Курсовая работа: Оптичні випромінюючі прилади

Курсовая работа: Оптичні випромінюючі прилади

Курсова робота

Оптичні випромінюючі прилади

2008р.

1. Загальні положення

Спектр електромагнітних хвиль

Спектр електромагнітних хвиль можна поділити на декілька діапазонів, що об’єднують випромінювання з досить близькими властивостями (рис.1).

Рис.1. Спектр електромагнітних хвиль

Гама-випромінювання виробляється збудженими ядрами атомів, а також в результаті взаємоперетворень деяких елементарних частить. Особливість гама-випромінювання – яскраво виражені корпускулярні властивості.

Радіохвилі – генеруються при коливаннях вільних електричних зарядів і мають основні особливості класичних хвиль.

Оптичне випромінювання у різних умовах має як хвильові, так і корпускулярні властивості. Усередині оптичного діапазону виділяють чотири зони: рентгенівську, ультрафіолетову, видиму та інфрачервону.

Рентгенівське випромінювання відкрите у 1895 р. К. Рентгеном, виникає при гальмування швидких електронів у речовині. Головна особливість такого випромінювання – його висока проникна здатність.

Ультрафіолетове випромінювання відкрите у 1801 р. Й. Ріттером проявляє інтенсивну фотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію та викликає світіння деяких кристалів.

Видиме випромінювання безпосередньо приймається людським оком та має фотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію. До цієї частини спектру використовується термін „світло”.

Інфрачервоне випромінювання відкрите у 1800 р. В. Гершелем. Для нього найбільш характерна теплова дія, хоча при взаємодії з речовиною мають місце також фотоелектричні та інші ефекти.

Теплове випромінювання

Теплове випромінювання є джерелом випромінювання різних типів в залежності від абсолютної температури тіла. Спектр та інтенсивність теплового випромінювання визначаються двома законами.

Закон Стефана-Больцмана визначає інтенсивність випромінювання в залежності від абсолютної температури абсолютно чорного тіла. Він має вигляд:

I = σT4,

де I – інтенсивність випромінювання, Т – абсолютна температура, σ – постійна Стефана-Больцмана, її значення дорівнює 5,67·10-8 Вт/м2К4.

Закон зміщення Віна визначає довжину хвилі, на якій має місце найбільш інтенсивне випромінювання. він має вигляд:

λмакс = b/T,

де λмакс – довжина хвилі найбільш інтенсивного випромінювання, b – постійна Віна, що дорівнює b = 2898 мкм·К, Т – абсолютна температура.

Обидва закони ілюструються графіками спектрів теплового випромінювання абсолютно чорного тіла рис.2, де 1 – при температурі 6000°К, 2 – при температурі 4000°К, 3 – при температурі 2000°К, 4 – при температурі 1000°К, 5 – при температурі 600°К, 6 – при температурі 300°К, 7 пряма, що ілюструє закон зміщення Віна.

Рис.2. Спектри теплового випромінювання

На рис.2 двома тонкими вертикальними лініями виділена зона видимого випромінювання, яке бачить людське око. Як бачимо, випадки 5 та 6 дають випромінювання. яке людина не бачить. У випадку 4 невелику частину випромінювання людина вже бачить (розігрітий до 700°С, або 1000°К метал вже світить червоним світлом). У випадку 3 світіння вже стає більш рівномірним, людина його бачить як жовте. Але найбільш рівномірне світіння у діапазоні людського зору у випадку 1. Це температура поверхні Сонця, до якого пристосований людський зір. Таке світіння людина бачить як біле. Велика частина випромінювання Сонця заходить в ультрафіолетову зону.

У якості джерел видимого та інфрачервоного випромінювання часто використовують лампи розжарення. Для виготовлення ниток розжарення звичайно використовують вольфрам з різними присадками. Температуру нитки можна довести до 3000°С (між кривими 2 та 3 на рис.2). В процесі роботи вольфрам випаровується з нитки. Щоб запобігти цьому у колбу лампи вводять деяку кількість галогену (йод або бром). Галогенні лампи мають більше випромінювання, більший строк роботи та менші розміри.

На рис.3 наведений баланс енергії лампи розжарення.

