CC BY
18В результате расчетов получены временные зависимости концентраций ХСН3, ХСН2, ХСНО и X (рис. 2). Обнаружено, что ХСН2 и ХСНО проходят через максимум, и в то же время наблюдается нелинейный рост концентрации радикалов X. Наибольший интерес представляют данные по выходу Н20 и СО, так как могут быть измерены экспериментально.
Применение средств вычислительной техники позволило качественно описать процесс окисления АФ. Для получения количественной информации необходимо проведение расчетов и измерение количества кислорода, выхода Н20 и СО на конкретном барботажном реакторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Menéndez R., Granda M., Rafael Kandiyoti, Millán M., Gulyurtlu I., Pinto F., Fernández J.J., Lacroix S., Allard B., Machnikowski J. EUR 24193 Development of a new generation of coal-derived environmentally friendly pitch-es.Luxembourg: Publications Office of the European Union. 2009. 139 p.
2. Díez N., Alvarez P., Santamaría R., Blanco C., Menéndez R., GrandaM. // Fuel Processing Technology. 2012. V. 93. P. 99 104.
3. Сидоров О.Ф. // Кокс и химия. 2004. № 6. С.24-31; Sidorov O.F. // Koks i Khimiya. 2004. N6. P. 24 31 (in Russian).
4. Fernander J.J., Figueiras A., Granda M. // Carbon. 1995. V. 33. N 3. P. 295-307.
5. Manocha L.M., Patel M., Manocha S.M. // Carbon. 2001, V. 39. N 5. P. 663-671.
6. Белкина T.B., Лурье M.B., Степаненко M.A. // XTT. 1981. №4. С. 143-149;
Belkina T.V., Lur'e M.V., Stepanenko М.А. // KhTT. 1981. N 4. P. 143 149 (in Russian).
7. Pozrikidis C. Fluid Dynamics: Theory, Computation, and Numerical Simulation. Second Edition. New York: NY. Springer. 2009. 773 p.
8. Асарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Л.: Химия. 1971.223 е.;
Asarita J. The mass transfer with chemical reaction. L.: Khimiya. 1971. 223 p. (in Russian).
9. Шляпников Ю.А., Кирюшкин С.Г., Марьин А.П. Антиокислительная стабилизация полимеров. М.: Химия. 1986.253 с.;
Shlyapnikov Yu.A., Kiryushkin S.G., Mar'in A.P. Anti-oxidative stabilization of polymers. M.: Khimiya. 1986. 253 p. (in Russian).
10. Воробьев A.X. Диффузионные задачи в химической кинетики. МГУ. 2003. 98 е.;
Vorob'ev A.H. Diffusion problems in chemical kinetics. M.: MGU. 2003. 98 p. (in Russian).
УДК 537.533.2
Е.П. Шешин, А.Ю. Колодяжный, A.C. Рауфов ИСТОЧНИКИ ОБЩЕГО ОСВЕЩЕНИЯ С АВТОКАТОДАМИ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(Московский физико-технический институт (государственный университет)) e-mail: sheshin ep@mipl rii ko1oHyazhnyj@gmai1 com, aziz raiifov@gmai1 com
Реальной альтернативой существующим энергосберегающим источникам света могут стать экологически безопасные энергосберегающие катодолюминесцентные источники света (КИС) нового поколения, основанные на свечении люминофора под действием электронов, полученных при автоэлектронной эмиссии с автокатода. В настоящее время, к сожалению, не существует разработанных оптимизированных конструкций ламп общего назначения с автоэлектронным катодом ни у нас, ни за рубежом. Поэтому на первом этапе необходимо разработать рабочий прототип высокоэффективной КИС с низкой себестоимостью при массовом производстве.
Ключевые слова: автоэмиссия, автоэмиссионные свойства материалов, автоэлектронные катоды, углерод, полиакрилонитрильные углеродные волокна, катодолюминесцентные источники света
Сегодня наиболее перспективными источниками света общего назначения считаются люминесцентные «энергосберегающие лампы» и светодиоды. Однако и те, и другие источники освещения общего назначения наряду с определенными преимуществами имеют и ряд серьезных недостатков.
Реальной альтернативой существующим энергосберегающим источникам света, по нашему мнению, могут стать экологически безопасные энергосберегающие катодолюминесцентные источники света (КИС) нового поколения, основанные на свечении люминофора под действием электронов, полученных при автоэлектронной эмиссии [1] с ав-
токатода, изготовленного из наноструктуриро-ванного углеродного материала [2].
