Вакуумные люминесцентные индикаторы



                                 1. Введение

      Во всех  системах,  где  требуется  представить  информацию  в  форме,
удобной  для  визуального   восприятия   человеком,   применяются   средства
отображения  информации  (СОИ).  Одной  из  основных  частей  СОИ   является
индикатор — электронный прибор для преобразования электрических  сигналов  в
пространственное   распределение    яркости    (контраста).    Свойства    и
характеристики   индикатора   определяют   важнейшие   параметры    СОИ    —
информационную емкость,  надежность  и  др.  Мы  рассмотрим  один  из  видов
индикаторов — вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ).

                            2. Принцип действия.

      Принцип действия ВЛИ основан на использовании  явления  люминесценции,
возникающей в катодолюминофорах при возбуждении  их  электронным  пучком.  В
отличие от высоковольтной катодолюминесценции, используемой  в  ЭЛП,  в  ВЛИ
имеет место низковольтная люминесценция. Этим устраняется  один  из  главных
недостатков ЭЛП — высокое ускоряющее напряжение.
       Катодолюминесценция  возникает  при  достижении  электронами   вполне
определенной энергии eUL, , где UL — потенциал  начала  катодолюминесценции.
У    большинства    материалов,     образующих     группу     высоковольтных
котодолюминафоров, применяемых в ЭЛП, UL  исчисляется сотнями вольт.
      Более 40 лет назад был обнаружен  ряд  веществ,  у  которых  потенциал
начала катодолюминесценции составляет единицы вольт (для ZnS =  6—7  B,  для
Zn, CdS =  4—5  B).  Однако  отсутствие  практической  потребности  в  таких
материалах долгие годы не стимулировало  детального  изучения  низковольтной
катодолюминесценции.
      Люминофор для ВЛИ должен удовлетворять ряду требований:
      1. Ширина запрещенной зоны dW   — не более 3—4 эВ. В противном  случае
условный квантовый выход становится слишком малым.
      2. Высокая электропроводность. Согласно оценкам сопротивление слоя  не
должно  превышать  единиц  килоом.  Именно  по  этой   причине   большинство
люминофоров применяемых в ЭЛП не годится для  ВЛИ,  поскольку  они  являются
или изоляторами, или полностью компенсированными полупроводниками.
        Необходимое    значение    электропроводности    можно    обеспечить
использованием люминофоров на проводящей основе  (ZnO:Zn;  SnO2:Eu;  (Zn1-x,
Cdx)S : Ag,  Al);  смешанных  люминофоров  (ZnS  :  Ag+In2O3  ;  ZnS:Cu+ZnO;
Y2O2S...Eu+SnO2) и легированных люминофоров ZnS : Ag, Zn, Al.
       3.  Низкий  потенциал  начала  катодолюминесценции.  Даже  при  малом
сопротивлении слоя люминофора он оказывается непригодным  для  использования
во ВЛИ, ели UL = 10—12 В.
       4.  Низкая  светоотдача.  В  ходе  исследования  свойств   смесей   с
проводящими порошками  было  обнаружено,  что  цвет  свечения  многих  таких
композиций зависит от анодного напряжения. Например, у смеси  SnO2  :  Eu  и
ZnS:Cl, Al цвет свечения  при  изменении  U   от  20  до  60  В  меняется  с
оранжевого на желто-зеленый. Определенное  влияние  имеет  соотношение  масс
компонент.
       При  длительной  бомбардировке  люминофора   яркость   его   свечения
изменяется, причем в этом процессе можно  выделить  три  этапа  :  начальное
изменение, этап стабильной яркости и этап выраженного старения.
      Первый этап вызван установлением стационарного  состояния  поверхности
люминофора. Критерием длительности второго этапа является  снижение  яркости
до  50—70%  от  начального  значения.  Яркость  свечения   на   этом   этапе
уменьшается  в  связи  с  действием   различных   химических   процессов   в
люминофоре, приводящих, в частности, к восстановлению ZnO до  металлического
Zn.
      Факторы, обуславливающие этап выраженного старения, таковы:  изменение
поверхностных потенциальных барьеров и электропроводности  слоя,  химическое
воздействие напыленных материалов, возникновение  безызлучательных  центров,
поглощение излучения в почерневшем поверхностном слое  люминофора.  Особенно
быстро чернеет поверхность люминофора при повышении температуры катода.

                 3. Устройство, параметры и характеристики.