З нього видно, що лампа розжарення перетворює у випромінювання 86% енергії, але у видиме світло перетворюється тільки 12% енергії. Інші 74% перетворюються в інфрачервоне світло. Це означає, що така лампа – ідеальне джерело тепла, тому її застосовують для сушіння пофарбованих виробів. 14% - втрати у цоколі та виводах лампи.

Рис.3. Баланс енергії лампи розжарення

Види люмінесценції

Термін «люмінесценція» введений у 1889 р. Е. Відеманом для позначення випромінювання тіла, що є надмірним над його температурним випромінюванням. Але це дуже широке визначення, під нього підпадають такі види випромінювання як комбінаційне розсіяння та ін.

Для власне люмінесценції С.І. Вавілов запропонував використовувати критерій тривалості. За його визначенням люмінесценція – випромінювання, надмірне над його тепловим випромінюванням при даній температурі, що продовжується після припинення збудження на протязі часу, що перевищує період світлових коливань.

Люмінесценція виникає при спонтанних переходах атомів, молекул або іонів та електронів твердого тіла зі збудженого стану у нормальний (не збуджений). По тривалості процесу розрізняють флуоресценцію (короткочасне світіння) та фосфоресценцію (тривале світіння).

Існує декілька видів люмінесценції.

Фотолюмінесценція – світіння речовини під дією зовнішнього оптичного випромінювання, звичайно видимого або ультрафіолетового. Якщо довжина хвилі фотолюмінесценції співпадає з довжиною хвилі збуджуючого світла, то це називається резонансною люмінесценцією. Вона вперше була помічена Р. Вудом у 1904 р.

Катодолюмінісценція – світіння речовини при бомбардуванні його пучком швидких електронів. Цей вид люмінесценції був зареєстрований Ю. Плюккером у 1858 р.

Електролюмінісценція – світіння під дією електричного поля, завжди пов’язана з протіканням через речовину електричного струму. Відкрита О.В. Лосєвим у 1923 р.

Радіолюмінесценція – світіння деяких речовин під дією продуктів радіоактивного розпаду (α-, b- та g- променів) та космічного випромінювання.

Хемілюмінесценція - світіння речовин при екзотермічних хімічних реакціях.

Кристалолюмінесценція – світіння деяких кристалів при механічному стисненні.

Триболюмінесценція – світіння твердих тіл при терті.

Іонолюмінесценція – світіння розчинів деяких речовин при проходженні через них ультразвукових хвиль.

Сонолюмінесценція – світіння речовин при кавітаційній дії звукових хвиль.

Люмінесценція у газах – світіння газу при малих тисках під дією електричного поля.

Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідників при проходженні струму через p-n перехід.

Лазерна люмінесценція – світіння, що виникає при резонансному збудженні в деяких середовищах.

Серед цих видів люмінесценції не усі використовуються у техніці. Для технічних потреб необхідно, щоб вихід світла був якнайбільший на одиницю витраченої потужності. Тому, у подальшому будуть розглянуті лише деякі з видів люмінесценції.

2. Катодолюмінісценція

Це люмінесценція, що виникає при збудженні люмінофору електронним пучком. Початкова назва пучка електронів – катодні промені, звідси термін катодолюмінісценція. Найкращу здатність до катодолюмінісценції мають кристалофосфори, бо вони стійки до дії електронного пучка та дають достатню яскравість світіння.

Для збудження катодолюмінісценції достатньо, щоб енергія збуджуючих електронів в 1,5 разів перевищувала іонізаційний потенціал кристалофосфора. Але застосування таких повільних електронів не дозволяє одержати стійку катодолюмінісценцію, електрони дуже швидко заряджають поверхню люмінофору від’ємно, від чого нові електрони відштовхуються, гальмуються та гублять енергію. При великих енергіях електронів на поверхні люмінофору виникає вторинна електронна емісія, заряд люмінофора уноситься вторинними електронами. Тому на практиці застосовуються пучки електронів з енергією від 100 еВ до 25 кеВ, а в деяких випадках, наприклад в оптичних квантових генераторах – до 1 МеВ.

