Стемнело. Зажжём-ка ЭЛТ
Сотрудники кафедры вакуумной электроники Московского физико-технического института совместно с учёными из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) создали и испытали прототип катодолюминесцентной лампы общего освещения, основанной на явлении автоэлектронной эмиссии и обладающей, по их словам, не достигнутыми никем в мире характеристиками эффективности, надёжности и долговечности. Статья на эту тему опубликована в международном научном журнале Journal of Vacuum Science & Technology B.
Бежать от ртути
Так называемые энергосберегающие лампы, когда-то сменившие лампочки Ильича и сейчас вытесняемые светодиодными лампами, устроены очень просто. Они представляют собой стеклянные колбы, в которых в парах ртути возникает электрический разряд. Он создаёт ультрафиолетовое излучение, затем преобразуемое в видимый свет с помощью люминофора на стенках колбы (откуда название «люминесцентные»). На этом же принципе работают и старые добрые «лампы дневного света», поныне освещающие множество офисов, и ультрафиолетовые лампы, освещающие теплицы и борющиеся с микробами в лечебных учреждениях.
Главный недостаток люминесцентных ламп - в них находятся ядовитые ртутные пары, из-за которых требуются специальные процедуры утилизации ламп. Кроме того, подписанная Россией, но пока не ратифицированная ею Минаматская конвенция о ртути (межгосударственный договор, направленный на защиту здоровья людей и окружающей среды от антропогенных выбросов и высвобождений ртути и её соединений, которые могут приводить к отравлениям ртутью) с 2020 г. запрещает производство, экспорт и импорт нескольких видов ртутьсодержащей продукции, в число которых входят люминесцентные лампы.
Две альтернативы
Светодиодные лампы имеют много преимуществ перед люминесцентными - в первую очередь это отсутствие в их составе ртути и каких-либо других вредных для человека элементов. Они имеют более высокое соотношение светового потока и подводимой мощности (100 лм/Вт и более), мгновенно загораются после включения, им не нужны специальные устройства для поджига разряда (стартёры). Однако они не лишены и серьёзных недостатков: их эффективность и срок службы при температурах более 30 °C снижаются в 1,5-3 раза, в их производстве используются такие малораспространённые в земной коре элементы, как галлий и индий, а также ряд редкоземельных элементов (в первую очередь иттрий и европий).
Но светодиоды - не единственная альтернатива люминесцентным лампам. С 1980-х годов в мире изучают возможность применения для освещения катодолюминесцентных источников света. Они работают на том же принципе, что и электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), широко применявшиеся в телевизорах и компьютерных мониторах до того, как их вытеснили жидкие кристаллы и органические светодиоды. Внутри вакуумной колбы находятся катод (отрицательный электрод) и анод (положительный электрод), между которыми создаётся значительная разность потенциалов (до десятков киловольт). Под действием электрического поля электроны, испускаемые катодом, простреливают насквозь тонкий анод, под которым нанесён слой люминофора, и заставляют последний светиться, см. рис. 1.
Такая лампа хороша тем, что может излучать свет практически в любой области спектра - от красной до ультрафиолетовой. Длина волны зависит только от вида люминофора. Но сегодня особенно актуальна способность катодолюминесцентных ламп работать в ультрафиолетовой области спектра. Эти осветительные приборы никакой ртути не содержат, экологичны в эксплуатации и при утилизации.
В поисках ниши
Старший научный сотрудник отдела люминесценции ФИАН Михаил Данилкин уточняет: «Есть технические направления, из которых ртутные лампы будут вытесняться крайне медленно и неохотно. Например, это водоподготовка и водоочистка, дезинфекция воздуха. Но в медицине - это другое дело, поскольку проблема утилизации ртутных ламп до конца так и не решена, а требования по экологической безопасности всё ужесточаются. Катодолюминесцентные лампы можно использовать вместо ртутных для обеззараживания операционных, для проведения процедур по облучению ультрафиолетом горла и миндалин, а также для отверждения пломб у стоматологов».
