Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do Instituto de Física Lebedev da Academia Russa de Ciências projetaram e testaram um protótipo de lâmpada catodoluminescente para iluminação geral. A nova lâmpada, que depende do fenômeno de emissão de campo, é mais confiável, durável, e mais luminoso do que seus análogos disponíveis em todo o mundo. O desenvolvimento foi relatado no Journal of Vacuum Science &Technology B .

Embora as lâmpadas LED tenham se tornado comuns, elas não são a única alternativa limpa e econômica às lâmpadas incandescentes. Desde a década de 1980, engenheiros em todo o mundo têm olhado para as chamadas lâmpadas catodoluminescentes como outra opção para fins de iluminação geral.

Mostrado na figura 1, uma lâmpada deste tipo se baseia no mesmo princípio que alimenta os tubos de raios catódicos da TV:um eletrodo carregado negativamente, ou cátodo, em uma extremidade de um tubo de vácuo serve como um canhão de elétrons. Uma diferença de potencial de até 10 quilovolts acelera os elétrons emitidos em direção a um eletrodo plano revestido de fósforo carregado positivamente - o ânodo - na extremidade oposta do tubo. Este bombardeio de elétrons resulta em luz.

As lâmpadas catodoluminescentes têm a vantagem de emitir luz quase em qualquer comprimento de onda, do vermelho ao ultravioleta, dependendo de qual material fluorescente é usado.

Novas lâmpadas ultravioleta seriam um desenvolvimento particularmente oportuno, considerando a recente proibição de eletrodomésticos que usam mercúrio nos termos da Convenção de Minamata, um tratado das Nações Unidas assinado por 128 países que entrou em vigor em agosto de 2017. Entre outros produtos, a proibição visa tubos fluorescentes ultravioleta, amplamente utilizado para iluminação de estufas e outras aplicações. As lâmpadas ultravioleta catodoluminescentes não contêm mercúrio e são geralmente mais limpas em serviço e após o descarte.

“Algumas indústrias usam lâmpadas de mercúrio para tratamento de água e desinfecção do ar, por exemplo, será muito lento e sem vontade de eliminá-los gradualmente, "comentou Mikhail Danilkin do Lebedev Physical Institute, RAS. “Mas a medicina é diferente, porque o problema de descarte de lâmpadas de mercúrio em instalações médicas individuais não foi resolvido, enquanto os padrões ambientais estão se tornando mais rígidos. Lâmpadas catodoluminescentes podem ser usadas na descontaminação da sala de cirurgia, Irradiação UV da garganta e amígdalas, e cura da obturação dentária. "

Outra vantagem importante da nova lâmpada sobre os LEDs e lâmpadas fluorescentes é que ela não depende das chamadas matérias-primas críticas. Isso inclui o gálio, índio, e alguns elementos de terras raras. Embora seu suprimento seja limitado, esses materiais são essenciais e insubstituíveis na saúde, defesa, aeroespacial, e outras indústrias importantes. A Comissão Europeia considera-os estrategicamente importantes para a economia europeia.

Tentativas de produção em massa de lâmpadas catodoluminescentes comerciais foram feitas nos Estados Unidos, mas os consumidores não adotaram o dispositivo, principalmente porque era volumoso e demorava vários segundos para aquecer o cátodo à temperatura de operação. De forma similar, os aparelhos de TV antigos começaram a exibir a imagem após um breve atraso.

Alguns cátodos não requerem aquecimento, no entanto. Eles são conhecidos como cátodos de emissão de campo, porque eles contam com o fenômeno da emissão de campo. Envolve um cátodo frio que emite elétrons sob um campo eletrostático sozinho, devido ao tunelamento.

Contudo, projetando um eficiente, de longa duração, e cátodo tecnologicamente avançado que poderia ser produzido em massa e vendido a um preço acessível provou ser um desafio. Apesar de um esforço contínuo no Japão e nos EUA, o recente estudo russo marca a primeira tentativa bem-sucedida nisso.

"Nosso cátodo de emissão de campo é feito de carbono comum, "disse o professor Evgenii Sheshin, vice-presidente de eletrônica de vácuo no MIPT, que liderou a equipe de pesquisa. "Mas esse carbono não é usado apenas como um produto químico, mas sim como uma estrutura. Encontramos uma maneira de criar uma estrutura de fibras de carbono que seja resistente ao bombardeio de íons, produz uma corrente de alta emissão, é tecnológico e acessível na produção. Esta tecnologia é o nosso know-how, ninguém mais no mundo tem. "

Ao submeter o carbono a um tratamento especial, muitas saliências submicrométricas - com menos de um milionésimo de metro de tamanho - são formadas na ponta do cátodo (figura 2). Isso resulta em um campo elétrico ultra-alto na ponta, expulsando elétrons, para o vácuo.

O grupo de pesquisa MIPT também desenvolveu uma fonte de energia compacta para sua lâmpada catodoluminescente, que fornece quilovolts suficientes para a emissão de elétrons de campo com sucesso. A fonte é ajustada ao redor da lâmpada de vidro (figura 3) quase sem efeito em seu tamanho.

O artigo relata os testes de protótipo e as características técnicas da lâmpada. Esses dados sugerem que, se produzidos em massa, a nova lâmpada catodoluminescente poderia competir com as lâmpadas baratas baseadas em diodos emissores de luz. A nova lâmpada também ajudaria a eliminar as perigosas lâmpadas fluorescentes que contêm mercúrio, que ainda são usados ​​em muitos lares.

"Ao contrário da lâmpada LED, nossa lâmpada não tem medo de temperaturas elevadas. Você pode usá-lo onde os diodos desaparecem rapidamente, como em refletores de teto, onde o resfriamento insuficiente é fornecido, "acrescentou o co-autor do estudo Dmitry Ozol, do departamento de eletrônicos a vácuo do MIPT.