Работа источников света на основе нано-структурированных углеродных материалов основана на явлении автоэлектронной эмиссии [1]. Она заключается в вытягивании электронов из катода под воздействием электрического поля
.
Электроны, вылетевшие из катода под действием поля модулятора, ускоряются электрическим полем и возбуждают световые кванты в слое люминофора, нанесенного на анод (рис. 1). Так как излучение от зерен люминофора распространяется на 360°, слой алюминия используется в качестве зеркала, отражающего свет во внешнюю часть лампы для увеличения яркости свечения.
Рис. 1. Принципиальная схема работы КИС с автокатодом Fig. 1. Schematic diagram of the operation with the CLS fieldemission cathodes
На сегодняшний день многие организации таких стран, как США, Великобритания, Южная Корея, Япония и Китай конкурируют между собой на пути создания энергоэффективных КИС нового поколения с большим сроком службы. К примеру, авторами [3] было предложено использование катода из углеродных наноострий, с целью улучшения характеристик автоэлектронной эмиссии.
Стоит отметить, что уровень вакуума, необходимый для работы этого светоизлучающего устройства, должен быть лучше 10~7 Topp. В зависимости от требуемой яркости, значение напряжения между катодом и управляющим электродом может составлять от 100 до 1400 В. К аноду же прикладывается напряжение в диапазоне от 1 до 35 кВ.
Авторами [4] и [5] была представлена концепция автоэмиссионного устройства (рис. 2), включающего в себя герметичный корпус (12) со светопроницаемой частью (120,122) (одной, либо двумя противоположными), покрытой слоем люминофора (14,18) с сформированным на нем светопроницаемым анодом (16,20). Напротив светопроницаемого анода расположен катод (24), представляющий собой слой проводящей суспензии, содержащий нано-материал. С ним электрически соединен защитный цилиндр (22), конец которого обращен к светопроницаемому аноду.
10
По совокупности примененных решений
-
ства:
• высокая световая эффективность и яркость;
• благоприятный для человека спектр излучения;
• экологическая чистота - отсутствие вредных и ядовитых веществ;
• мгновенная готовность к работе;
• широкий диапазон рабочих температур (от -196 °С до +150 °С);
• большая площадь светоизлучающей поверхности;
• срок службы более 50 тыс. ч.;
• в производстве ламп используются простая технология и широко распространенные в
.
-
боток - экономичное и экологически чистое производство эффективных экологичных источников
-
ных объектов, в том числе, и для использования в проекционном телевидении.
Рис. 2. Схематичный вид устройства в поперечном разрезе в
поперечном сечении, сделанном по линии II-II Fig. 2. A schematic view of the apparatus in cross section and in cross section taken along the line II-II
На сегодняшний день в лабораториях МФТИ разработано несколько прототипов като-долюминесцентных источников света с большим сроком службы, часть из которых описана ниже. Экспериментально показано, что может быть достигнута яркость свыше 100000 кд/м2.
-
жением, подаваемым на модулятор (в диапазоне 0,7-5 кВ), так и напряжением, подаваемым на анод
(в диапазоне 5-25 кВ). Важно, что эти напряжения
-
лу малых токов (несколько мкА) и возможности разработки драйвера-источника питания КИС, размещаемого в цоколе Е27.
Цель изобретения [6] заключалась в по-
точника света (рис.3) за счет снижения энергопотребления при одновременном повышении его долговечности, за счет снижения внутреннего тепловыделения и снижения габаритных размеров за
.
Катодно-модуляторный узел (КМУ), содержит 5-10 автокатодов, расположенных равномерно по окружности. Автоэмиссионные катоды выполнены в виде стержней диаметром 10-300 мкм, эмитирующие торцы автокатодов расположены соосно с отверстиями в модуляторе, что по-
ного автокатода и, соответственно, понизить уп-.
Реализация конструкции предложенного автоэмиссионного устройства осуществляется следующим образом. Пучок углеродных волокон покрывают оболочкой из диэлектрика, в частности из стекла, при этом операция "остекловки" позволяет изготавливать катоды с пучком волокон, ориентированным вдоль оси и расположенным строго по центру катода при отсутствии механических нагрузок на волокна. Остеклованные
и нарезанные на требуемую длину заготовки ос-
цов и на один конец наносят электропроводное вещество, в частности аквадаг, для увеличения площади контактирующей поверхности, после чего обжимают обечайкой для получения надежного электрического контакта с катодом с последующей
.
