俄罗斯工程师准备“点亮”灯具革命

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Credit: @tsarcyanide/MIPT Press Office

莫斯科物理和技术研究所和俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所的研究人员设计并测试了一个用于普通照明的阴极灯原型。新的灯依赖场发射现象，比在世界各地使用的类似灯具更可靠耐用和明亮。《真空科学与技术杂志B》(The Journal Of Vacuum Science&Technology B) 报道了这一进展。

虽然LED灯已司空见惯，但它们并不是白炽灯唯一的清洁和节能替代品。自20世纪80年代以来，世界各地的工程师一直在寻找所谓的阴极发光灯作为一般照明用途的另一种选择。

如图1所示，这种灯依赖的原理和使用阴极射线管为旧电视供电的原理一样:真空管的一端为负电极或阴极，用作电子枪。高达10千伏的电势差加速了发射的电子朝向带正电的扁平磷光体涂层的电极-阳极，它在真空管的另一端。。这种电子轰击产生了光线。

阴极发光灯的优点是能够发出从红色到紫外线、几乎任何波长的光，这取决于使用的荧光材料。

考虑到最近根据《水俣公约》而禁止在家用电器中使用汞，新型紫线外灯泡开发来的特别及时。《水俣公约》是一个由128个国家签署的联合国条约，于2017年8月生效。在其他产品中，广泛用于温室照明等应用的紫外线荧光灯管也受到禁止。阴极发光紫外灯泡不含汞，在使用和处理时通常更清洁。

"例如，一些使用汞灯进行水处理和空气消毒的行业的行动将非常缓慢，不愿意淘汰它们，"俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所的Mikhail Danilkin评论说。"但医学不同，因为在个别医疗设施汞灯处理的问题还没有得到解决，而环境标准正变得更加严格。阴极发光灯可用于手术室除污、咽喉和扁桃体的紫外线照射和牙齿填充治疗。”

和LED和荧光灯泡相比，新灯的另一个重要优点是它不依赖于所谓的关键原材料。这些原材料包括镓、铟和一些稀土元素。虽然它们的供应有限，但是这些材料在健康、国防、航空航天和其他关键行业必不可少，不可替代。欧盟委员会将它们列为对欧洲经济具有战略重要性的物质。

美国已经尝试大规模生产商业阴极发光灯泡，但消费者并没有接受该设备，主要是因为它体积大，需要花几秒钟将阴极预热到工作温度。类似地，老电视机在短暂延迟后才开始显示图像。

不过，一些阴极不需要预热。它们被称为场致发射阴极，因为它们依赖于场致发射现象。它涉及由于隧道效应在静电场下单独发射电子的冷阴极。

然而，设计一个可以大量生产并以合理价格出售的高效、持久和技术先进的阴极，已证明具有挑战性。尽管日本和美国一直在努力，最近的俄罗斯研究标志着这方面的第一次成功尝试。

"我们的场致发射阴极是由普通碳制成的，"MIPT真空电子学副主任、领导研究团队的Evgenii Sheshin说。"但是，这种碳不仅仅是被用作一种化学物质，而是一种结构。我们找到了一种从耐离子轰击的碳纤维中塑造结构的方法，输出高发射电流，在生产上技术可行，经济实惠。这项技术是我们的诀窍，世界上没有其他人拥有它。”

通过对碳进行特殊处理，在阴极的尖端形成许多亚微米计的突起（小于一米的百万分之一）（图2）。这在尖端导致了一个超高电场，把电子驱赶出来，进入真空。

MIPT研究小组还为其阴极发光灯开发了一款紧凑型电源，为成功的场电子发射提供足够的千伏。光源安装在玻璃灯泡周围（图3），对其尺寸几乎没有影响。

本文报道了原型试验和灯具的技术特点。这些数据表明，如果得到大规模生产，新的阴极发光灯泡可以与基于发光二极管的廉价灯竞争。新灯泡也将有助于淘汰含汞的有害荧光灯，它们仍然在许多家庭中使用。

"不像LED灯泡，我们的灯不怕温度升高。您可以在二极管快速褪色的地方使用它，如天花板聚光灯，那里提供的冷却不足，"MIPT真空电子部门的研究联合作者Dmitry Ozol补充道。

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