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2019-07-03 23:07 导读 据俄罗斯莫斯科物理技术学院官网近日报道，该校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射线发光灯原型。这种新型灯依赖于场发射现象，比世界上其他类似的灯更加可靠、持久、明亮。 背景 如今，LED灯已经变得非常普及。LED灯发热少，将电能尽可能地转化成光能。相比而言，传统白炽灯发热多，许多电能被转化成热能，白白浪费掉了。因此，LED 的节能优势明显，是目前世界上先进的照明技术之一，被业界认为是人类继爱迪生发明白炽灯后伟大的发明之一。 红、绿、蓝三种颜色的LED（图片来源：维基百科） 但是，LED灯并不是取代白炽灯的唯一干净且节能的选择。从上世纪八十年代起，作为普通照明的另一个选项，全世界的工程师都在研究所谓的阴极射线发光灯。 灯的革命（图片来源：tsarcyanide/MIPT 新闻办公室） 创新 近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）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射线发光灯原型。这种新型灯依赖于场发射现象，比世界上其他类似的灯更加可靠、持久、光亮。 这一进展发表在《Journal of Vacuum Science & Technology B》期刊上。 技术 如图1所示，这种类型的灯采用了与驱动老式电视相同的原理，老式电视采用阴极射线管：带负电的电极，或者说是阴极，在真空管的一端作为电子枪。高达10千伏的电势差加速了发射的电子朝着位于真空管另一端带正电的平面磷光质涂层电极（阳极）的运动。这种电子轰击会产生光线。 图1，阴极射线发光灯：阴极调制器单元（1）、阴极（2）、调制器（3）、发射的电子（4）、磷光质涂层（5）、作为阳极的铝镜（6）、阳极输出（7）、玻璃真空管（8）。（图片来源于研究人员） 阴极射线发光灯的优势在于能根据所使用的荧光材料，激发出几乎任意波长的光线，从红光到紫外光。 鉴于禁止家用电器使用汞的《水俣公约》（该条约是一项由128个国家签署的联合国条约，于2017年8月生效），研究人员们需要及时开发新型紫外线灯。除了其他产品之外，该禁令还针对紫外线荧光灯管（这种灯管广泛用于温室照明以及其他领域）。阴极射线发光紫外线灯不含汞，使用以及处置起来通常更清洁。 俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的 Mikhail Danilkin 表示：“例如，某些行业采用汞灯进行水处理和空气消毒，将会非常迟缓且不愿意去逐步淘汰这些汞灯。但医疗行业就不同，因为个人医疗设施中的汞灯处置问题一直没有得到解决，而环境标准又变得更加严格。阴极射线发光灯可用于手术室净化、喉部和扁桃体的紫外线照射以及牙科充填治疗。” 相对于LED和荧光灯，这种新型灯还有另外一项重要优势，就是它不依赖于所谓的关键原材料。这些材料包括镓、铟以及某些稀土元素。虽然它们的供给有限，但是这些材料对于健康、国防、航空航天以及其他关键行业来说是必不可少且不可替代的。欧盟委员会将它们列为欧洲经济的战略重要性资源。 图4：照明应用可能的大趋势。发光二极管比如今使用的荧光灯依赖更少的关键原材料，有机发光二极管有望无需所有这些材料，除了铟之外。（图片来源：Linasmlth.art/MIPT 新闻办公室） 美国一直在尝试大规模制造商用的阴极射线发光灯，但是消费者们并不乐意采用这种设备，主要是因为它们体积太大，需要几秒钟加热阴极至室温。类似地，老式电视也需要在短暂的延时之后才开始显示图像。 然而，某些阴极并不需要加热。它们被称为“场发射阴极”，因为它们依赖于场发射现象。由于隧道效应，这种现象包含单单位于静电场中的冷阴极放射电子。 然而，设计一个高效、持久、技术先进、可大规模量产并低价销售的阴极，已经被证明是极具挑战性的。尽管日本和美国在不懈地努力，然而俄罗斯的最新研究标志着这方面首个成功的尝试。 MIPT 真空电子系副主席 Evgenii Sheshin 教授表示：“我们的场发射阴极由普通的碳制成。但是这种碳不只是作为化学物质使用，而是作为一种结构。我们找到一种方法，用碳纤维制成一种抗离子轰击、输出高发射电流的结构。这种方法很有技术性，而且生产成本合理。除我们之外，全世界没有其他人掌握这项技术。” 让碳接受特殊处理之后，许多亚微米的突出物（尺寸小于百万分之一米）在阴极的尖端形成（图2）。这样就在尖端生成超高电场，将电子发射到真空中。 图2：阴极调制器单元（a）具有白色箭头指示场发射阴极以及在100微米尺度上的阴极放大图像（b）。（图片来源于研究人员） MIPT研究小组也为他们的阴极射线发光灯开发了一个紧凑的电源，这种电源为成功的场致电子发射提供足够的千伏电压。该电源安装在灯泡（图3）的周围，对于灯的尺寸几乎没影响。 图3：阴极射线发光灯泡的实验室原型。该灯内置有漫射体（a）和无漫射体（b）的E27灯头电压转换器。发光功率可达250流明，大约等于25瓦白炽灯的输出，但功耗仅为5.5瓦。（图片来源于研究人员） 价值 论文报告了原型测试和这种灯的技术特点。这些数据表明，如果量产，这种新型阴极射线发光灯将会与基于发光二极管的廉价灯产生竞争。这种新型灯也会帮助淘汰含有汞的有害荧光灯，而这种荧光灯仍然在许多家庭中使用。 论文合著者之一、MIPT 真空电子系的 Dmitry Ozol 补充道：“不同于LED灯，我们的灯不害怕温度升高。你可以在二极管性能快速衰退的场合使用它，例如天花板聚光灯，那里无法提供足够的冷却。” 关键字 照明、LED、灯 参考资料 【1】https:///english/news/russian_engineers_ready_to_light_up_a_lamp_revolution |
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