Американцы пытались серийно производить и продавать катодолюминесцентные лампы. Но рынок США не принял новинку - в основном из-за её громоздкости и необходимости ждать после включения несколько секунд, пока катод достигнет рабочей температуры. (По той же причине старые кинескопные телевизоры начинают показывать не сразу после включения, а только после того, как прогреются.)
Впрочем, существуют и катоды, не требующие нагрева, - так называемые холодные, или автоэмиссионные. Они используют явление автоэлектронной эмиссии - испускание электронов холодным катодом под действием одного лишь электрического поля. 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.
На острие прогресса
Российским же физикам удалось решить эту задачу. «Наш автокатод построен на основе обычного углерода, - рассказывает заместитель заведующего кафедрой вакуумной электроники МФТИ Евгений Шешин. - Но этому углероду придана особая структура: мы научились создавать из углеродных волокон такую конструкцию, которая не боится ионной бомбардировки, даёт высокий эмиссионный ток, технологична и дёшева в производстве. Это чисто наше ноу-хау, такой технологии нет больше нигде в мире».
После специальной обработки пучка углеродных волокон на острие катода формируется множество микровыступов размером в доли микрона, рис. 2. Они создают вблизи поверхности катода электрическое поле сверхвысокой напряжённости, которая выбивает из него электроны, попадающие в окружающий вакуум. Разработчики утверждают, что такой катод способен проработать в техническом вакууме (10-7-10-6 мм рт. ст.) без ухудшения характеристик не менее 10 тыс. часов. Сообщают, что при экспериментах в качестве вакуумной колбы использовалась колба стандартной лампы накаливания форм-фактора R63.
Увеличенное изображение излучающего катода, изготовленного из углеволокна (b)
Один из экспериментальных образцов при питании от лабораторного источника высокого напряжения продемонстрировал световой поток 400 лм - примерно как у 40-ваттной лампы накаливания.
Второе достижение учёных Физтеха - им удалось сконструировать компактный источник питания для автокатодной катодолюминесцентной лампы, обеспечивающий необходимое для эффективной эмиссии электронов постоянное высокое напряжение. Он целиком помещается по периметру колбы лампы, почти не увеличивая её габариты, рис. 3.
со встроенным блоком питания на стандартном цоколе E27
с рассеивателем (a) и без него (b)
Cветовой поток каждой из изготовленных в лаборатории ламп достигает 250 лм, что приблизительно соответствует 25-ваттной лампе накаливания. Потребляемая мощность - 5,5 Вт.
Дёшево и сердито
Разработчики утверждают, что эффективность подобных ламп может достигать 110 лм/Вт, а срок службы - десятков тысяч часов. Это значит, что при массовом производстве катодолюминесцентные лампы вполне способны на равных конкурировать с массовой светодиодной продукцией из Китая. Они теоретически помогут окончательно вытеснить и экологически опасные ртутные «энергосберегающие» лампы, которые до сих пор широко используются.
«Наша лампочка не боится повышенных температур в отличие от светодиода, - говорит сотрудник кафедры вакуумной электроники МФТИ Дмитрий Озол, - и может эксплуатироваться там, где светодиод быстро потеряет яркость, например, в спотовых потолочных светильниках, где не обеспечивается хорошее охлаждение».
Физтеховские лампы не содержат импортных комплектующих, не требуют при производстве импортного и редкого сырья и в принципе могут выпускаться на любом отечественном электроламповом заводе.
Кому светят кинескопы?
Идея возрождения вакуумных электроламп в качестве осветительных приборов, которую предлагают разработчики из Физтеха, несомненно, имеет право на существование. Несмотря на то, что давно уже идёт век полупроводников, в отдельных технических областях лампы остаются незаменимыми. Достаточно назвать такую вещь, как магнетрон, который имеется в любой СВЧ-печи. Транзисторные решения по генерации сверхвысоких частот с мощностью в районе киловатта тоже существуют, но они не так надёжны, просты и дёшевы, как старые добрые магнетроны.
