CC BY
15НАНОСТРУКТУРЫ
NANOSTRUCTURES
Статья поступила в редакцию 12.03.10. Ред. рег. № 754 The article has entered in publishing office 12.03.10. Ed. reg. No. 754
УДК 537.533.2
ВЫСОКОЭКОНОМИЧНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ИСТОЧНИКИ ОБЩЕГО ОСВЕЩЕНИЯ С АВТОЭМИССИОННЫМИ КАТОДАМИ ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
А. С. Лейченко, Н.В. Лупарев, П.А. Стариков, Н.Н. Чадаев, Е.П. Шешин
Московский физико-технический институт (государственный университет)
141700 г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9 Тел.: 8(495) 408-59-44, факс: 8(495) 409-95-43, e-mail: sheshin@mail.mipt.ru
Заключение совета рецензентов: 25.03.10 Заключение совета экспертов: 30.03.10 Принято к публикации: 05.04.10
В работе представлены вакуумные катодолюминесцентные приборы, в основу работы которых заложен феномен автоэлектронной эмиссии. Использование автоэмиссионных катодов дает возможность приблизить потери в электронно-оптической системе к 0%. Материал катодов - наноструктурированные углеродные волокна и фольга. Высокая химическая стойкость и способность к восстановлению автокатодов обеспечивают стабильность и долговечность работы прибора на их основе. Описаны лабораторные образцы разработанных источников общего освещения и проведено сравнение их характеристик с современными лампами других типов.
Ключевые слова: автоэлектронная эмиссия, катодолюминесцентные лампы, наноструктурированные материалы.
EFFICIENT AND ENVIRONMENT FRIENDLY LIGHT SOURCES WITH FIELD EMISSION CATHODES MADE OF NANOSTRUCTURED CARBON MATERIALS
A.S. Leychenko, N.V. Luparev, P.A. Starikov, N.N. Chadaev, E.P. Sheshin
Moscow Institute of Physics and Technology (State University) 9 Institute str., Dolgoprudnii, Moscow reg., 141700, Russia Tel.: 8(495) 408-59-44, fax: 8(495) 409-95-43, e-mail: sheshin@mail.mipt.ru
Referred: 25.03.10 Expertise: 30.03.10 Accepted: 05.04.10
Vacuum cathodoluminescent devices operating on the basis of the field emission phenomenon are represented in the work. Losses in the electron-optical system with a field emission cathode can be decreased to 0%. Cathodes are made of nanostructured carbon fibers and foil. High chemical stability and self-recreating structure of the field emission cathodes provide for stable operation and long lifetime of the final device. Pilot examples of light sources are represented. Characteristics comparison with convenient light sources is given.
Keywords: electron field emission, cathodoluminescent light sources, nanostructured materials.
Александр Сергеевич Лейченко, научный сотрудник Московского физико-технического института (гос. университета), аспирант МФТИ (ГУ), занимается автоэлектронной эмиссией с 2004 г., за время работы участвовал во всероссийских и международных конференциях (более 20), автор методического пособия и 4 статей.
Николай Викторович Лупарев, научный сотрудник МФТИ (ГУ) и ФГУ ТИСНУМ, аспирант МФТИ (ГУ), занимается автоэлектронной эмиссией с 2005 г., за время работы участвовал во всероссийских и международных конференциях (более 10), автор методического пособия, одной статьи и одного патента РФ.
Павел Александрович Стариков, научный сотрудник, аспирант МФТИ (ГУ), занимается автоэлектронной эмиссией с 2004 г., за время работы участвовал во всероссийских и международных конференциях (более 20), автор методического пособия и 4 статей.
Николай Николаевич Чадаев, старший научный сотрудник МФТИ (ГУ), канд. физ.-мат. наук, доцент.
Евгений Павлович Шешин, профессор МФТИ (ГУ), известный физик-экспериментатор, специалист по вакуумной технике и эмиссионной электронике. Создатель уникальных приборов, использующих автоэлектронную эмиссию из углеродных материалов. Автор более 400 научных работ, более 30 а.с. СССР, патентов РФ и других стран.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Введение
Одной из основных задач современности является разработка и широкое применение энергосберегающих и, главное, долговечных и экологических источников света. К данному моменту разработано большое количество различных источников света. Но основной вопрос - создание источника света общего назначения (в квартире, офисе и т.д.) - пока не разрешен. Наиболее часто используемые в офисах лампы дневного света и приобретающие популярность лампы на светодиодах имеют ряд особенностей, неблагоприятно влияющих на зрение и общее самочувствие человека.
