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俄罗斯科学家点亮“灯具革命”:设计出可量产的阴极灯原型

2019年07月11日 21:51来源:澎湃新闻
责任编辑:第一黄金网
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俄罗斯莫斯科物理技术学院(MIPT)官网显示,近日,该院与俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的研究人员们设计并测试了一种用于
俄罗斯莫斯科物理技术学院(MIPT)官网显示,近日,该院与俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的研究人员们设计并测试了一种用于普通照明的阴极灯原型。

这种新型灯具依赖于场发射现象,比全球各地正在使用的其他灯具更可靠、耐用和明亮。该项研究成果发表在《真空科学与技术杂志B》(The Journal Of Vacuum Science&Technology B)上,被认为欲点亮“灯具革命”。

LED((Light Emitting Diode))灯,又叫发光二极管,目前已变得非常普遍,但它们并不是白炽灯的唯一清洁节能替代品。自上世纪80年代以来,世界各地的工程师一直在研究所谓的阴极发光灯,将其作为普通照明的另一种选择。

阴极发光灯。

这种新型灯的原理与老式电视阴极射线管相同:真空管一端为负电极或阴极,充当电子枪。高达10千伏的电势差加速了发射的电子朝向真空管另一端带正电的磷光质涂层电极(阳极),这种电子轰击产生了光。

阴极发光灯的优点是几乎可以发射任何波长的光,从红光到紫外光,这仅仅取决于使用哪种荧光材料。

值得一提的是,根据由128个国家签署的联合国条约《水俣公约》(2017年8月生效),家用电器禁止使用汞。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。而阴极发光紫外灯不含汞,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行动起来非常缓慢,他们并不愿意淘汰它们。”俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的Mikhail Danilkin评论道,“但医疗领域不同,在个别医疗设施汞灯处理的问题还没有得到解决,但环境标准正变得越来越严格。而阴极射线管可用于手术室消毒、咽喉和扁桃体紫外线照射、牙齿填充治疗等。”

与LED和荧光灯相比,这种新型灯具的另一个重要优点是它不依赖所谓的关键原材料,这些元素包括镓、铟和一些稀土元素。虽然这些材料应用量少,但这些材料在卫生、国防、航空航天等关键行业中是必不可少的、不可替代的。众多国家都将它们列为具有战略重要性的物质。

值得注意的是,俄罗斯科学家的研究并非全球范围内首度尝试。美国曾尝试大规模生产商用阴极发光灯,但消费者并不接受这种设备,障碍之一在于它体积庞大,需要几秒钟时间才能将阴极加热到工作温度。同样的,老式电视机在短暂的延迟后才开始显示图像。

不过,理论上来说,有些阴极不需要预热。它们被称为场发射阴极,因为它们依赖于场发射现象。

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此前仍具有挑战性。尽管日本和美国一直在努力,不过俄罗斯的这项最新研究则标志着这方面的首次成功尝试。

“我们的场发射阴极是由普通碳制成的。”领导该研究小组的MIPT真空电子学副主席Evgenii Sheshin说,“但这种碳不仅被用作一种化学物质,而是作为一种结构。我们找到了一种巧妙的方法,用碳纤维制成一种可以抵抗离子轰击、输出高发射电流的结构。这一方法技术含量高、生产成本低廉。这项技术也是我们的专利,世界上还没有其他人掌握它。”

通过对碳进行特殊处理,阴极的尖端形成许多亚微米的突起(尺寸小于百万分之一米),这就在尖端生成超高电场,将电子发射到真空中。

阴极发光灯实验室原型。

MIPT研究小组还为他们的阴极发光灯开发了一种紧凑型电源,为成功的场电子发射提供了足够的电压。光源安装在玻璃灯泡周围,几乎不影响灯的大小尺寸。

最新的这篇论文报道了原型测试和该灯的技术特点。这些数据表明,如果大规模生产,新的阴极发光灯可以与基于发光二极管的廉价灯竞争。这种新型灯还将有助于淘汰含有汞的有害荧光灯,而目前许多家庭仍在使用这种荧光灯。

“不同于LED灯,我们的新型灯不怕高温。你可以在二极管性能快速衰退的场合使用它,比如天花板上的聚光灯,那里无法提供足够的冷却。”论文作者之一、MIPT真空电子系的Dmitry Ozol表示。
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