеристик излучения автоэмиссионных ламп с автокатодами из наноструктурированного углеродного материала // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2013. Т. 56. № 5. С. 74-76.

6. Ekhmenina I.V., Sheshin Е.Р., Chadaev N.N. Source of ultraviolet radiation with field-emission cathode made of nanostructured carbon materials // Springer_Book_BWF_216446_Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems-II, P. 299-303.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Казанкин О.H., Марковский Л.Я. и др. Неорганические люминофоры. -Л.: Химия, 1975.

2. Thornton W. A. J. Electrochem. Soc.. - 1960, V. 107. - P. 895—907.

3. Ультрафиолетовое излучение, материал из Википедии - свободной энциклопедии, wikipedia.org

4. Л. М. Василяк Л. М., Костюченко С. В., Кольцов Г.В., Применение импульсного и непрерывного уф-излучения для обеззараживания воды и воздуха

5. Лобанова И.И., Ширяева О.В., Оптимизация процессов формирования люминофорных покрытий и нанесения органической пленки с целью повышения процента выхода годных люминесцентных экранов ЭЛП на 10%. Дисс. на соиск. уч.ст.д.т.н., Москва, 1985.

6. Christopher J. Summers, Phosphor for flat panel displays, Seminar M-5, Atlanta, Georgia 30332.

Арефьева Ирина Викторовна

Исследование Факторов, Определяющих Выход Уф Катодолюминесценции, С Целью Создания Автоэмиссионного Источника Ультрафиолетового Излучения

Автореферат

Подписано в печать 03.07.2014 Формат 60x84 1/16, Усл. печ. Л. 1,75 Тираж 100 экз. Заказ № 026

ООО «Аркаим» 123592, г. Москва, ул. Кулакова, д. 20