Сотрудники кафедры вакуумной электроники МФТИ совместно с учеными из ФИАН создали и испытали прототип катодолюминесцентной лампы общего освещения, основанной на явлении автоэлектронной эмиссии и обладающей не достигнутыми никем в мире характеристиками надежности, долговечности и силы света. Соответствующая работа опубликована в международном научном журнале Journal of Vacuum Science & Technology B.

1.

Ставшие уже привычными в быту светодиодные лампочки — не единственная экономичная альтернатива лампам накаливания: с 1980-х годов в мире изучают возможность применения для общего освещения так называемых катодолюминесцентных светильников. 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). Под действием электрического поля электроны, испускаемые катодом, бомбардируют поверхность анода, под которой нанесен слой люминофора, и заставляют последний светиться.

2.

3.

Такая лампочка хороша тем, что может излучать свет практически в любой области спектра — от красной до ультрафиолетовой, — зависит только от люминофора. Но особенно актуальна сейчас возможность катодолюминесцентных ламп работать в ультрафиолетовой области спектра. Дело в том, что вот-вот вступит в действие международная Минаматская конвенция, запрещающая производство и оборот бытовых приборов, содержащих ртуть. Россия тоже поставила подпись под этим документом, и с будущего года люминесцентные лампы, излучающие в ультрафиолетовом спектре, а потому широко используемые у нас для освещения теплиц, окажутся вне закона. Катодолюминесцентные же осветительные приборы, излучающие тот же ультрафиолет, никакой ртути не содержат и вообще абсолютно экологичны как в эксплуатации, так и при утилизации.
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 всё 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.

4.

5.

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 катодолюминесцентные лампочки при массовом производстве вполне способны на равных конкурировать с массовой светодиодной продукцией из Китая. Они помогут окончательно вытеснить и экологически опасные ртутные люминесцентные лампы, которые мы сейчас повсеместно используем в своих квартирах.