Экран для запоминающей электронно-лучевой трубки Советский патент 1985 года по МПК G11C13/02 

I1 Изобретение относится к запоминаю щнм устройствам и может быть использовано, например, в устройстве памяти с многократным считыванием в изме рительной и вычислительной технике. Известны методы и устройства запоминания электрических сигналов путем создания потенциального рельефа на диэлетриках Cll. Основным недостатком потенциалоскопов является милое время хранения записанного сигнала, составляющего при непрерывном считывании примерно 30 мин и без считывания примерно 7 сут. Причиной малого времени хранения информации является стекание зарядов с поверхности мишени. Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности и достигаемому результату является экран экзоэмиссионного запоминанщего устройства (ЭЭЗУ) 2. Экран представляет собой подложку выполненную из проводящего полупроводникового материала, на которую на несен эмиссионный слой из щелочногаллоидного материала КС1, NaCf. Запись информации в этом устройст ве осуществляется сканированием электронным лучом по поверхности экрана. При воздействии электронов происходит заполнение имеющихся на поверхности экрана свободных ловушек электронами. Время жизни электронов в ловушках при комнатной температуре может быть достаточно большим и опре деляет время хранения записанной информации. При считывании электронный луч возбуждает люминесценцию d точке на люминесцентном экране, световой луч от которой попадает на экран для запоминания и вызывает оптически стимулированную эмиссию экзоэлектронов (ОСЭЭЭ). Электроны, находящиеся в ловушках, получают за счет поглощения квантов дополнительную энергию выходят с поверхности экрана, опус.тошая ловушки, и регистрируются ВЭУ. На участках, не пробомбардированных электронами, ловушки не заполнены электронами, и освещение не вызывает тока оптической стийулированной экзоэмиссии. Перемещение светового луча по поверхности экрана для запоминания производится сканированием электронного луча по люминесцентному экрану. 0 В таком ЭЭЗУ возможно считывание внешним световым лучом, испускаемым источником света со сканирующей системой и направляемым на экран через оптическое кварцевое окно. Время хранения информации в таком устройстве составляет около трех недель. Известное устройство характеризуется невысокой надежностью, так как при считывании одновременно происходит стирание записанной информации из-за того, что ловушки опустошаются считывающим световьм лучом. Кроме того, малые значения тока ОСЭЭЭ ( А) не позволяют производить быстрое считывание записи. Целью изобретения является повышение надежности экрана. Цель достигается тем, что в экра не, содержащем подложку из проводящего материала с нанесенным на нее эмиссионным слоем, последний выполнен из проводящего двухкомпонентного материала с избыточным содержанием электроположительных атомов одной компоненты, чувствительным к дозе облучения электронным пучком. Суть изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически представлена конструкция экрана; на фиг. 2 зависимости тока фотоэмйссии от энергий квантов света до и после электронной бомбардировки для смеси окислов бария и стронция с работой выхода 1,7 эВ; на фиг. 3 - зависимости тока фотоэмиссии от энергии квантов света до и после электронной бомбардировки для смеси окислов бария и стронция с работой выхода 1,9 эВ; на фиг. 4 - зависимость работы вькода поверхности смеси окислов бария и стронция от дозы бомбардирующих электронов; на фиг. 5 - зависимости хемоэмиссии от времени при воздействии на поверхность потоком атомов кислорода для смеси окислов бария и стронция после электронной бомбардировки и после напыления атомов бария из постороннего источника. , Экран для запоминающей электронно-лучевой трубки представляет собой металлическую подложку 1, на которую нанесен эмиссионный слой 2 из двухкомпонентного материала. Экран снабжен нагревателем 3. Эмиссионный слой представляет собой окисел метил.

ла с избыточным содержанием атомов металла, т.е. электроположительных атомов.

Работа выхода V электрона с поверхности материалов, из которых выполней эмиссионный слой экрана, в основном смеси окислов бария и стронция, уменьшается в результате их прогрева.