Електрони, що мають високу енергію, взаємодіючи з атомами гратки люмінофору, іонізують їх, створюючи друге покоління електронів, які, у свою чергу, іонізують інші атоми. цей процес продовжується доти, доки енергія вирваних з атома електронів достатня для іонізації. Електрони гальмуються у тонкому шарі люмінофору (менше за 10-4 см), тому щільність збудження дуже велика. В результаті іонізації утворюються дірки і електрони мігрують по гратці та можуть захоплюватись центрами освітлення. При рекомбінації на центрах свічення електронів та дірок і виникає катодолюмінісценція. Центри свічення при катодолюмінісценції такі ж, як при фотозбудженні, тому спектр катодолюмінісценції аналогічний спектру фотолюмінесценції. ККД катодолюмінісценції звичайно складає 1-10%, головна частина енергії електронного пучка переходить у тепло.

Кристалофосфори – неорганічні кристалічні люмінофори. Вони світяться під дією світла, потоку електронів, радіації, електричного струму і т.і. Здатність кристалофосфорів світитись обумовлена наявністю забороненої зони в енергетичному спектрі кристалу, тому катодолюмінофорами можуть бути тільки напівпровідники та діелектрики. У склад кристалофосфорів входять у малих концентраціях домішки – активатори. Активатори і дефекти кристалу створюють центри свічення. Тривалість свічення кристалофосфорів коливається у широких границях – від 10-9 с до декількох годин. В залежності від активатора спектр люмінесценції кристалофосфорів може змінюватись від ультрафіолетового до інфрачервоного.

Основою кристалофосфорів служать сульфіди, селеніди та телуріди Zn, Cd, оксиди Ca, Mn, лужно-галоїдні та деякі інші сполуки. В якості активаторів використовують іони металів (Cu, Co, Mn, Ag, Eu, Tu і т.і.) Синтез кристалофосфорів здійснюють звичайно розжарюванням твердої шихти. Комбінуючи активатори та основи можна синтезувати кристалофосфори для перетворення різних видів енергії у видиме світло потрібного цвіту з високим ККД (до десятків процентів). Наприклад, створені кристалофосфори, що перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме. Порошкоподібні кристалофосфори використовуються у люмінесцентних лампах, екранах телевізорів та осцилографів, електролюмінісцентних панелях тощо. На рис.4 показана схема електронно-променевої трубки, яка є прикладом катодолюмінісценції.

Рис.4. Схема електронно-променевої трубки

Електронно-променева трубка – вакуумний балон, у якому одержаний на основі термоелектронної емісії пучок електронів за допомогою електричних або магнітних полів може направлятись у визначену току екрану, який покритий флуоресцентним шаром. В такій конструкції колір зображення на екрані тільки один. Він визначається типом люмінофора.

Побудова електронно-променевої кольорової трубки більш складна. По-перше в такій трубці не одна електронна гармата (так називається система випромінювання і фокусування електронів), три, бо кольорове зображення формується з компонент червоного (R), зеленого (G) и синього (B) кольорів за формулою:

F = αR + bG + gB,

де α, b та g - коефіцієнти. Будь-який колір визначається підбором цих коефіцієнтів.

Спрощена конструкція кольорової електронно-променевої трубки зображена на рис.5, де1 – три електронні гармати, 2 – тіньова маска, 3 - покриття, що світиться (люмінофор), 4 – видима поверхня екрану.

Рис. Спрощена конструкція електронно-променевої трубки

Оскільки кожна з трьох електронних гармат трубки відповідає тільки за свій колір світіння частинок люмінофору, то важливо досягти їх взаємодії, щоб потік „синіх” електронів не діяв на частинки червоного люмінофору і навпаки. Це досягається тим. що частинки люмінофорів різних кольорів розміщують на покритті у вигляді окремих плям. Для сітки „червоних” плям є своя тіньова маска, для сітки «зелених» плям – своя, для сітки синіх – теж. Очевидно, що тільки третина, наприклад, «червоного» променю доходить до червоних плям тіньової маски, дві третини не пропускаються «зеленою» та «синьою» тіньовими масками. Те ж відноситься до «зеленого» та «синього» променів. Якщо на однокольоровій електронно-променевій трубці достатньо напруги другого аноду 10-12 кВ, то завдяки такий особливості кольорової трубки (ЕЛТ), напругу другого аноду доводиться підвищувати до 25 кВ.