В апрельском номере «Энерговектора» за 2019 г. отмечалось, что в последнее время осветительные светодиоды настолько снизились в цене, что перестали определять затраты на производство бытовых светодиодных ламп. На первый план вышли другие затраты, такие, как на преобразователь напряжения, также называемый драйвером. Неудивительно, что разработчики ламп озаботились упрощёнными бездрайверными решениями.
Между тем катодолюминесцентные лампы для работы требуют высокого напряжения, исчисляемого киловольтами, так что об исключении преобразователя напряжения в них можно только мечтать. В такой ситуации пытаться конкурировать с массовыми светодиодными лампами по ценам и тем более по массогабаритным характеристикам крайне сложно. Конкуренция в секторе более дорогих диммируемых светильников тоже будет крайне непростой.
Возможные рыночные ниши для катодолюминесцентных ламп, о которых говорят разработчики из Физтеха, уже плотно заняты или скоро будут заняты светодиодами. Например, в теплицах за рубежом уже давно применяются красно-синие светодиодные сборки (зелёный свет для фотосинтеза не нужен, он растениями отражается - именно поэтому листья и трава зелёные). Более того, тепличные хозяйства уже регулируют соотношение яркостей красных и синих оттенков в зависимости от стадии созревания плодов, добиваясь повышения урожайности при экономии энергии.
Современный осветительный светодиод представляет собой полупроводниковый источник ультрафиолетового излучения, покрытый люминофором. В последнее время практически все крупные производители светодиодов анонсировали ультрафиолетовые приборы для медицинского применения. Что может быть проще, чем исключить один технологический этап? И поскольку сами кристаллы в осветительных и УФ-светодиодах одни и те же, последние гарантированно имеют крайне низкую себестоимость.
Справедливости ради следует отметить, что по длине волны УФ-светодиоды не эквивалентны ртутным лампам низкого давления. Последние излучают волны длиной 254 нм, которые находятся как раз на пике кривой бактерицидной чувствительности. Другими словами, ДНК бактерий лучше всего поглощают именно излучение ртутных ламп низкого давления. Неудивительно, что именно они до сих пор широко применяются для целей стерилизации медицинского инструмента и воздуха в помещениях. Между тем коммерческие ультрафиолетовые светодиоды излучают волны длиной 365, 385, 395 и 405 нм.
Японские учёные исследовали влияние света УФ-светодиодов с длиной волны 365 нм на кишечные палочки и перагемолитические вибрионы и обнаружили, что при выдержке в течение, соответственно, 30 и 10 мин. бактерии были уничтожены на 100%. То есть применение УФ-светодиодов в медицинских целях вполне возможно, конечно же, после изменения нормативной базы.
Между тем катодолюминофоры (люминофоры, возбуждаемые потоком электронов) со свечением в ультрафиолетовой области спектра пока только разрабатываются. Читаем в автореферате к диссертации Ирины Арефьевой на тему «Исследование факторов, определяющих выход УФ-катодолюминесценции, с целью создания автоэмиссионного источника ультрафиолетового излучения», датированной 2014 г.: «Несмотря на то, что исследования в области автоэмиссионной электроники ведутся уже много лет, до сих пор никто не занимался разработкой и созданием автоэмиссионного ультрафиолетового излучателя». Автор диссертации нашла подходящий для медицинских целей люминофор на основе алюмината цинка, но оказалось, что для получения устойчивых характеристик требуется крайне высокая чистота исходных материалов (доля примесей не должна превышать 0,00001%).
Ирина Арефьева также говорит об эффекте гашения катодолюминесценции при температурах выше 71 °C и предлагает способы борьбы с этим эффектом. Судя по всему, дешёвой технологией производства люминофоров для ультрафиолетовых катодолюминесцентных ламп пока не пахнет.
Читайте другие наши материалы
