«Информационные Ресурсы России» №2, 2011

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, дешевизну производства, небольшие размеры, простоту 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 имеют 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.

В России ведутся работы по созданию источников света общего назначения, основанных на катодолюминесценции под действием электронов, эмитируемых автокатодом из нано-структурированного 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 световые 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.

Конструкция катодолюминесцентных источников света
В состав источника света (рис. 3) входит автокатод (нано-структурированный 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 нано-структурированных 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.

В технологии изготовления автокатода используются углеродные материалы, промышленно производимые в Российской Федерации. 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 термо-вакуумной 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 Российской Федерации.

По совокупности примененных решений катодолюминесцентные 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 оС до +150 оС);
• 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 экологическое общее освещение (белого цвета) и подсветка различных объектов светом любого спектрального состава (R - красный, G - зеленый, B - синий) в видимом диапазоне.

На сегодняшний день разработано несколько прототипов катодолюминесцентных источников света с большим сроком службы. Для общего освещения можно использовать плоские катодолюминесцентные 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 видео экранов большого размера.

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 катодолюминесцентного источника света и промышленно производимых источников света.

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных источников света общего назначения

Основные параметры	Катодолюминес-центная лампа	Лампы накаливания	Люминесцентная лампа	Энергосберегающая лампа	Лампы на светодиодах
Тип лампы	безнакальная, вакуумная	накаливания	газоразрядная	газоразрядная	полупровод-никовая
Мощность лампы, Вт	25	100	40	20	7
Световой поток, лм	700-1500	1200	2800	1000	700
Эффективность, лм/Вт	30-60	12	70	50	100
Время включения, с	0,0005	0,1	1-3	1-3	0,0005
Чувствительность к перепадам напряжения	Средняя	Средняя	Высокая	Высокая	Высокая
Стабильность светового потока	Высокая	Средняя	Высокая	Высокая	Высокая
Устойчивость к внешней среде	Высокая -196 ÷ +150 ºС	Низкая	Средняя	Средняя	Высокая -40 ÷ +85 ºС
Срок службы, ч.	50 000	1 000	10 000	10 000	50 000
Средняя продажная цена при массовом производстве	2,2-5 $ возможно до 0,5-1 $	0,2 $	3-4 $	2-3 $	10$ (себестоимость)

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 не дорогих, 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 с естественному солнечному свету.

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.

Приведенные 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.

Литература:
1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. – М.: МФТИ, 2001.
2. Лейченко А.С., Шешин Е.П., Щука А.А. Наноструктурные 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-ой международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». Москва, 2006. - С. 116
4. Лейченко А.С., Стариков П.А., Шешин Е.П. Источник свободных электронов на основе автоэмиссионного катода их углеродной фольги // Материалы XIV научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». М.: МГИЭМ, 2007. - С. 228-231