В Физтехе создали конкурента светодиодным лампочкам

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.

38.8K

Выбор редакции

Соответствующая работа опубликована в конце мая в международном научном журнале Journal of Vacuum Science & Technology B.

 

Ставшие уже привычными в быту светодиодные лампочки — не единственная экономичная альтернатива лампам накаливания: с 1980-х 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 (рис. 1).

 

Рисунок 1. Схема устройства лампочки: 1 — модуль катодного модулятора; 2 — катод; 3 — модулятор; 4 — испускаемые электроны; 5 — люминофор; 6 — анод (алюминиевое зеркало); 7 — вывод анода; 8 — стеклянная вакуумная колба / ©Пресс-служба МФТИ

Рисунок 1. Схема устройства лампочки: 1 — модуль катодного модулятора; 2 — катод; 3 — модулятор; 4 — испускаемые электроны; 5 — люминофор; 6 — анод (алюминиевое зеркало); 7 — вывод анода; 8 — стеклянная вакуумная колба / ©Пресс-служба МФТИ

 

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.

 

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 этой конвенцией, и с будущего года люминесцентные лампы, излучающие в ультрафиолетовом спектре и 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 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 (рис. 2). Они создают вблизи поверхности катода сверхвысокую напряженность электрического поля, которая и выбивает электроны в окружающий вакуум.

 

Рисунок 2. Модуль катодного модулятора (а): стрелка указывает на излучающий катод. Увеличенное изображение излучающего катода, изготовленного из углеволокна (b). / ©Пресс-служба МФТИ, фото предоставлено авторами исследования

Рисунок 2. Модуль катодного модулятора (а): стрелка указывает на излучающий катод. Увеличенное изображение излучающего катода, изготовленного из углеволокна (b). / ©Пресс-служба МФТИ, фото предоставлено авторами исследования

 

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 (рис. 3).

 

Рисунок 3. Лабораторные прототипы катодолюминесцентных лампочек с встроенным блоком питания на стандартном цоколе E27 с рассеивателем (a) и без него (b). Cветовой поток каждой из них достигает 250 лм, что приблизительно соответствует 25-ваттной лампочке накаливания. Потребляемая мощность — 5,5 Вт. / ©Пресс-служба МФТИ, фото предоставлено авторами исследования

Рисунок 3. Лабораторные прототипы катодолюминесцентных лампочек с встроенным блоком питания на стандартном цоколе E27 с рассеивателем (a) и без него (b). Cветовой поток каждой из них достигает 250 лм, что приблизительно соответствует 25-ваттной лампочке накаливания. Потребляемая мощность — 5,5 Вт. / ©Пресс-служба МФТИ, фото предоставлено авторами исследования

 

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».

 

Лампы не содержат импортных комплектующих, не требуют при производстве импортного сырья и, в принципе, могут выпускаться на любом отечественном электроламповом заводе. 

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
135Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
38.8K
Комментарии
5 ч
А квантовое " железо" если надо? Как я понимаю серого...
Вчера
То что черви кушают камень-известняк - можно как то...
Аватар пользователя Виктор Тихонов
Вчера
массо-габаритный макет с ТТХ,это что?,не тянет даже на...