Подготовка экрана к работе производится один раз при изготовлении прибора его нагревом в вакууме до температуры заметного разложения окислов. При этом часть окисла разлагается, кислород откачкой удаляется из колбы и получается твердьй раствор окисла и металлической компоненты. Атомы растворенного металла образуют донорные уровни в окисле и уменьшают работу выхода.

Например, работа выхода твердого раствора смеси окислов бария и стронция с атомами бария, полученного прокалкой до 1200 К, может уменьшиться до 1,5 эВ. Поверхность окислов с работой выхода Ч меньше 1,9 эБ обладает свойством дополнительного уменьшения работы выхода под деист-. вием электронной бомбардировки. Это заложено в основу работу предлагаемо

го устройства. I

Запись, считывание и стирание информации происходят с использованием следующих свойств экрана и физических процессов, происходящих при воздействии на нее электронов, света и нагрева. В отличие от прототипа при электронной бомбардировке окисло в результате их диссоциации и десорбции кислорода происходит обогащение поверхности атомами металлической компоненты, в частности атомами бария, и, соответственно, уменьшение работы выхода электрона с поверхности и сдвиг красной границы фотоэмиссии в область более длинных волн

Величина уменьшения работы выхода зависит от дозы электронов, воздействующих на образец. Если энергия квантов h с итающего светового луча меньше фотоэлектронной работы выхода поверхности матрицы до бомбардировки и больше работ выхода (д5 пробомбардированной поверхности Чф, hD d&oiid, то освещение поверхности матрицы вызывает эмиссию только с пробомбардированных участков. Величина фотоэмиссии определяется дозой электронов, воздействующих на поверхность при записи. Учитывая, что при воздействии света состав поверхности матрицы не изменяется и фотоэмиссия стабильна во времени, то в отличие от прототипа можно производить многократное считывание записанной информации. Ери нагреве экрана избыточные атомы бария с поверхности растворяются в объеме окислов, восстанавливается начальное значение работы выхода Рф hN) (jy-f и происходит стирание записи. Приведенная физическая схема принципа работы предлагаемого устройства подтверждена экспериментально. Уменьшение работы выхода поверхности при электронной бомбардировке установлено измерениями работы выхода методами контактной разности потенциалов (КРП), термои фотоэмиссии. Измерения методом КРП показали, например, что бомбардировка при комнатной температуре поверхности окислов бария и стронция 50 вес. % Бе - 50 вес. % Sr с работой выхода по полному TOKytV( -1,7 эВ электронным лучом с плотность тока - 10 Асм -и энергией 5001000 эВ в течение 0,1 с приводит к уменьшению работы выхода на величину л 0,08-0,15 эВ.

бдновременно происходит сдвиг красной границы фотоэмиссии (фиг. 2) на величину 2: 0,7 эВ, где относительное изменение фотоэмиссионной работы выхода. На фиг. 2 приведена зависимость тока фотоэмиссии от энергии квантов света до (кривая о) и после (кривая Ь) электронной бомбардировки для смеси окислов бария и стронция с работой выхода 1,7 эВ Относительное увеличение фототока в результате бомбардировки при использовании света с энергией квантов эВ составляет более чем 30 раз, при hH 1,8 эВ - более чем 100 раз.

Для окислов с работой выхода 1,9 эВ этот эффект значительно ухудшается (фиг. 3) и становится практически непригодным для использования. На фиг. 3 представлены зависимости тока фотоэмиссии от энергии квантов света до (кривая Q) и после (кривая 5) электронной бомбардировки для смеси окислов бария и стронция с работой выхода 1,9 эВ. Следовательно, работоспособным экран является при работе выхода еЧ,1,9 эВ.

В зависимости от дозы облучения электронами изменение работы выхода поверхности смеси окислов бария к стронция с работой выхода по полному току эВ имеет растущий характер и достигает насыщения при дозах 10 -10 ат/см. Абсолютная величина работы выхода уменьшается (фиг. 4). Величина тока фотоэмиссии при освещении белым светом увеличивается почти на порядок,

Обогащение поверхности атомами бария при электронной бомбардировке подтверждено методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЭ) , позволяющ11м определять элементньй состав одногд внешнего атомного слоя поверхности.