      Вакуумные люминесцентные индикаторы  выпускаются  в  цилиндрических  и
плоских баллонах. Первые бывают так одноразрядными, так  и  многоразрядными,
вторые — только многоразрядными.
      Основа одноразрядного ВЛИ —  стеклянная  или  керамическая  плата,  на
которой закреплены все остальные детали индикатора (рис. 1).  В  углублениях
платы, выполненных в виде сегментов, находится проводящий слой,  соединенный
с  контактами.  Каждый  сегмент  имеет  отдельный  вывод.  Проводящие   слои
сегментов  полностью  покрыты  люминофором.  На  передней  стороне  платы  в
направлении  считывания  устанавливается  плоский  металлический   электрод.
Отверстия в этом электроде расположены напротив  соответствующих  сегментов,
покрытых люминофором. На небольшом  расстоянии  от  экранирующего  электрода
натянута управляющая сетка. В свою очередь на малом расстоянии от  плоскости
сетки, примерно параллельно оси лампы,  расположен  прямоканальный  оксидный
катод. Вся эта система помещена в цилиндрическую стеклянную  колбу,  которая
изнутри покрыта прозрачным проводящим слоем.
      В исходном состоянии  для  надежного  запирания  электронного  тока  и
предотвращения нежелательного свечения  люминофора  к  сетке  прикладывается
отрицательное напряжение смешения — несколько вольт по отношению к катоду.
       При  положительном  напряжении   на   управляющей   сетке   электроны
ускоряются  в  направлении  анодных  сегментов.  Задача  управляющей   сетки
состоит  еще  в  том,  чтобы   обеспечивать   возможно   более   равномерное
распределение плотности потока электронов на поверхности  анода  индикатора.
Экранирующий электрод имеет тот  же  потенциал,  что  и  управляющая  сетка.
Электроны попадают  на  сегменты,  имеющие  в  данный  момент  положительный
потенциал; возникает низковольтная катодолюминесценция — нанесенный на  анод
сегмент люминофор начинает светится. Яркость свечения в зависит-
[pic]
мости от применяемого люминофора достигает значений 300—700 кд/м2 и более.
       Развитием  цилиндрического  ВЛИ  явилась  конструкция  индикатора   в
плоском баллоне (рис. 2).
       Кроме  7-сегментных  плоских  ВЛИ  разработанны  также  14-сегментные
индикаторы — ВЛИ, знакоместо которого выполнено в виде точечной матрицы  5*7
или 7*12 элементов, матричные, аналоговые и цифро-аналоговые.
      Первые два типа  индикаторов  обеспечивают  представление  всех  букв,
цифр и большого числа символов. Матричные  ВЛИ  состоят  из  большого  числа
светоизлучающих элементов. Такой индикатор  позволяет  отображать  буквенно-
цифровые сообщения, графики и даже несложные движущиеся изображения.
      Обычно в  матричном  индикаторе  одна  сетка  покрывает  один  столбец
светоизлучательных  элементов  (рис   3,   а   ).   Управление   индикатором
осуществляется по сеточным цепям. При работе яркость свечения  не  постоянна
по площади, а снижается по краям (рис 3, а  ,)  поскольку  на  них  попадает
меньше электронов, чем на центральную часть  элемента.  В  этом  проявляется
влияние соседних сеток, имеющих отрицательный потенциал. С целью  устранения
этого недостатка  разработанна  усовершенствованная  конструкция  матричного
ВЛИ. В нем каждая сетка покрывает 2 столбца излучающих элементов (рис. 4,  а
). Управление осуществляется как по сеточным, так и по анодным цепям.

[pic]
Такая  структура  особенно   успешно   применяется   при   высокой   внешней
освещенности индикатора. Управляющее положительное  напряжение  подается  на
две соединенные сетки и два  расположенных  под  ними  анода.  В  результате
яркость свечения элементов оказывается равномерной (рис. 4, б ).
[pic]
Другие достоинства этой конструкции состоят в  том,  что  число  управляющих
сеток уменьшено  на  половину  и  обеспечивается  большая  яркость  за  счет
одновременного излучения света двумя столбцами элементов.
      Перспективным является  использование  ВЛИ  для  создания  индикаторов
коллективного пользования как  одноцветных,  так  и  полицветных.  Для  этих
целей применяются индикаторы следующих типов:  матричный  “столбик”,  т.  е.
диод, имеющий прямоканальный катод и семь светоизлучающих  элементов-анодов.
Из  таких  “столбиков”  может  быть  набрана  матричная  строка  высотой   7
элементов и любой длинны;  матричное  “знакоместо”  формата  5*7  элементов,
предназначенное для  сборки  строк.  Таки  индикаторы  могут  быть  двух-  и
трехцветными,   при   этом   светоизлучающие   элементы   различных   цветов
располагаются  парами  или  триадами,  сохраняя  общий  формат   знакоместа;
“элемент матричного  поля”,  т.  е.  ВЛИ  цилиндрической  формы  с  торцевым
выходом излучения, из которых формируется уже не строка,  а  матричное  поле
любого размер. Отдельные индикаторы могут  быть  одноцветными  (с  различным
цветом свечения, располагаемые парами или триадами) или двух- трехцветными.
[pic]Несмотря на широкое применение цифровой индикации, в  целом  отдавалось
и отдается  предпочтение  аппаратуре  с  аналоговой  индикацией.  Для  этого
используются  аналоговые  ВЛИ,  основными  конструктивными  типами   которых
являются линейно-полосовой  и  концентрически  полосовой.  Такие  индикаторы
имеют дискретный анод,  состоящий  из  большого  числа  отдельных  элементов
(штрихов), расположенных вдоль прямой линии или по окружности.  В  последние
годы наблюдается тенденция сочетать цифровую и аналоговую  формы  индикации,
что обусловило появление цифро-аналоговых ВЛИ.
      Наиболее удобный в работе  и  одновременно  дешевый  люминофор  —  это
окись цинка, активированная цинком ZnO:Zn, дающий  интенсивное  сине-зеленое
свечение. Для повышения контраста целесообразно покрывать  ВЛИ  нейтральными
фильтрами.
       Светофильтр,  близкий  к  оптимальному  для  ВЛИ,  который  сохраняет
доминирующую длину волны излучения  и  увеличивает  насыщенность  цвета  без
существенного снижения яркости, должен удовлетворять следующим  требованиям:
цветность 0.2