На протязі багатьох років плями люмінофору червоного, зеленого та синього кольорів розміщувались «тріадами» (групами по три точки). В такому разі тіньова маска являла собою перфоровану металічну пластину перед люмінофором. Оскільки тільки частина кольорового променя доходила до люмінофорів, монітори такого типу мали малу яскравість, недостатню контрастність зображення, більш короткий термін праці та були складні технологічно.

Нова технологія була розроблена фірмою Sony – замість традиційної точкової маски, була запропонована щілинова апертурна гратка (фірмова назва Trinitron). У цій технології люмінофор одного кольору наноситься у вигляді тонких смуг, а маска має вигляд натягнутих дротів. Переваги цієї технології: в тонкій сітці маски менше метала, що дозволяє використовувати більшу частину енергії електронів на взаємодію з люмінофором, а це означає, що менше тепла розсіюється на сітці маски, при той же інтенсивності електронного променя можна досягти більшої яскравості, у зв’язку з чим можна використовувати більш темне скло для екрану і одержати більш контрастне зображення, екран такого монітору можна зробити зовсім пласким, що зменшує кількість віддзеркалень.

Недоліком такого методу є те, що тіньова сітка має недостатню жорсткість, тому при вібрації та качаннях зображення буде спотворюватись.

Фірма NEC запропонувала комбінований тип ЕЛТ з гніздовою маскою. В цьому типі люмінофор кожного кольору наноситься також у вигляді тонких смуг, але не довжиною в одну строку, а більш коротку (нагадує „пунктир”). Цей тип має усі переваги методу Trinitron, але не має його недоліків.

Низьковольтна катодолюмінісценція

В електронно-променевій трубці доводиться використовувати високовольтні напруги для розгону електронів. У низьковольтних приладах використовуються невеликі напруги.

Катодолюмінісценція виникає, коли електрони досягають енергії еUL, де UL – потенціал початку люмінесценції. У більшості матеріалів UL – багато сот Вольт.

Більш, як 40 років тому були виявлені речовини, у яких UL складає одиниці Вольт (для ZnS = 6-7 B, для CdS = 4-5 B). На їх основі були створені вакуумні люмінесцентні індикатори (ВЛІ).

Люмінофор для ВЛІ повинен відповідати ряду вимог:

1. Ширина забороненої зони – не більш, як 3-4 еВ.

2. Висока електропровідність. Опір не повинен перевищувати одиниць кілоОм. Тому люмінофори для електронно-променевих трубок не годяться для ВЛІ, бо вони є ізоляторами.

Необхідне значення електропровідності можна забезпечити використанням люмінофорів на провідній основі (ZnO:Zn; SnO2:Eu; (Zn1-X, CdX)S:Ag, Al; змішаних люмінофорів (ZnS:Ag+In2O3; ZnS:Cu+ZnO; Y2O2S…Eu+SnO2) та легованих люмінофорів ZnS:Ag, Zn, Al.

3. Низький потенціал начала катодолюмінісценції. Навіть при малому опорі шару люмінофору він є непридатним для використання у ВЛІ, якщо UL = 10-12 В.

4. Низька світловіддача. У ході досліджень властивостей сумішей з провідними порошками було виявлено, що колір світіння багатьох таких композицій залежить від анодної напруги. Наприклад, у суміші SnO2:Eu; ZnS:Cl, Al колір світіння змінюється з помаранчевого на жовто-зелений при зміні анодної напруги від 20 до 60 В.

На рис.6 наведена конструкція вакуумного люмінесцентного індикатора.

Основа індикатора – скляна або керамічна плата 1, на якій закріплені усі інші деталі індикатора. В заглибленнях плати, виконаних у вигляді сегментів, знаходиться провідний шар 2, з’єднаний з контактами 3 (4 – означає люмінофор). Провідні шари сегментів повністю перекриті люмінофором. На передній стороні плати в напрямку зчитування встановлюється плаский металічний електрод Отвори у цьому електроді розміщені напроти відповідних сегментів, покритих люмінофором. На невеликій відстані від екрануючого електрода 5 натягнута керуюча сітка 6 . У свою чергу на малій відстані від площини сітки, приблизно паралельно осі лампи, натягнений прямоканальний оксидний катод. Уся ця система поміщена в циліндричну скляну колбу, яка усередині покрита прозорим провідним шаром 8.