Показано, что избыточные атомы бария на поверхности находятся в виде адсорбированных атомов, не встроенных в решетку окисла. При воздействии потока атомов кислорода на такую поверхность происходит соединение кислорода с избыточным барием, что вызывает выделение энергии и эмиссию электронов - хемоэмиссию (фиг. 5а)..Напыление атомов бария на поверхность окислов из постороннего источника дает аналогичные результаты (фиг. SS), Это подтверждает, что избыточные атомы, образованные в результате электронной бомбардировки, не встроены п решетку окисла и ответственны за увеличение тока фотоэмиссии. После прогрева экрана избыточных атомов бария на поверхности методом СОРИНЭ не наблюдается и воздействие -атомов кислорода хемоэмиссию не внзьшает.

Время хранения записанной информации определяется временем сохранения избыточных атомов бария на поверхности. Диффузия бария в объем окислов при комнатной температуре практически отсутствует. Определяющим фактором времени хранения записанной информации является наличие кислорода в остаточной атмосфере, который, попадая на поверхность экрана, соединяется с барием и снижает фотоэмиссию до первоначального уровня. Поэтому для удаления кислорода из остаточной атмосферы устройство должно содержать непрерывно работающий поглотитель кислорода,

в качестве которого может быть использован бариевый геттер.

Кроме того, все детали и узлы прибора, находящиеся в вакууме, должны быть хорошо обезгажены в процессе изготовления и откачки прибора. При таких условиях практически все поверхности, находящиеся в вакууме, способны связывать кислород из остаточной атмосферы.

Установлено, что диффузия избыточных атомов бария в объем окислов происходит интенсивно при температуре вьш1е 280 С. По.этому нагрев экрана вйвпе указанной температуры стирает записанную информацию.

Работа устройства включает следующие операции: запись, хранение и считывание информации.

Запись информации осзпцествляется сканированием по экрану электронным пучком. Величина тока этого пучка модулируется по заданной программке согласно изменению записываемого сигнала. Величина изменения работы выхода, измеряемая методом КРП, находится в пределах 0-0,2 эВ для указанных материалов и зависит от дозы облучения поверхности электронным потоком, достигая насьш|ения при дозах

примерно tO -10 ат/см . Отсюда видно, что модуляцией величины тока пучка (т.е. дозы облучения) можно записывать полутона, создавая различный контраст изменения работы выхода по поверхности экрана.

Режим записи (энергия и ток пучка, его диаметр и скорость сканирования) определяется из максимально

допустимой дозы облучения по следующей формуле:

Hfi-.

где j - плотность тока электронных А

пучков,7i

с

t - время развертки электронного

луча в растр на экране, с; d - диаметр пучка, см; S - площадь экрана, е - заряд электрона, Кл.