Рис. 3. Электронно-лучевой источник света: автокатоды 1 и модулятор 2 укреплены на вводах 3, вваренных в стеклообо-лочку 4 прибора, через дополнительный ввод 5 высокое напряжение подается на люминесцентный экран 6 Fig. 3. Light source electron-beam: field-emission cathodes 1 and 2 are mounted on the modulator inputs 3, 4 glass body welded to the device via the optional input 5, high voltage is applied to the phosphor screen 6
Автоэмиссионное устройство (рис. 4) [7]
-
лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно в зондовых приборах, экранах, растровых
электронных микроскопах, а также может быть
-
ских установках. Автоэмиссионное устройство содержит размещенные в вакуумной колбе авто катод, выполненный из пучка углеродных волокон, модулятор с отверстием и контактные выводы.
-
ся улучшение автоэмиссионных характеристик, в
частности повышение срока службы и обеспече-
-
-
дулятора и устранения механических нагрузок на .
Рис. 4. Автоэмиссионное устройство: вакуумная колба (1), анод (2), модулятор (3), контактные выводы (4), автокатод (5), котировочные диски (6), штабики (7), контактный узел
автокатода (8), контактный вывод автокатода (9) Fig. 4. The field emission device: a vacuum envelope (1), anode (2), modulator (3), contact terminals (4) and field-emission cathodes (5), the adjustment wheels (6), the rods (7), cathodes contact assembly (8) terminal cathodes (9)
-
тода и установки расстояния от модулятора до катода служат юстировочные диски, которые жестко связаны с модулятором таким образом, что
-
верстием модулятора посредством штабиков, из-
ненных к пазам юстировочных дисков и модуля.
Автокатод помещают в отверстия юстировочных дисков, жестко крепят к нижнему диску, затем собранный таким образом КМУ посредством выводов модулятора устанавливают на монтажном
цоколе, подсоединяют контактные выводы автокатода с последующей герметизацией и вакууми-рованием колбы. Подготовленное таким образом автоэмиссионное устройство готово к работе.
Новейшие источники света, разработанные в МФТИ (рис. 5), несколько отличаются от прототипа [7] конструкцией КМУ, который обеспечивает засветку люминесцентного экрана, однако
-
тались прежними.
Рис. 5. Лабораторный образец AKJI с бело-голубым спектром свечения и его КМУ Fig. 5. Laboratory sample of FCL with a blue-white glow spectrum and CMC
-
ма устойчивые и надежные автокатоды из нано-структурированных углеродных материалов [2] (рис. 6), которые при определенных режимах эксплуатации имеют практически неограниченный эмиссионный ресурс, и различные конструкции КМУ, позволяющие наряду с выбором величины анодного напряжения обеспечивать равномерность и необходимую интенсивность свечения
люминофора на аноде. Эти обстоятельства в ос-
ность ламп с такими автокатодами. Аналогичных авто катодов и стабильности работы КИС, несмотря на конкуренцию многих организаций таких стран, как США, Великобритания, Южная Корея, Япония и Китай, пока нет нигде в мире (стабильность работы ряда лабораторных образцов, полученных в МФТИ сохраняется уже в течение примерно 10 лет).
Рис. 6. Автокатоды из наноструктурированных волокон и
терморасширенного графита Fig. 6. Field-emission cathodes from nano-structured fibers and expanded graphite
В технологии изготовления автокатода используются углеродные материалы, промышленно
производимые в Российской Федерации. Среди
-
-
ный графит. Их исходное структурное строение наилучшим образом подходит для автокатодов источников света и позволяет получать энергию и интенсивность потока электронов, необходимые для наиболее эффективного возбуждения катодо-люминофоров.
Предлагаемый автокатодный люминесцентный источник света сопоставим по параметрам с наилучшими современными образцами, но превосходит их по рабочему температурному диапазону в 2-5 раз, равномерности свечения, потенциально низкой цене производства, использованию в производстве дешёвых, доступных, широко распространенных в природе и экологически чистых материалов и технологий.
Из выше приведенных данных видно, что
-
несцентные лампы, особенно после оптимизации их конструкции, могут составить серьезную конкуренцию существующим и еще разрабатывае-
-
никам света, работа которых основана на других .