В настоящее время происходит активная замена ламп накаливания на энергосберегающие лампы. Лампы накаливания имеют много плюсов (привычный для глаз спектр излучения, дешевизна производства, небольшие размеры, простота в эксплуатации), но и большой недостаток, а именно, очень малый коэффициент полезного действия и небольшой срок службы. Энергосберегающие и люминесцентные лампы имеют высокую эффективность и продолжительный срок службы. Однако и они имеют существенные недостатки: содержат пары ртути, спектр излучения линейчатый, при включении мигают, а на полную яркость выходят за несколько минут. Для производства светодиодных источников света требуется применение весьма высоких и дорогих технологий, в том числе сверхчистых материалов, иногда крайне ядовитых, таких как мышьяк. Ряд материалов для полупроводниковых технологий имеет ограниченное распространение в природе, например, индий.
Источники света, которые должны выпускаться в настоящее время и в недалеком будущем, должны иметь высокую световую эффективность, большой срок службы и быть максимально экологическими как в производстве и эксплуатации, так и при их утилизации. Прежде всего, это предполагает отсутствие в конструкции и при производстве вредных веществ.
Цель данной работы - создание источников света общего назначения, основанных на катодолюминес-ценции под действием электронов, эмитируемых автокатодом из наноструктурированного углеродного материала [1], и свободных от указанных выше недостатков.
Принцип действия катодолюминесцентных источников света с автокатодами
Работа источников света с катодами из нано-структурированных углеродных материалов основана на явлении автоэлектронной эмиссии. Она заключается в вытягивании электронов из катода под воздействием электрического поля без затрат энергии (рис. 1). Электроны, вылетевшие из катода под действием поля модулятора, ускоряются электрическим полем анода и, ударившись в него, возбуждают све-
товые кванты в слое люминофора, которые дают привычный для человека свет (рис. 2). Слой алюминия, показанный на рис. 2, служит для увеличения яркости свечения, т.к. излучение от зерен люминофора распространяется на 360°, а слой алюминия служит зеркалом, отражающим свет во внешнюю часть лампы.
Рис. 1. Поверхностный потенциальный барьер на границе металл-вакуум в присутствии сильного электрического поля. Волнистой линией показан эффект туннелирования электронов сквозь барьер Fig. 1. Schematic diagram of the field emission barrier. Wave line shows the electron tunneling through the barrier
Люминофор Алюминий Стекло Автокатод Модулятор
UA
- Um
Рис. 2. Принципиальная схема работы катодолюминесцентного источника света с автокатодом Fig. 2. Schematic diagram of the cathodoluminescent light source with the field emission cathode operation
Конструкция катодолюминесцентных источников света
В состав источника света (рис. 3) входит автокатод (наноструктурированный углерод), модулятор (нержавеющая сталь), анод (алюминий, телевизионный люминофор), корпус (стекло, как правило, оконное). Новизна этих источников света - в автокатоде и электронном прожекторе, который обеспечивает засветку люминесцентного экрана [2].
В наших лабораториях разработаны весьма устойчивые и надежные автокатоды из наноструктури-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Наноструктуры
рованных углеродных материалов (рис. 4, 5), которые при определенных режимах эксплуатации имеют практически неограниченный эмиссионный ресурс. Это обстоятельство в основном и определяет крайне высокую долговечность ламп с такими катодами. Аналогичных автокатодов, несмотря на конкуренцию многих организаций таких стран, как США, Великобритания, Южная Корея, Япония и Китай, пока нет нигде в мире.
Рис. 3. Катодолюминесцентная лампа Fig. 3. Cathodoluminescent lamp
Рис. 4. Эмитирующая поверхность катода
из углеродного волокна Fig. 4. Carbon fiber cathode emitting surface
Рис. 5. Эмитирующая поверхность катода из углеродной фольги Fig. 5. Carbon foil emitting surface
В технологии изготовления автокатода используются углеродные материалы, промышленно производимые в РФ. Среди множества углеродных материалов наиболее перспективны углеродные волокна и терморасширенный графит. Их исходное структурное строение наилучшим образом подходит для автокатодов источников света по энергии электронов, необходимой для наиболее эффективного возбуждения катодолюминофора.
Для увеличения эмиссионного ресурса автокатода исходный материал подвергается дополнительной обработке [3, 4], которая осуществляется в несколько этапов:
- предварительная обработка исходного материала, как правило, температурная - она позволяет улучшить наноструктурированность исходного материала;
- формовка эмиссионной поверхности автокатода потоками ионов или фотонов - способствует вскрытию и увеличению числа эмиссионных центров и формообразованию автокатода;
- тренировка автокатода при термовакуумной обработке лампы на финишном этапе.