Колумнисты

Физтех
135Статей
Сколтех
55Статей
Discovery Channel
38Статей
ТюмГУ
22Статьи
СФУ
12Статей
Комментарии
Хорошая новость. Ещё будет хорошо, если в России наладится регулярный выпуск таких ламп. Для продажи необходимо их активно продвигать: статьи в прессе, передачи по ТВ, даже рекламные ролики. Может, государство удастся подключить. Успехов в производстве и дальнейших разработках!
Не смешите мои тапочки!
Эти лампочки дороги, громоздки и тусклы.
Их надо обеспечить преобразователем напряжения (до 10 000 В) и защитой от жесткого излучения в виде экрана из свинцового стекла.
Со светодиодными конкурировать они ни коим образом не способны!
Аватар пользователя ak545
Пора менять тапочки.
Очень приятно читать про наших учёных, которые не уехали работать на "заклятых друзей". Если без эмоций и по существу: Люминофор - слабое звено по деградации характеристик светоотдачи любого источника света, при повышении температуры он деградирует гораздо быстрее, чем излучающий кристалл светодиода белого света. Не понятно, почему люминофор катодолюминесцентной лампы при высоких температурах будет лучше работать люминофора светодиода белого света? Но в любом случае успехов нашим ребятам)!
Заменителей нет, но ртутные лампы уже запрещаем, странная логика
Положим я давно перешел на светодиодки. Кто кипятит на ртутных тот себе сам виноват. А эти когда еще созреют и станут достаточно дешевы. Кстати рано радуются за "наших ребят" лет через пять поглядим где они окажутся после своего открытия. И правильно сделают. В кремляндии пусть остаются одни упоротые патриоты. У них же (кроме мата) всего один аргумент "не нравится - вали" ну нормальные люди и свалят.
В любом случае, долговечность зависит от качества вакуумизации,прочности корпуса,его сопротивления появлению микротрещин,и скорости старения люминофора.Хорошо,что уже есть замена УФ-лампам с парой микрограмм ртути в каждой,но светодиоды потеснить им не получится.Кроме того,зная отечественное ценообразование,я вряд ли ошибусь,если скажу,что они в любом случае будут стоить дороже светодиодов,даже если в производстве будут на порядок дешевле.Светодиоды еще выигрывают в ремонтопригодности,надёжности,абсолютной безразличности к ударам и сотрясениям,кроме того,из них можно делать точечные источники света,а с катодной такого не выйдет,так как люминофор рассеивает свет,а без него света в видимом спектре не будет.
Не могут они быть дешевле в производстве, т.к. для работы такой лампы нужны преобразователи напряжения до 10 тысяч вольт, которые, кстати, делают лампу громоздкой и неудобной...
Буквально месяц назад купил зажигалку для газа, работающую от пальчиковой батарейки, на выходе искра от 10 тысяч вольт. Цена 108 рублей. Я так понимаю цена больше за корпус чем за генератор.
Мощности зажигалки и лампы освещения, работающей по принципу старинного кинескопа - величины не сопоставимые. Учтите еще необходимость лучевой защиты.
В компактах люминисцентных тоже стоит преобразователь и ничего довольно дешево и вполне помещается в обычный цоколь. Громоздкие они когда требуется ток большой а не просто искра.
Вы посмотрите на фото этих монстров при световом потоке, сопоставимом только с 40-ваттной лампочкой накаливания!
Ну это пока лабораторный образец. Никто ж не говорит, что завтра все должны начать их покупать. Первые телевизоры тоже были не сразу очень.
А вот лауреат Нобелевской премии сэр Константин Новоселов демонстрирует канцлеру казначейства лорду Джорджу Осборну другой конкурент светодиодных ламп - лампу графеновую. За работы с графеном Гейм и Новоселов и были удостоены Нобелевской премии, увы не у нас.
Но не за лампочку им дали нобелевку-то :) Лампа графенус вульгарис это никакая не революция и не конкурент светодиодкам. Это небольшое усовершенствование технологии.
"Благодаря напылению слоя графена толщиной в один атом между светодиодами и металлической подложкой, достигается снижение температуры филаментных нитей на 16 °С и увеличение светоотдачи на 15 % по сравнению с аналогичными по мощности лампами Filament без использования графена. Применение этого материала позволяет производить филаментные лампы более высокой мощности до 15 Вт, что недоступно для стандартных решений."
Почему-то авторы умалчивают о таком неприятном побочном эффекте, как рентгеновское излучение, возникающее при обстреле люминофора потоком электронов. Вряд ли это прибавит здоровья населению...
Если люменов добавить хотя бы до 800 и решить проблему электризации и ионизации высоковольтным полем (иначе это аналог люстры Чижевского), тогда будет нормально.
Ну,ну. Часто слышим о том, что в России изобрели то-то, что у нас разработали то-то. А это "то-то" потом приходит в Россию из Китая. Если уж презервативы не можем в России производить, что уж говорить о более сложных продуктах промышленности. Болтуны.
Просто в Китае это делается дешевле чем у нас. Можно произвести и в России, но вы ж не купите за такие деньги. Сырникам и молочникам повезло - ввели антисанкции, они теперь на коленках умоляют верховного эти антисанкции не снимать. А то опять разорятся.
Не вериться, но что бы накачаться и похудеть не нужно ходить в качалку или жрать химию. Опробовал лично и результат удивил: за две недели убрал пузо и скинул пару кило, а жена накачала попу и убрала в талии пару сантиметров и это все без спорта, диет и химии!Реально крутая штука, а вычитал о ней здесь ---- http://most.tk/nnblog
Скоро керосиновые лампы изобретут!
У светодиодок кстати тоже не все шоколадно со спектром. Холодных оттенков много в отличие от естественного освещения. Есть конечно светодиодные лампы со спектром близким к естественному, но они малость дороги для бытового применения.
ёмобиль, гоночное авто Маруся, двустронний мобильник, …...светильники...……..

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку