I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Istituto di fisica Lebedev dell'Accademia delle scienze russa hanno progettato e testato un prototipo di lampada catodoluminescente per l'illuminazione generale. La nuova lampada, che si basa sul fenomeno dell'emissione di campo, è più affidabile, durevole, e luminoso rispetto ai suoi analoghi disponibili in tutto il mondo. Lo sviluppo è stato riportato in Journal of Vacuum Science &Technology B .

Mentre le lampade a LED sono diventate comuni, non sono l'unica alternativa pulita ea risparmio energetico alle lampade a incandescenza. Dagli anni '80, gli ingegneri di tutto il mondo hanno esaminato le cosiddette lampade catodoluminescenti come un'altra opzione per scopi di illuminazione generale.

Mostrato in figura 1, una lampada di questo tipo si basa sullo stesso principio che alimentava i tubi a raggi catodici della TV:un elettrodo caricato negativamente, o catodo, a un'estremità di un tubo a vuoto funge da cannone elettronico. Una differenza di potenziale fino a 10 kilovolt accelera gli elettroni emessi verso un elettrodo piatto rivestito di fosforo caricato positivamente, l'anodo, all'estremità opposta del tubo. Questo bombardamento di elettroni si traduce in luce.

Le lampade catodoluminescenti hanno il vantaggio di emettere luce quasi a qualsiasi lunghezza d'onda, dal rosso all'ultravioletto, a seconda del materiale fluorescente utilizzato.

Le nuove lampadine ultraviolette sarebbero uno sviluppo particolarmente tempestivo, considerando il recente divieto degli elettrodomestici che utilizzano il mercurio ai sensi della Convenzione di Minamata, un trattato delle Nazioni Unite firmato da 128 paesi entrato in vigore nell'agosto 2017. Tra gli altri prodotti, il divieto riguarda i tubi fluorescenti ultravioletti, ampiamente utilizzato per l'illuminazione di serre e altre applicazioni. Le lampadine UV catodoluminescenti non contengono mercurio e sono generalmente più pulite durante l'uso e lo smaltimento.

"Alcune industrie che utilizzano lampade al mercurio per il trattamento dell'acqua e la disinfezione dell'aria, Per esempio, sarà molto lento e non vorrà eliminarli gradualmente, " ha commentato Mikhail Danilkin del Lebedev Physical Institute, RAS. "Ma la medicina è diversa, perché il problema dello smaltimento delle lampade al mercurio presso le singole strutture mediche non è stato risolto, mentre gli standard ambientali stanno diventando più severi. Le lampade catodoluminescenti potrebbero essere utilizzate nella decontaminazione della sala operatoria, Irradiazione UV della gola e delle tonsille, e la polimerizzazione delle otturazioni dentali."

Un altro importante vantaggio della nuova lampada rispetto ai LED e alle lampadine fluorescenti è che non si basa sulle cosiddette materie prime critiche. Questi includono gallio, indio, e alcuni elementi di terre rare. Mentre la loro offerta è limitata, questi materiali sono essenziali e insostituibili per la salute, difesa, aerospaziale, e altri settori chiave. La Commissione Europea li elenca come strategicamente importanti per l'economia europea.

Negli Stati Uniti sono stati fatti tentativi di produrre in serie lampadine commerciali catodoluminescenti, ma i consumatori non hanno abbracciato il dispositivo, principalmente perché era ingombrante e impiegava diversi secondi per riscaldare il catodo alla temperatura di esercizio. Allo stesso modo, i vecchi televisori hanno iniziato a visualizzare l'immagine dopo un breve ritardo.

Alcuni catodi non richiedono riscaldamento, anche se. Sono conosciuti come catodi ad emissione di campo, perché si basano sul fenomeno dell'emissione di campo. Coinvolge un catodo freddo che emette elettroni sotto un solo campo elettrostatico, a causa del tunneling.

Però, progettare un efficiente, di lunga durata, e il catodo tecnologicamente avanzato che potrebbe essere prodotto in serie e venduto a un prezzo accessibile si è rivelato impegnativo. Nonostante gli sforzi in corso in Giappone e negli Stati Uniti, il recente studio russo segna il primo tentativo riuscito in questo senso.

"Il nostro catodo ad emissione di campo è fatto di carbonio ordinario, " ha detto il professor Evgenii Sheshin, vicepresidente dell'elettronica del vuoto al MIPT, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Ma questo carbonio non è usato solo come sostanza chimica, ma piuttosto come una struttura. Abbiamo trovato un modo per modellare una struttura in fibre di carbonio resistente al bombardamento ionico, emette un'elevata corrente di emissione, è tecnologico e conveniente nella produzione. Questa tecnologia è il nostro know-how, nessun altro al mondo ce l'ha."

Sottoponendo il carbonio a un trattamento speciale, molte sporgenze submicrometriche, di dimensioni inferiori a un milionesimo di metro, si formano sulla punta del catodo (figura 2). Ciò si traduce in un campo elettrico ultraelevato sulla punta, cacciare gli elettroni, nel vuoto.

Il gruppo di ricerca del MIPT ha anche sviluppato una fonte di alimentazione compatta per la loro lampada catodoluminescente, che fornisce abbastanza kilovolt per l'emissione di elettroni di campo con successo. La sorgente è montata attorno alla lampadina in vetro (figura 3) senza quasi alcun effetto sulle sue dimensioni.

L'articolo riporta i test sui prototipi e le caratteristiche tecniche della lampada. Questi dati suggeriscono che se prodotto in serie, la nuova lampadina catodoluminescente potrebbe competere con le lampade economiche basate su diodi emettitori di luce. La nuova lampadina aiuterebbe anche a eliminare gradualmente le pericolose lampade fluorescenti contenenti mercurio, che sono ancora in uso in molte famiglie.

"A differenza della lampadina a LED, la nostra lampada non ha paura delle temperature elevate. Puoi usarlo dove i diodi svaniscono rapidamente, come nei faretti a soffitto, dove viene fornito un raffreddamento insufficiente, " ha aggiunto il coautore dello studio Dmitry Ozol del dipartimento di elettronica del vuoto del MIPT.