Forskare från Moskvas institut för fysik och teknologi och Lebedev Physical Institute vid den ryska vetenskapsakademin har designat och testat en prototyp av katodoluminescerande lampa för allmän belysning. Den nya lampan, som förlitar sig på fenomenet fältutsläpp, är mer pålitlig, hållbar, och lysande än dess analoger tillgängliga över hela världen. Utvecklingen rapporterades i Journal of Vacuum Science &Technology B .

Medan LED-lampor har blivit vanliga, de är inte det enda rena och energibesparande alternativet till glödlampor. Sedan 1980-talet, ingenjörer runt om i världen har tittat på de så kallade katodoluminescerande lamporna som ett annat alternativ för allmänbelysning.

Visat i figur 1, en lampa av detta slag bygger på samma princip som strömförsörjde TV-katodstrålerör:en negativt laddad elektrod, eller katod, i ena änden av ett vakuumrör fungerar som en elektronpistol. En potentialskillnad på upp till 10 kilovolt accelererar de emitterade elektronerna mot en platt positivt laddad fosforbelagd elektrod - anoden - i motsatta änden av röret. Detta elektronbombardement resulterar i ljus.

Katodoluminiscerande lampor har fördelen av att avge ljus nästan vid vilken våglängd som helst, från rött till ultraviolett, beroende på vilket fluorescerande material som används.

Nya ultravioletta glödlampor skulle vara en särskilt läglig utveckling, med tanke på det senaste förbudet mot hushållsapparater som använder kvicksilver enligt Minamatakonventionen, ett FN-fördrag undertecknat av 128 länder som trädde i kraft i augusti 2017. Bland annat förbudet riktar sig till ultravioletta lysrör, används ofta för växthusbelysning och andra applikationer. Katodoluminescerande UV-lampor innehåller inget kvicksilver och är i allmänhet renare i drift och vid kassering.

"Vissa industrier som använder kvicksilverlampor för vattenbehandling och luftdesinfektion, till exempel, kommer att vara mycket långsam och ovillig att fasa ut dem, " kommenterade Mikhail Danilkin från Lebedev Physical Institute, RAS. "Men medicin är annorlunda, eftersom frågan om bortskaffande av kvicksilverlampor vid enskilda medicinska anläggningar inte har lösts, samtidigt som miljökraven blir strängare. Katodoluminescerande lampor skulle kunna användas vid operationssanering, UV-strålning av hals och tonsiller, och tandfyllningshärdning."

En annan viktig fördel med den nya lampan framför lysdioder och lysrör är att den inte förlitar sig på de så kallade kritiska råvarorna. Dessa inkluderar gallium, indium, och några sällsynta jordartsmetaller. Även om deras utbud är begränsat, dessa material är viktiga och oersättliga för hälsan, försvar, flyg, och andra nyckelbranscher. Europeiska kommissionen listar dem som strategiskt viktiga för den europeiska ekonomin.

Försök att masstillverka kommersiella katodoluminescerande glödlampor har gjorts i USA, men konsumenterna omfamnade inte enheten, mest för att det var skrymmande och tog flera sekunder att värma upp katoden till driftstemperatur. Liknande, de gamla TV-apparaterna började visa bilden efter en kort fördröjning.

Vissa katoder kräver ingen uppvärmning, fastän. De är kända som fältemissionskatoder, eftersom de förlitar sig på fenomenet fältutsläpp. Det involverar en kall katod som sänder ut elektroner enbart under ett elektrostatiskt fält, på grund av tunnling.

Dock, designa en effektiv, långvarig, och tekniskt avancerad katod som kunde masstillverkas och säljas till ett överkomligt pris har visat sig vara utmanande. Trots ett pågående arbete i Japan och USA, den senaste ryska studien markerar det första framgångsrika försöket med detta.

"Vår fältemissionskatod är gjord av vanligt kol, " sa professor Evgenii Sheshin, vice ordförande för vakuumelektronik vid MIPT, som ledde forskargruppen. "Men detta kol används inte bara som en kemikalie, utan snarare som en struktur. Vi hittade ett sätt att skapa en struktur av kolfibrer som är resistent mot jonbombardement, avger en hög emissionsström, är tekniskt och prisvärt i produktion. Denna teknik är vårt kunnande, ingen annan i världen har det."

Genom att utsätta kolet för specialbehandling, många submikrometer utsprång – mindre än en miljondels meter i storlek – bildas i spetsen av katoden (figur 2). Detta resulterar i ett ultrahögt elektriskt fält vid spetsen, driver ut elektroner, in i vakuumet.

MIPT-forskargruppen har också utvecklat en kompakt strömkälla för sin katodoluminescerande lampa, som levererar tillräckligt med kilovolt för framgångsrik fältelektronemission. Källan är monterad runt glasglödlampan (figur 3) med nästan ingen effekt på dess storlek.

Tidningen redovisar prototyptester och lampans tekniska egenskaper. Dessa data tyder på att om massproducerade, den nya katodoluminiscerande glödlampan kunde konkurrera med de billiga lamporna baserade på lysdioder. Den nya glödlampan skulle också hjälpa till att fasa ut de farliga lysrören som innehåller kvicksilver, som fortfarande används i många hushåll.

"Till skillnad från LED-lampan, vår lampa är inte rädd för förhöjda temperaturer. Du kan använda den där dioder snabbt bleknar, som i takspotlights, där otillräcklig kylning tillhandahålls, " tillade studiens medförfattare Dmitry Ozol från MIPT:s vakuumelektronikavdelning.