Однако у автокатодных люминесцентных ламп есть еще ряд стратегических преимуществ: все материалы, технология и разработки - российские, т.е. независимы от внешних поставок. Кроме того, в стране имеются все предпосылки (разработки, существующие производства) для органи-
.
Работы по оптимизации конструкции КИС до сих пор активно ведутся в лабораториях
МФТИ, так, задача заявленного в [8] изобретения
-
сиоиного устройства (рис. 7), а, следовательно, и
.
В автоэмиссионном устройстве применяют автокатод, изготовленный из монолитного композиционного материала наноалмаз-углерод с соотношением компонентов 1:0,2 1:0,4. Такой композит получают обработкой заготовки, сформированной из порошка наноалмаза в среде газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения с образованием
углерода. В результате такого процесса получают
-
зита круглого или квадратного сечения размером, например, 1-2 мм и длиной, например, 10-15 мм.
Преимуществами заявленного устройства, как показали испытания, являются высокие токи эмиссии, устойчивость при работе в относительно низком вакууме (~10 б Topp), повторяемость автоэмиссионных характеристик и долговечность автоэмиссионного устройства. Кроме того, в отличие от приведенного выше технического решения.
-
нистая структура, требующая остекловывания, а достаточно прочный композит, который легко закрепляется в автоэмиссионном приборе.
Рис. 7. Автоэмиссионное устройство: 1 - вакуумная колба, 2 - анод 3 - модулятор, 4 - контактные выводы и 5 - автокатод Fig. 7. The field emission device: 1 - vacuum flask, 2 - anode, 3 - modulator, 4 - terminals and 5 - field-emission cathode
Приведенные выше образцы и прототипы
ламп были разработаны для различных программ
-
минофоры и не оптимизированную для источников света общего назначения конструкцию. В настоящее время, к сожалению, не существует разработанных оптимизированных конструкций ламп общего назначения с автоэлектронным катодом ни
у нас, ни за рубежом. Поэтому на первом этапе
-
коэффективной КИС с низкой себестоимостью
.
ЛИТЕРАТУРА
Егоров Н.В, Шешин E.1I. Автоэлекгронная эмиссия. Принципы и приборы: Уч..-моногр. «Интеллект». 2011. 704 е.; Egorov N.V., Sheshin E.P. Field emission. Principles and instruments: Textbook-monograph. "Intellect". 2011. 704 p. (in Russian).
Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. МФТИ. 2001. С. 126-132;
Sheshin E.P. The surface structure and field emission properties of carbon materials. MIPT. 2001, P. 126-132 (in Russian).
Lim Seong Hun, Kim Seok Jong, Kim Hong Sik, Jang Jin
// Light emitting apparatus using carbon nano-tip. KP 1020010025503. 2002.
Yuan-Chao Yang, Jie Tang, Liang Liu, Shou-Shan Fan //
Field emission device. US Patent N 20080018227 A1. 2008. Yuan-Chao Yang, Jie Tang, Liang Liu, Shou-Shan Fan // Field emission device. US Patent N 20080007153 Al. 2008. Бондаренко Б.В., Браверман И.Я., Дмитриева B.H., Меерович В.А., Петрушеико Ю.В., Селиверстов В.А., Уласюк В.Н., Шерехора В.Н., Шешин Е.П. // Электровакуум. источник света. SU № 1306397 А1. 1985; Bondarenko B.V., Braverman I.Ya., Dmitrieva V.N., Meerovich V.A., Petrushenko Yu.V., Seliverstov V.A., Ulasyuk V.N., Sherekhora V.N., Sheshin E.P. Electrovac light source. SU Patent N 1306397 A1. 1985 (in Russian). Батурин A.C., Кафтанов B.C., Кузьменко С.Г., Шешин Е.П. Автоэмиссионное устройство. РФ Patent N2180145.2005;
Baturin A.S., Kaftanov V.S., Kuzmenko S.G., Sheshin
E.P. Field emission device. RU Patent N 2180145. 2005 (in Russian).
Гордеев С.К., Шешин Е.П., Корчагина С.Б., Чадаев Н.Н., Лупарев Н.В Автоэмиссионное устройство. РФ Патент 80994 U1. 2009;
Gordeev S.K., Sheshin E.P., Korchagin S.B., Chadaev N.N., Luparev N.V. Field emission device. RU Patent N 80994 U1. 2009 (in Russian).
Кафедра вакуумной электроники
