Перспективы развития и применения источников света на базе автоэмиссии. Часть 1

Производство источников света в настоящее время — отрасль промышленности, основанная на использовании высоких и наукоёмких технологий, имеющая миллиардные обороты и производящая огромную номенклатуру изделий для всех сфер деятельности человека. Расходы человечества на освещение превышают 3 трлн кВт∙ч электроэнергии в год, что более 19% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Именно поэтому одной из наиболее актуальных задач мировой экономики является энерго- и ресурсосбережение и, в частности, разработка и широкое применение энергосберегающих, дешёвых, долговечных и экологически безопасных источников света, а также разработка новых энергоэффективных технологий с их использованием.
Среди светотехнических изделий общего и специального назначения, применяемых в быту, промышленности, на транспорте, в военной технике, в качестве наиболее перспективных рассматриваются источники света, принцип действия которых основан на следующих физических явлениях [1–15].
– Люминесцентные газоразрядные лампы, основу работы которых составляет газовый разряд, сопровождающийся мощным ультрафиолетовым (УФ) излучением или излучением в видимом спектральном диапазоне, преобразованном из ультрафиолетового с помощью соответствующих добавок в газовую фазу или люминофора (комбинации люминофоров), нанесённого на внутреннюю поверхность прозрачной колбы лампы., Индуцированное газовым разрядом излучение может иметь различный спектральный состав в зависимости от состава газовой среды (неоновые, ртутные, металлогалоидные, серосодержащие лампы) и используемого люминофора. Примерами таких источников света являются различные модификации традиционных ртутных ламп «дневного света» и их аналогов — энергосберегающих компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), металлогалоидные лампы для уличного освещения и многие другие газоразрядные лампы, широко применяемые в народном хозяйстве.
– Светодиоды [12] на неорганической (LED) или органической (OLED) [13] полупроводниковой основе, в p-n-переходе которых происходит интенсивная рекомбинация электронов и дырок. Она сопровождается излучением в УФ- (или непосредственно в видимом) диапазоне, которое при необходимости с помощью люминофора (люминофоров) преобразуется в видимое излучение. Такие источники света получают в последнее время всё большее распространение, о чём свидетельствуют темпы роста их производства и продаж, достигающие 40% (и даже более) в год.
– Катодолюминесцентные лампы, в которых световое или рентгеновское излучение индуцируется в слое люминофора или на поверхности металла (для рентгеновских источников излучения) электронным пучком. Пучок состоит из ускоренных в электромагнитном поле электронов, эмитированных из катода за счёт термо- или автоэмиссии.
Достоинства и перспективы использования газоразрядных ламп и светодиодов достаточно широко обсуждаются в современной научно-технической литературе [1–2, 10–14]. Значительно меньше внимания уделяется катодолюминесцентным источникам излучения в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском спектральных диапазонах. Причиной этого является тот факт, что давно и хорошо технически и технологически освоенная термоэмиссия не отличается высокой энергоэффективностью, а катоды для автоэмиссии до последнего времени не отличались высокой стабильностью и долговечностью. Однако ситуация в области применения автоэмиссионных катодов для создания источников света в последнее время резко меняется [10].
Следует также отметить, что ртутные газоразрядные лампы и светодиоды, рассматриваемые в настоящее время как наиболее перспективные источники света, обладают рядом существенных недостатков.
Ртутные энергосберегающие и люминесцентные лампы имеют высокую светоотдачу (отношение величины светового потока в единицу времени к потребляемой электрической мощности) и относительно продолжительный срок службы, но содержат пары ртути, создающие серьёзные экологические проблемы при утилизации отслуживших свой срок ламп. Большинство ртутных ламп имеет ярко выраженный линейчатый спектр излучения, что оказывает неблагоприятное воздействие на зрение при постоянном использовании таких ламп в качестве источников света общего назначения. Многие образцы газоразрядных и энергосберегающих ламп при включении обладают достаточно длительным периодом выхода на стационарный уровень освещённости или недостаточно стабильными характеристиками (мерцание, ухудшение характеристик за время эксплуатации и т.д.). Эти особенности не позволяют использовать газоразрядные лампы на основе ртути во многих специальных применениях и создают проблемы в качестве источников света общего назначения.
Производство светодиодных источников света, лучшие лабораторные образцы которых в настоящее время обладают рекордной светоотдачей порядка 200 лм/Вт [12], требует применения весьма дорогих и сложных технологий, оборудования, не производящегося в России, и материалов, ряд из которых имеет ограниченное распространение в природе, например, индий, а некоторые крайне ядовиты, например, мышьяк. Экологически небезупречной является и сама технология производства и обработки полупроводниковых материалов, предназначенных для изготовления светодиодов. Светодиодные источники также оказываются чувствительными к режимам эксплуатации и существенно изменяют свои характеристики при высоких температурах, т.к. при перегреве светодиода уменьшается его эффективность, падает световой поток и интенсивность свечения, изменяется цветовая температура, а срок службы может сокращаться в разы. Изменение прямого напряжения светодиодов с температурой предъявляет специальные требования к источнику питания [15]. Все эти факторы обеспечивают эффективную работу светодиодов только при температурах ниже 70–80°С [15] и дополнительно увеличивают их стоимость. Определённые проблемы возникают и с точки зрения оптимизации спектров излучения светодиодных источников освещения общего назначения, требующих или комбинирования светодиодов с излучением в различных спектральных диапазонах (например, так называемые RGB источники света на основе комбинации красных (Red), зелёных (Green) и голубых (Blue) светодиодов), или использования светодиодов с УФ-излучением и сложной комбинацией люминофоров, обеспечивающих переизлучение света с благоприятными для глаза спектральными характеристиками.
