Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen hebben een prototype kathodoluminescentielamp voor algemene verlichting ontworpen en getest. Het nieuwe lampje, die berust op het fenomeen van veldemissie, betrouwbaarder is, duurzaam, en lichtgevend dan zijn analogen die wereldwijd verkrijgbaar zijn. De ontwikkeling werd gemeld in de Journal of Vacuum Science &Technology B .

Terwijl LED-lampen gemeengoed zijn geworden, ze zijn niet het enige schone en energiebesparende alternatief voor gloeilampen. Sinds de jaren tachtig, ingenieurs over de hele wereld hebben de zogenaamde kathodoluminescentielampen onderzocht als een andere optie voor algemene verlichtingsdoeleinden.

Getoond in figuur 1, een dergelijke lamp is gebaseerd op hetzelfde principe dat tv-kathodestraalbuizen van stroom voorziet:een negatief geladen elektrode, of kathode, aan het ene uiteinde van een vacuümbuis dient als een elektronenkanon. Een potentiaalverschil van maximaal 10 kilovolt versnelt de geëmitteerde elektronen naar een vlakke positief geladen met fosfor beklede elektrode - de anode - aan het andere uiteinde van de buis. Dit elektronenbombardement resulteert in licht.

Kathodoluminescentielampen hebben het voordeel dat ze bijna bij elke golflengte licht uitstralen, van rood naar ultraviolet, afhankelijk van welk fluorescerend materiaal wordt gebruikt.

Nieuwe ultraviolette lampen zouden een bijzonder geschikte ontwikkeling zijn, gezien het recente verbod op huishoudelijke apparaten die kwik gebruiken krachtens het Verdrag van Minamata, een verdrag van de Verenigde Naties ondertekend door 128 landen dat in augustus 2017 in werking is getreden. het verbod is gericht op ultraviolette TL-buizen, veel gebruikt voor kasverlichting en andere toepassingen. Kathodoluminescente UV-lampen bevatten geen kwik en zijn over het algemeen schoner in gebruik en na verwijdering.

"Sommige industrieën die kwiklampen gebruiken voor waterbehandeling en luchtdesinfectie, bijvoorbeeld, zeer traag zullen zijn en niet bereid om ze geleidelijk uit te faseren, " merkte Mikhail Danilkin van het Lebedev Physical Institute op, RAS. "Maar geneeskunde is anders, omdat het probleem van de verwijdering van kwiklampen bij individuele medische instellingen niet is opgelost, terwijl de milieunormen strenger worden. Kathodoluminescentielampen kunnen worden gebruikt bij de decontaminatie van operatiekamers, UV-bestraling van keel en amandelen, en het uitharden van tandvullingen."

Een ander belangrijk voordeel van de nieuwe lamp ten opzichte van LED's en TL-lampen is dat deze niet afhankelijk is van de zogenaamde kritische grondstoffen. Deze omvatten gallium, indium, en enkele zeldzame aardmetalen. Hoewel hun aanbod beperkt is, deze materialen zijn essentieel en onvervangbaar in de gezondheid, verdediging, ruimtevaart, en andere belangrijke industrieën. De Europese Commissie noemt ze van strategisch belang voor de Europese economie.

In de Verenigde Staten zijn pogingen gedaan om commerciële kathodoluminescente gloeilampen in massa te produceren, maar de consumenten omarmden het apparaat niet, vooral omdat het omvangrijk was en enkele seconden duurde om de kathode op bedrijfstemperatuur te brengen. evenzo, de oude tv's begonnen het beeld na een korte vertraging weer te geven.

Sommige kathoden hebben geen opwarming nodig, Hoewel. Ze staan ​​bekend als veldemissiekathoden, omdat ze afhankelijk zijn van het fenomeen veldemissie. Het gaat om een ​​koude kathode die alleen elektronen uitzendt onder een elektrostatisch veld, wegens tunneling.

Echter, het ontwerpen van een efficiënte, langdurig, en technologisch geavanceerde kathode die in massa kan worden geproduceerd en tegen een betaalbare prijs kan worden verkocht, is een uitdaging gebleken. Ondanks een voortdurende inspanning in Japan en de VS, de recente Russische studie markeert de eerste succesvolle poging daartoe.

"Onze veldemissiekathode is gemaakt van gewone koolstof, " zei professor Evgenii Sheshin, plaatsvervangend voorzitter vacuümelektronica bij MIPT, die het onderzoeksteam leidde. "Maar deze koolstof wordt niet alleen als chemische stof gebruikt, maar eerder als een structuur. We hebben een manier gevonden om een ​​structuur van koolstofvezels te maken die bestand is tegen ionenbombardement, geeft een hoge emissiestroom af, is technologisch en betaalbaar in productie. Deze technologie is onze knowhow, niemand anders in de wereld heeft het."

Door de koolstof aan een speciale behandeling te onderwerpen, veel submicrometer-uitsteeksels - minder dan een miljoenste van een meter groot - worden gevormd aan de punt van de kathode (figuur 2). Dit resulteert in een ultrahoog elektrisch veld aan de punt, elektronen uitdrijven, in het vacuüm.

De onderzoeksgroep MIPT heeft ook een compacte stroombron ontwikkeld voor hun kathodoluminescentielamp, die voldoende kilovolt levert voor succesvolle veldelektronenemissie. De lichtbron wordt om de glazen gloeilamp (figuur 3) gehangen zonder dat dit invloed heeft op de grootte.

Het papier rapporteert prototypetests en de technische kenmerken van de lamp. Deze gegevens suggereren dat als massaproductie, de nieuwe kathodoluminescentielamp zou kunnen concurreren met de goedkope lampen op basis van light-emitting diodes. De nieuwe lamp zou ook helpen om de gevaarlijke fluorescentielampen die kwik bevatten uit te faseren, die nog steeds in veel huishoudens worden gebruikt.

"In tegenstelling tot de LED-lamp, onze lamp is niet bang voor hoge temperaturen. Je kunt het gebruiken waar diodes snel vervagen, zoals in plafondspots, waar onvoldoende koeling aanwezig is, " voegde studie co-auteur Dmitry Ozol van de afdeling vacuümelektronica van MIPT toe.