В результате такой обработки удается получить автокатоды с высокой стабильностью и долговечностью. Лампы можно производить по стандартной технологии электровакуумного производства без дополнительных усилий по улучшению вакуумных условий в лампе, т.е. можно использовать обычное электровакуумное оборудование, которое имеется в наличии в РФ.
По совокупности примененных решений катодо-люминесцентные лампы с автокатодами имеют следующие достоинства:
- 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 до +150 °С);
- большая площадь светоизлучающей поверхности;
- срок службы более 50 тысяч часов;
- в производстве ламп используются простая технология и широко распространенные в природе и дешевые материалы.
Основное применение разработки - экономичное и экологичное общее освещение (белого цвета) и подсветка различных объектов светом любого спектрального состава (Я - красный, в - зеленый, В -синий) в видимом диапазоне.
На сегодняшний день разработано несколько прототипов катодолюминесцентных источников света с большим сроком службы. Для общего освещения можно использовать плоские катодолюминес-центные лампы, а также лампы, выполненные в виде традиционных люминесцентных. Заметим, что форма ламп может быть разнообразной. Кроме общего освещения, катодолюминесцентные лампы можно использовать для цветной подсветки и видеоэкранов большого размера.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Сравнительные характеристики основных современных источников света
В большом спектре всевозможных источников света и выпускаемых в настоящее время промышленностью мы выбираем только те, которые могут быть использованы как лампы общего назначения. Ниже в таблице приведены сравнительные характеристики предлагаемого к производству катодолюми-несцентного источника света и промышленно производимых источников света.
Предлагаемый источник света сопоставим по параметрам с наилучшими современными образцами, но превосходит их по рабочему температурному диапазону в 2-5 раз, равномерности свечения, низкой цене производства, использованию в производстве недорогих, доступных, широко распространенных в природе и экологически чистых материалов и технологий. Спектр излучения катодолюминесцентной лампы зависит от состава люминофора. Для ламп общего назначения он может быть выбран наиболее приближенным к естественному солнечному свету.
Сравнительные характеристики различных источников света общего назначения Comparative characteristics for different light sources
Основные параметры Катодолюминесцентная лампа Лампы накаливания Люминесцентная лампа Энергосберегающая лампа Лампа на светодиодах
Тип лампы безнакальная, вакуумная накаливания газоразрядная газоразрядная полупроводниковая
Мощность лампы, Вт 25 1GG 4G 2G 7
Световой поток, лм 7GG-15GG 12GG 28GG 1GGG 700
Эффективность, лм/Вт 30-60 12 7G 5G 100
Время включения, с G,GGG5 G,1 1-З 1-З 0,0005
Чувствительность к перепадам напряжения средняя средняя высокая высокая высокая
Стабильность светового потока высокая средняя высокая высокая высокая
Устойчивость к внешней среде высокая -19б - +15G °С низкая средняя средняя высокая -40 - +85 °С
Срок службы, ч 5G GGG 1GGG 1G GGG 1G GGG 50 000
Средняя продажная цена при массовом производстве, $ 2,2-5 возможно до G,5-l G,2 З-4 2-З 10 (себестоимость)
Но есть еще одно стратегическое преимущество: все материалы, технология и разработки - российские, т.е. не зависят от внешних поставок. Кроме того, в стране имеются все предпосылки (разработки, производства) для организации массового изготовления таких ламп, которые могут обеспечить (за счет ноу-хау) не только российский рынок, но и мировой.
Описанные выше образцы ламп были разработаны для других программ и имеют соответствующие люминофоры и конструкцию. В настоящее время, к сожалению, не существует разработанных ламп общего назначения с автоэлектронным катодом ни у нас, ни за рубежом. Поэтому на первом этапе необходимо разрабатывать рабочий прототип такой лампы.
Список литературы
1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: МФТИ, 2001.
2. Лейченко А. С., Шешин Е.П., Щука А.А. Нано-структурные углеродные материалы в катодолюминесцентных источниках света // Электроника: наука, технология, бизнес. 2007. № 6. С. 94-101.
3. Лейченко А.С., Лешуков М.Ю., Лупарев Н.В., Шешин Е.П. Формирование эмитирующей поверхности автокатодов из пучков углеродных волокон коронным разрядом // Материалы 5-й межд. конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». М., 2006. С. 116.
4. Лейченко А.С., Стариков П.А., Шешин Е.П. Источник свободных электронов на основе автоэмиссионного катода из углеродной фольги // Материалы XIV научн.-техн. конференции «Вакуумная наука и техника». М.: МГИЭМ, 2007. С. 228-231.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