Всё это существенно удорожает производство и применение источников света на основе газового разряда и на базе светодиодов и ограничивает условия их применения.
В целом, перед разработчиками источников излучения в различных спектральных диапазонах — видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском — стоят проблемы унификации линейки этих светотехнических устройств различной мощности, спектров излучения и достижения компромисса между такими характеристиками как энергоэффективность (светоотдача для светотехнических устройств с излучением в видимом спектральном диапазоне). К этим проблемам следует отнести и спектральные характеристики излучения (в т.ч. цветовая температура для ламп общего назначения), срок службы и стабильность работы, стоимость, простоту и экологичность производства, возможность использования существующей светотехнической арматуры, а для источников света общего назначения различного типа — и их взаимозаменяемость.
При этом можно с уверенностью утверждать, что в настоящее время даже для источников света общего назначения ещё не сложилась система единых критериев, предъявляемых для сравнительного анализа их эффективности.
В данной работе отстаивается та точка зрения, что как с технологической, так и с экономической точек зрения, альтернативой газоразрядным с светодиодным источникам света являются экологически безопасные энергосберегающие, конструктивно унифицируемые во всём спектральном диапазоне автокатодные источники излучения нового поколения. Эти светотехнические приборы основаны на генерации излучения (свечении люминофора в видимом и УФ-диапазонах и эмиссии с поверхности металлов в рентгеновском диапазоне) под действием ускоренных электромагнитным полем электронов, эмитированных автокатодом из наноструктурированного углеродного материала [2, 10].
Автокатодолюминесцентные лампы (АКЛЛ) видимого и УФ-излучения и автокатодные рентгеновские источники излучения (АКРИИ) обладают следующими достоинствами:
– высокая энергоэффективность и яркость (лабораторные образцы АКЛЛ общего назначения уже сейчас обеспечивают светоотдачу 60 лм/Вт и яркость 100000 кд/м2, а при дальнейшей доработке и оптимизации конструкции эффективность и яркость могут быть значительно повышены);
– возможность обеспечения необходимого спектра излучения (в т.ч. благоприятного для человека в случае ламп общего назначения), который для катодолюминесцентной лампы зависит от состава люминофора (для видимой и ультрафиолетовой части спектра), ускоряющего напряжения и материала анода (для АКРИИ);
– экологическая чистота как в производстве, так и в эксплуатации, а также при утилизации отслуживших свой срок источников света, что обусловлено отсутствием вредных и ядовитых веществ в лампе (в конструкции источника света используются углерод, стекло, алюминий, сталь и для АКЛЛ видимого и УФ спектрального диапазона — люминофор в количествах тысячных долей миллиграмма на одно изделие);
– мгновенная готовность к работе, поскольку время выхода на стационарный уровень генерации излучения определяется характерным временем люминесценции и короче тысячной доли секунды, а время начала возбуждения электронным пучком определяется временем пролёта электрона от катода к аноду и может быть менее 10^–8–10^–9 с);
– широкий диапазон рабочих температур: –196…150°С и выше; диапазон допустимых температур определяется пределами температурной устойчивости материалов, конструкции и источника питания и может превышать 200–300°С;
– большая площадь светоизлучающей поверхности (определяется выбором площади анода с нанесённым на него люминофором и катодо-модулирующим устройством, т.е. выбором конструкции источника освещения);
– срок службы более 50 тыс. ч — определяется выбором материала и конструкции катодо-модулирующего узла (КМУ) (режимом возбуждения электронного пучка) и анода (строения и режима его облучения);
– доступность, экологическая безопасность и распространённость материалов и комплектующих для производства;
– дешевизна в производстве (при изготовлении ламп используются простая технология и дешёвые, широко распространённые в природе материалы);
– возможность при организации производства задействовать существующие производственные мощности (уже имеющихся электроламповых заводов по выпуску ламп накаливания), что значительное уменьшает инвестиционные затраты при перепрофилировании существующих производств;
– возможность конструктивной унификации, когда автокатодный источник излучения в зависимости от назначения, мощности, спектра излучения создаётся на основе типовых конструктивных модулей. Модульный принцип построения автокатодного источника излучения представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Универсальная конструкция автокатодного источника излучения со следующими модулями: 1 — излучатель (люминофор, металл, люминофор на проводящей подложке, являющейся анодом и т.д.); 2 — среда излучения (вакуум, газ и т.д.); 3 — катодно-модуляторный узел (КМУ); 4 — колба из материала, прозрачного для излучения, часть которой может быть покрыта светоотражающим покрытием; 5 — блок питания и управления