В початковому стані, щоб запобігти свіченню люмінофора, до сітки прикладається від’ємна напруга – декілька Вольт по відношенню до катоду.

При позитивній напрузі на керуючий сітці електрони прискорюються у напрямку анодних сегментів. екрануючий електрод має той же потенціал, що керуюча сітка. Електрони попадають на сегменти, що мають у даний момент позитивний потенціал, виникає низьковольтна катодолюмінісценція – нанесений на анод люмінофор починає світитися. Яскравість світіння в залежності від люмінофору досягає значень 300-700 кд/м2.

Рис.6. Конструкція вакуумного люмінесцентного індикатора

Конфігурація сегментів звичайно або 7-сегментна, або більш складна 14-сегментна.

У табл..1 наведені характеристики кольорових люмінофорів для ВЛІ.

Таблиця 1. Характеристики кольорових люмінофорів

Конструкція пласких люмінесцентних дисплеїв показана на рис.7.

Рис.7. Конструкція плаского люмінесцентного дісплею

Устрій індикатору нагадує електронну лампу - тріод, що складається з катоду, сітки та аноду, що поміщені у скляну оболонку з високим вакуумом. Катод прямого підігріву – тонкий вольфрамовий дріт, покритий окислом лугового металу, сітка – тонка металічна, анод виконаний у вигляді елементу зображення, на який нанесений фосфор. Точки або лінії з фосфору складають зображення. Розігнані в електричному полі позитивними потенціалами сітки та аноду електрони бомбардують анод і примушують фосфорне покриття світитись. Змінюючи потенціал сітки, можна регулювати яскравість зображення.

3. Люмінесценція в газах

Гази при атмосферному тиску завжди є добрими ізоляторами. Газ стає провідником. якщо створити у ньому іони.

Несамостійна провідність газів та, при якій іонізація виникає і підтримується при зовнішній дії. Це термічна дія, опромінення ультрафіолетовими, рентгенівськими та g-променями.

Самостійна провідність газу (звичайно, розрідженого) забезпечується тим, що заряджені частки, розігнані електричним полем при зіткненні з нейтральними молекулами іонізують їх. При цьому нема потреби у додатковому іонізаторі.

У 1934 р. було відкрите інтенсивне світіння парів ртуті у електричному полі. Але справа була у тому, що збуджувалися дві лінії на довжинах хвиль 254 нм (більш інтенсивна), та 184 нм (менш інтенсивна). Обидві ці лінії знаходяться в ультрафіолетовому діапазоні і тому невидимі для людського ока. У 1938 році була винайдена лампа, в якій стінки були покриті кристалофосфором, який перетворював ультрафіолетове випромінювання в видиме. Так виникла лампа денного світла.

На рис.8 наведена схема енергетичних рівнів атома ртуті.

В результаті непружного зіткнення з електроном атом переходить у збуджений стан. відповідний рівню 3, знаходиться на ньому приблизно 10-7 с та повертається знову на рівень 1, випромінюючи фотон. У схемі рис.4 перехід 2®1 дає ультрафіолетову лінію з довжиною хвилі 184 нм, перехід 3®1 дає ультрафіолетову лінію з довжиною хвилі 254 нм, перехід 6®2 дає фіолетову лінію з довжиною хвилі 400 нм, перехід 6®3 дає синю лінію 450 нм, перехід 6®4 дає зелену лінію 550 нм, перехід 7®5 дає жовту лінію 580 нм. Але найбільш вірогідна лінія 3®1.

Рис.8. Схема енергетичних рівнів атомів ртуті

Оскільки випромінений фотон може бути захоплений сусіднім атомом, то вигідно використовувати низький тиск парів ртуті, більш того вводять пари інертного газу (аргону), який не збуджується від фотона.

Перетворення ультрафіолетового випромінювання у видиме має місце у люмінофорі. У сучасних люмінесцентних лампах найбільш за все застосовуються галофосфати кальцію. Це складні з’єднання, подібні до апатитів (3Ca(PO4)2CaF2), в яких частина атомів фтору замінена атомами хлору, а головне – введені активатори. Активаторами називаються атоми домі шків, що викликають свічення люмінофору. У якості активаторів в галофосфати вводять одночасно атоми стибію та марганцю.

Страницы: 1, 2