Все новости

Ртуть в лампах предложили заменить катодом на основе квантового туннельного эффекта. Из-за Минаматской конвенции ртутные светильники нельзя будет производить уже в 2020 году

Ученые из ФИАН и МФТИ создали новую лампу необычного типа — катодолюминесцентную. Для того чтобы работать, ей, в отличие от аналогов, не надо несколько секунд нагреваться, поскольку она работает на квантовом туннельном эффекте. Изобретатели считают, что их разработка сможет заменить популярные люминесцентные лампы на основе ртути.
Испытания новой катодолюминесцентной лампы Ольга Скворцова / Chrdk. / Evgenii P. Sheshin et al. / Journal of Vacuum Science & Technology B
Описание
Испытания новой катодолюминесцентной лампы
© Ольга Скворцова / Chrdk. / Evgenii P. Sheshin et al. / Journal of Vacuum Science & Technology B

Действие многих использующихся сегодня люминесцентных ламп основано на ртути. У них хорошая светоотдача, умеренное потребление энергии, а также они могут светить и в ультрафиолетовом диапазоне. Это важно как для людей (это не только источник витамина D, и но часть спектра, необходимая для того, чтобы у детей и подростков развилось нормальное зрение), так и для растений — без УФ-лучей они могут не вовремя начинать те или иные стадии созревания, а у их плодов может ухудшиться вкус. Однако с 2020 года производить ртутные лампы будет уже нельзя: это запрещает Минаматская конвенция о ртути. При этом их полноценных заменителей до сих пор не создавали.

Уже несколько десятков лет различные научные группы пытаются создать катодолюминесцентные лампы на основе вакуумных колб, в которых есть катод (отрицательный электрод) и анод (положительный электрод). Между ними создается разность потенциалов до десятка тысяч вольт, и возникает электрическое поле. Под его действием электроны вылетают из катода и бомбардируют анод, под поверхностью которого нанесен слой люминофора. От этой бомбардировки он начинает испускать фотоны — светиться.

Читайте также: Ртуть: десять утверждений. «Чердак» разбирает популярные утверждения о ртути. Не все из них правда

Однако пока все попытки реализовать такие устройства проваливались. Чтобы начать работать, катоду в катодолюминесцентной лампочке нужно прогреться, что занимало несколько секунд. Кроме того, имевшиеся образцы были дорогими. Авторы новой работы обратились к другой схеме подобных ламп — автокатодной. В ней электроны под действием одного лишь электрического поля испускают холодный катод — за счет квантового по своей природе туннельного эффекта.

Материал нового автокатода — обычное углеродное волокно, на которое исследователи нанесли множество микровыступов размером в доли микрона. На их концах вблизи поверхности катода создается сверхвысокая напряженность электрического поля, которая и «выбивает» электроны в окружающий вакуум лампы. Поскольку катод «холодный», прогрев ему не нужен, и свет излучается сразу же после включения.

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
Описание
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

Еще одна сильная сторона новой конструкции — очень компактный источник питания. В предыдущих аналогах источник питания был настолько громоздким, что стандартный цоколь для такой лампы был слишком мал. У новой разработки источник целиком помещается по периметру колбы лампочки, почти не влияя на ее размеры, — ей легко подходит стандартный цоколь Е27.

Прототип, созданный исследователями, создает световой поток в 250 люмен при мощности в 5,5 ватта. Это соотношение нормально для флуоресцентных ламп на ртути и лишь несколько хуже, чем у светодиодов. Авторы работы полагают, что изобретенные ими катодолюминесцентные лампочки при массовом производстве вполне могут на равных конкурировать с массовой светодиодной продукцией из Китая.

Прототип лампы, созданный учеными
Описание
Прототип лампы, созданный учеными

Благодаря умеренной цене они помогут окончательно вытеснить и экологически опасные ртутные люминесцентные лампы, которые до сих пор широко используются в квартирах, при уличном освещении и в теплицах.

 Иван Ортега