陰極射線發光燈：點亮燈具革命之光

導讀

據俄羅斯莫斯科物理技術學院官網近日報道，該校與俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所的研究人員們設計並測試了一種用於普通照明的陰極射線發光燈原型。這種新型燈依賴於場發射現象，比世界上其他類似的燈更加可靠、持久、明亮。

背景

如今，LED燈已經變得非常普及。LED燈發熱少，將電能儘可能地轉化成光能。相比而言，傳統白熾燈發熱多，許多電能被轉化成熱能，白白浪費掉了。因此，LED 的節能優勢明顯，是目前世界上先進的照明技術之一，被業界認為是人類繼愛迪生髮明白熾燈後偉大的發明之一。

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紅、綠、藍三種顏色的LED（圖片來源：維基百科）

但是，LED燈並不是取代白熾燈的唯一乾淨且節能的選擇。從上世紀八十年代起，作為普通照明的另一個選項，全世界的工程師都在研究所謂的陰極射線發光燈。

燈的革命（圖片來源：tsarcyanide/MIPT 新聞辦公室）

創新

近日，俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）與俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所的研究人員們設計並測試了一種用於普通照明的陰極射線發光燈原型。這種新型燈依賴於場發射現象，比世界上其他類似的燈更加可靠、持久、光亮。

這一進展發表在《Journal of Vacuum Science & Technology B》期刊上。

技術

如圖1所示，這種類型的燈採用了與驅動老式電視相同的原理，老式電視採用陰極射線管：帶負電的電極，或者說是陰極，在真空管的一端作為電子槍。高達10千伏的電勢差加速了發射的電子朝著位於真空管另一端帶正電的平面磷光質塗層電極（陽極）的運動。這種電子轟擊會產生光線。

圖1，陰極射線發光燈：陰極調製器單元（1）、陰極（2）、調製器（3）、發射的電子（4）、磷光質塗層（5）、作為陽極的鋁鏡（6）、陽極輸出（7）、玻璃真空管（8）。

（圖片來源於研究人員）

陰極射線發光燈的優勢在於能根據所使用的熒光材料，激發出幾乎任意波長的光線，從紅光到紫外光。

鑒於禁止家用電器使用汞的《水俁公約》（該條約是一項由128個國家簽署的聯合國條約，於2017年8月生效），研究人員們需要及時開發新型紫外線燈。除了其他產品之外，該禁令還針對紫外線熒光燈管（這種燈管廣泛用於溫室照明以及其他領域）。陰極射線發光紫外線燈不含汞，使用以及處置起來通常更清潔。

俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所的 Mikhail Danilkin 表示：「例如，某些行業採用汞燈進行水處理和空氣消毒，將會非常遲緩且不願意去逐步淘汰這些汞燈。但醫療行業就不同，因為個人醫療設施中的汞燈處置問題一直沒有得到解決，而環境標準又變得更加嚴格。陰極射線發光燈可用於手術室凈化、喉部和扁桃體的紫外線照射以及牙科充填治療。」

相對於LED和熒光燈，這種新型燈還有另外一項重要優勢，就是它不依賴於所謂的關鍵原材料。這些材料包括鎵、銦以及某些稀土元素。雖然它們的供給有限，但是這些材料對於健康、國防、航空航天以及其他關鍵行業來說是必不可少且不可替代的。歐盟委員會將它們列為歐洲經濟的戰略重要性資源。

圖4：照明應用可能的大趨勢。發光二極體比如今使用的熒光燈依賴更少的關鍵原材料，有機發光二極體有望無需所有這些材料，除了銦之外。

（圖片來源：Linasmlth.art/MIPT 新聞辦公室）

美國一直在嘗試大規模製造商用的陰極射線發光燈，但是消費者們並不樂意採用這種設備，主要是因為它們體積太大，需要幾秒鐘加熱陰極至室溫。類似地，老式電視也需要在短暫的延時之後才開始顯示圖像。

然而，某些陰極並不需要加熱。它們被稱為「場發射陰極」，因為它們依賴於場發射現象。由於隧道效應，這種現象包含單單位於靜電場中的冷陰極放射電子。

然而，設計一個高效、持久、技術先進、可大規模量產並低價銷售的陰極，已經被證明是極具挑戰性的。儘管日本和美國在不懈地努力，然而俄羅斯的最新研究標誌著這方面首個成功的嘗試。

MIPT 真空電子系副主席 Evgenii Sheshin 教授表示：「我們的場發射陰極由普通的碳製成。但是這種碳不只是作為化學物質使用，而是作為一種結構。我們找到一種方法，用碳纖維製成一種抗離子轟擊、輸出高發射電流的結構。這種方法很有技術性，而且生產成本合理。除我們之外，全世界沒有其他人掌握這項技術。」

讓碳接受特殊處理之後，許多亞微米的突出物（尺寸小於百萬分之一米）在陰極的尖端形成（圖2）。這樣就在尖端生成超高電場，將電子發射到真空中。

圖2：陰極調製器單元（a）具有白色箭頭指示場發射陰極以及在100微米尺度上的陰極放大圖像（b）。

（圖片來源於研究人員）

MIPT研究小組也為他們的陰極射線發光燈開發了一個緊湊的電源，這種電源為成功的場致電子發射提供足夠的千伏電壓。該電源安裝在燈泡（圖3）的周圍，對於燈的尺寸幾乎沒影響。

圖3：陰極射線發光燈泡的實驗室原型。該燈內置有漫射體（a）和無漫射體（b）的E27燈頭電壓轉換器。發光功率可達250流明，大約等於25瓦白熾燈的輸出，但功耗僅為5.5瓦。

（圖片來源於研究人員）

價值

論文報告了原型測試和這種燈的技術特點。這些數據表明，如果量產，這種新型陰極射線發光燈將會與基於發光二極體的廉價燈產生競爭。這種新型燈也會幫助淘汰含有汞的有害熒光燈，而這種熒光燈仍然在許多家庭中使用。

論文合著者之一、MIPT 真空電子系的 Dmitry Ozol 補充道：「不同於LED燈，我們的燈不害怕溫度升高。你可以在二極體性能快速衰退的場合使用它，例如天花板聚光燈，那裡無法提供足夠的冷卻。」

關鍵字

照明、LED、燈

參考資料

【1】https://mipt.ru/english/news/russian_engineers_ready_to_light_up_a_lamp_revolution

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