Работа автокатодных источников излучения в видимом, ультрафиолетом и рентгеновском спектральных диапазонах основана на явлении автоэлектронной эмиссии [2]. Она заключается в вытягивании электронов из катода под воздействием электрического поля практически без затрат энергии.
Электроны, вылетевшие из катода под действием поля модулятора, ускоряются электрическим полем и возбуждают световые кванты в слое люминофора, нанесённого на анод (см. рис. 2) для АКЛЛ видимого и ультрафиолетового спектрального диапазонов. Спектр свечения определяется типом используемого люминофора (смеси люминофоров). Слой алюминия, показанный на рисунке 2, служит для увеличения яркости свечения для ламп видимого и УФ-спектров, т.к. излучение от зёрен люминофора распространяется на 360°, а слой алюминия служит зеркалом, отражающим свет во внешнюю часть лампы.
Для генерации рентгеновского излучения необходимо изменить люминофор, например на окись металла, и повысить энергию электронов, бомбардирующих анод до величины более 12–14 кэВ за счёт увеличения ускоряющего напряжения.

Рис. 2. Принципиальная схема работы катодолюминесцентного источника света видимого или ультрафиолетового диапазона с автокатодом

Таким образом, модульная универсальная конструкция автокатодного источника излучения независимо от его спектрального диапазона, представленная на рисунке 1, включает излучатель, среду излучения, катодо-модуляторный узел (КМУ), включающий автокатод, колбу с окном прозрачности для соответствующего излучения и блок питания и управления.
Выбирая соответствующий материал излучателя и среду излучения, а также ускоряющее напряжение КМУ, материал и конструкцию анода, ускоряющее напряжение между КМУ и анодом можно варьировать спектр свечения источника в широком диапазоне длин волн излучения. Выбирая конструкцию колбы лампы, КМУ, анода и временной режим генерации электронного пучка, определяемый конструкцией блока питания и управления, можно получать различные по мощности и временному режиму свечения источники излучения. За счёт выбора конструкции и материалов её модулей варьируется устойчивость АКЛЛ и АКРИИ к условиям работы и внешним воздействиям. Так например, используя соответствующую конструкцию и материал вакуумной колбы и вакуумных вводов, а также блок питания и управления, сконструированный на базе трансформаторов с комплектующими на основе вакуумной техники, можно создать источники света, устойчивые в температурном диапазо-
не –196…300°С и более.
В конструкции АКЛЛ возможны различные модификации по сравнению с принципиальной схемой, изображённой на рисунка 1–2 [2—7]. Тем не менее основными элементами такого источника света (см. рис. 1) являются автокатод (наноструктурированный углерод) и модулятор (нержавеющая сталь), составляющие катодо-модуляторный узел, анод (алюминий, соответствующий по спектру излучения люминофор или комбинацию люминофоров или нанесённые на бериллиевую фольгу соответствующие окислы металлов), корпус (стекло обычное, увиолевое или кварцевое в зависимости от назначения лампы). Новизна этих источников света в автокатоде и электронном прожекторе (КМУ) (см. рис. 3), который обеспечивает засветку люминесцентного экрана или материала — источника рентгеновского излучения [2, 5, 7].

Рис. 3. Автоэлектронный прожектор (автокатод + модулятор)

В лабораториях МФТИ разработаны весьма устойчивые и надежные автокатоды из наноструктурированных углеродных материалов [2, 3, 7–10] (см. рис. 4), которые при определенных режимах эксплуатации имеют практически неограниченный эмиссионный ресурс и различные конструкции КМУ, позволяющие наряду с выбором величины анодного напряжения и люминофора обеспечивать равномерность и необходимую интенсивность излучения в заданном спектральном диапазоне на аноде. Эти обстоятельства в основном и определяют крайне высокую долговечность ламп с такими автокатодами (стабильность работы ряда лабораторных образцов, полученных в МФТИ, сохраняется уже более 10 лет; при этом и не наблюдаются признаки ухудшения их эксплуатационных характеристик).