Запись сигналов осуществляется при фиксированном значении энергии электронного пучка в пределах от 25 эВ до 3 кзВ. Нижний предел определяется началом диссоциации окислов под действием электронной бомбардировки. Оптимальное значение энергии электронного пучка определя ется энергией, соответствующей максимальному значению коэффициента вто ричной электронной эмиссии (э , и усло виями прохождения через поверхность максимального количества заряда, включая вторичные электроны. ТТространственное разрешение при записи определяется диаметром электронного пучка. Величина тока пучка и его диаметр определяют скорость записи . см скорость записи, -; i - величина тока пучка, А; d - диаметр электронного пуч ка, см. т J При значениях А и см минимальное значение скорости записи, при котором еще можно записывать полутона, составляет примерно 1 км/с. Максимальное значение Vgon определяется чувствительностью аппаратуры (уменьшением величины сигнал/ /шум при считывании). Увеличение скорости записи больше сотен километров в секунду приводит к уменьшению сигнала величины фототека при считывании, что уменьшает скорость считывания и контраст записи. На пространственное разрешение влияет структура покрытия экрана. „ „ Наибольшее разрешение позволяют полу чать однородные слои, выращенные из молекулярных пучков. Время хранения записи определяет ся устойчивостью поверхностных донор ных уровней, образованных избыточны ми атомами бария в результате диссо циации окислов. Экспериментально I установлено, что в отсутствие вредны ионизирующих излучений, нарушений теплового режима () и вакуумных условий (р«10 торр) изменение :фототока после 30 сут составляет менее iO,5%. Считывание информации осуществляется путем сканирования поверхности экрана световым лучом с одновременной регистрацией фотоэмиссии, возбужденной этим лучом с поверхности экрана. В качестве источника света могут быть использованы монохроматичные источники света с энергией кванта hV не более Ш х+лЕзап , где х - глубина 1 08 зоны проводимости (электронное сродство полупроводника); - ширина запрещенной зоны. Для активированной окиси бария ,7 эВ, а ДЕзо|п-2 зВ. Увеличение чувствительности за счет уменьшения фона производится уменьшением энергии квантов hV до исчезновения фототока с непробомбардированной поверхности (hV x+AEg n), Пространственное разрешение при считывании определяется диаметром светового зонда и может быть не менее длины волны света считьгаающего луча. Скорость считывания определяется скоростью развертки светового луча в растр, величиной светового потока и диаметром светового зонда. Уменьшение двух последних параметров приводит к уменьшению регистрируемого сигнала (фототока). Экспериментально установлено, что освещенность экрана в 100 лк, создаваемая интегральным светом лампы накаливания, позволяет после элект-с ронной бомбардировки получить приращение фототока до 10 мкА/см. Для обеспечения достаточного сигнала при геометрическом разрешении примерно 10 мкм (при развертке в растр) необходимо обеспечить линзовую фокусировку светового зонда до 1-10 мкн (до диаметра, соответствукицего диаметру записывающего луча). Необходимая освещенность, обеспечивающая фототок порядка нескольких мкА при . указанных диаметрах зонда, достаточно просто обеспечивается обычной вольфрамовой лампой со светофильтрами и линзами. Получаемые величины фототока позволяют увеличить быстродействие примерно в 10 -10 раз (по коэффициенту усиления). Предельная скорость считывания обеспечивается электромагнитной разверткой светово-10сго луча в растр и составляет на 1 кадр. Частота записьгеаемого сигнала f практически определяется скоростями записи и считьшания и при скоростях км/с максимальное значение fmo составляет 10 МГц, а при км/с ГГц, где максимальное значение частоты записываемого сигнала . Предлагаемое устройство позволяет производить многократное считывание I

сигнала практически без заметного стирания записи, так как свет малой интенсивности с длинами волн видимого и инфракрасного диапазонов не вызываег физико-химических изменений на поверхности твердых тел, приводящих к изменению состава поверхности.

Использование в качестве покрытия экрана двухкомпонентного материала с избыточным содержанием электроположительных атомов, чувствительных к дозе облучения электронным пучком/ выгодно отличает предлагаемое устройство от известных, так как на несколько порядков большие значения фототока по сравнению с токами ОСЭЭЭ позволяют соответственно увеличивать скорость считывания, производить многократное считывание без заметного изменения величины сигнала (т.е. качества записанного сигнала за счет постоянства фототока во времени, в противоположность спаданяцей характеристике тока ОСЭЭЭ от времени) . Кроме того, увеличивается время хранения записанной информации до. 30 сут.

Предлагаемое устройство может быть испол| зовано для запоминания сигналов и фотоизображений в измерительной технике.

.ЭКРАН ДЛЯ ЗАПОМИНАЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ, содержащий подложку из проводящего материала с нанесенным на нее эмиссионным слоем, отличающийся тем, что, с целью повышения его надежности, эмиссионный слой выполнен из проводящего двухкомпонентного материала с избыточным содержанием электроположительных атомов одной компоненты, чувствительным к дозе облучения электронным пучком. чппплг Фиг л

Фиг.г

г Wy/7 ТГ

4Ч72

Ь.

Фиг Л