Катодолюминесцентные осветительные приборы, излучающие ультрафиолет, при этом не содержат ртути. Абсолютно экологичны, как в эксплуатации, так и при утилизации.
Сотрудники кафедры вакуумной электроники МФТИ совместно с учеными из ФИАН создали и испытали прототип катодолюминесцентной лампы общего освещения, основанной на явлении автоэлектронной эмиссии.
Это единственная в мире технология с подобными характеристиками надежности, долговечности и силы света.
Их работа основана на том же принципе, что и кинескопы старых телевизоров: внутри вакуумной колбы находятся катод (отрицательный электрод) и анод (положительный электрод), между которыми создается значительная разность потенциалов (до десятка киловольт).
4 — испускаемые электроны; 5 — люминофор; 6 — анод (алюминиевое зеркало); 7 — вывод анода;
8 — стеклянная вакуумная колба / ©Пресс-служба МФТИ
Под действием электрического поля электроны, испускаемые катодом, бомбардируют поверхность анода, под которой нанесен слой люминофора, и заставляют последний светиться.
Такая лампочка хороша тем, что может излучать свет практически в любой области спектра — от красной до ультрафиолетовой - и зависит только от люминофора. Но особенно актуальна сейчас возможность катодолюминесцентных ламп работать в ультрафиолетовой области спектра.
Михаил Данилкин из ФИАН уточняет: «Есть отрасли, из которых ртутные лампы будут вытесняться крайне медленно и неохотно - например, водоподготовка и водоочистка, дезинфекция воздуха. Но в медицине это другое дело, поскольку проблема утилизации ртутных ламп отдельными медицинскими учреждениями до конца так и не решена, а требования по экологической безопасности все ужесточаются. Так, катодолюминесцентные лампы можно использовать для обеззараживания операционных, для проведения процедур по облучению ультрафиолетом горла и миндалин, а также для отверждения пломб у стоматологов».
Катодолюминесцентные лампочки пытались серийно производить и продавать в США. Но рынок не принял новинку - в основном из-за ее громоздких размеров и необходимости ждать после включения несколько секунд, пока катод достигнет рабочей температуры. (По той же причине старый кинескопный телевизор начинал показывать не сразу после включения, а после того, как прогреется.)
Впрочем, существуют и катоды, не требующие нагрева, - так называемые автокатоды. Их принцип действия основан на явлении автоэлектронной эмиссии - испускании электронов холодным катодом под действием одного лишь электрического поля, за счет туннельного эффекта.
Но создать эффективный, долговечный и при этом технологичный автокатод, имеющий приемлемую для массового производства себестоимость, крайне сложно: ни в Японии, ни в США, где сейчас ведутся подобные работы, этого сделать до сих пор не удалось. А российским физикам - удалось.
«Наш автокатод построен на основе обычного углерода, — рассказывает Евгений Шешин, руководитель работы, профессор МФТИ, заместитель заведующего кафедрой вакуумной электроники.
- Но этот углерод работает не просто химикатом, а структурой: мы научились создавать из углеродных волокон такую конструкцию, которая не боится ионной бомбардировки, дает высокий эмиссионный ток, технологична и дешева в производстве. Это чисто наше ноу-хау, такой технологии нет больше нигде в мире».
Специальная обработка углеродного материала позволяет формировать на острие катода множество микровыступов размером в доли микрона. Они создают вблизи поверхности катода сверхвысокую напряженность электрического поля, которая и выбивает электроны в окружающий вакуум.
Специальная обработка углеродного материала позволяет формировать на острие катода множество микровыступов размером в доли микрона. Они создают вблизи поверхности катода сверхвысокую напряженность электрического поля, которая и выбивает электроны в окружающий вакуум.
Второе достижение ученых Физтеха — им удалось сконструировать компактный источник питания для автокатодной катодолюминесцентной лампочки, обеспечивающий необходимые для эффективной эмиссии электронов киловольты. Он целиком помещается по периметру колбы лампочки, почти не влияя на ее размеры.
В опубликованной работе по результатам испытаний прототипа приводятся его технические характеристики. Эти данные свидетельствуют, что катодолюминесцентная лампочка при массовом производстве вполне способна на равных конкурировать с массовой светодиодной продукцией из Китая.
Такие лампочки помогут окончательно вытеснить и экологически опасные ртутные люминесцентные лампы, которые мы сейчас повсеместно используем в своих квартирах. А ведь их нельзя даже выбрасывать на обычную свалку, их надо специально утилизировать чтобы не загрязнять ртутью окружающую среду.
«Такая лампочка не боится повышенных температур, в отличие от светодиода, — говорит Дмитрий Озол, соавтор работы, сотрудник кафедры вакуумной электроники МФТИ. - И может эксплуатироваться там, где светодиод быстро потеряет яркость - например, в спотовых потолочных светильниках, где не обеспечивается хорошее охлаждение».