а)	б)
в)	г)
Рис. 4. Автокатоды из наноструктурированных волокон (а, б) и терморасширенного графита (в, г)

В технологии изготовления автокатода используются углеродные материалы, промышленно производимые в Российской Федерации. Среди множества углеродных материалов наиболее перспективны углеродные волокна и терморасширенный графит [2, 7–10]. Их исходное строение наилучшим образом подходит для автокатодов источников света и позволяет получать энергию и интенсивность потока электронов, необходимую для наиболее эффективного возбуждения катодолюминофоров.
Для увеличения эмиссионного ресурса автокатода исходный материал подвергается дополнительной обработке, которая осуществляется в несколько следующих этапов.
– Предварительная обработка исходного материала, включающая, как правило, стадию температурного отжига. Эта обработка позволяет улучшить наноструктурированность исходного материала.
– Формовка эмиссионной поверхности автокатода потоками ионов или фотонов, способствующая вскрытию и увеличению числа эмиссионных центров и формообразованию автокатода.
– Тренировка автокатода при термовакуумной обработке лампы на финишном этапе.
В результате такой обработки удаётся получать автокатоды с высокой стабильностью, воспроизводимыми характеристиками и долговечностью. Лампы можно производить по стандартной технологии электровакуумного производства при некоторых дополнительных мерах по улучшению вакуумных условий в лампе (до значений 10^–6 тор), т.е. использовать уже существующее электровакуумное оборудование, которое имеется в наличии в РФ. В ряде случаев оно дополняется вакуумными насосами, обеспечивающими необходимый уровень вакуума.
На основе упомянутых достоинств автокатодных технологий могут быть разработаны линейки базовых модулей (автокатоды, КМУ, аноды, блоки питания и управления, вакуумные колбы, вакуумные вводы и комплектующие элементы для крепежа и сборки остальных модулей) для конструирования следующих источников излучения.
– АКЛЛ общего назначения (для использования в стандартных условиях, т.е. при температурах до 70…80°С) белого (бело-голубого или желтоватого) цвета с благоприятным для человека спектром излучения различной мощности в диапазоне генерации светового потока 500–1500 лм с цоколем Е27, внутри которого смонтирован блок питания и управления с интегральными микросхемами в качестве элементов конструкции. Для питания лампы используются стандартные переменные напряжения 220, 127, 110 В. Такие АКЛЛ при себестоимости производства менее 1–2 руб. на установочный световой поток в 40 лм и светоотдачей более 40–60 лм/Вт
(как будет показано ниже) обладают высокой конкурентоспособностью на рынке источников света общего назначения. Лабораторные образцы ламп общего назначения различной формы и конструкции представлены на рисунке 5.

а)
в)	г)	д)
Рис. 5. Лабораторные образцы автокатодных ламп общего назначения

– АКЛЛ различного спектра излучения в видимом диапазоне (голубые, красные, зелёные или других цветов) для декоративного освещения, имеющего благоприятный для человека спектр излучения, а также для цветовых рекламных панелей и для цветного проекционного телевидения. Лабораторные образцы ламп этого типа и их характеристики представлены на рисунках 6–7.

а)	б)
Рис. 6. Лабораторные образцы пальчиковых автокатодных ламп различного спектра излучения (а) и блок рекламной панели на их основе (б)

– АКЛЛ специального назначения с яркостью выше 60000 кд с источниками питания, устойчивыми в широком диапазоне температур. Эти лампы имеют заданный спектр излучения в видимом диапазоне длин волн. Такие источники света могут использоваться в сигнальных устройствах (светофоры, семафоры, габаритные огни на высотных конструкциях), для технологического освещения в условиях перепада температур и внешнего радиационного воздействия, для осветительных систем на транспортных средствах (железнодорожный, автомобильный, морской, воздушный и космический транспорт).
– АКЛЛ для работы в УФ-диапазоне длин волн (360–315 нм и короче). Такие источники излучения могут быть использованы для обеззараживания прозрачных сред (вода, газовая среда) и для промышленных систем фотокатализа при работе в достаточно жестких температурных режимах.
– АКРИИ для работы в различных диапазонах рентгеновского излучения, характерных для соответствующих металлов (вольфрам, молибден и т.д.). Такие источники излучения могут использоваться для дефектоскопии, таможенного контроля, медицинских исследований и т.д.
Заметим, что для АКЛЛ видимого и ультрафиолетового излучения с точки зрения оптимизации конструкции для повышения энергоэффективности (световой отдачи для ламп освещения в видимом спектральном диапазоне) можно выделить две задачи: обеспечение высокой плотности автоэмиссии при максимально низком приложенном напряжении на КМУ и обеспечение высокой эффективности преобразования энергии ускоренных электронов в энергию излучения на аноде в заданном спектральном диапазоне.
Конструктивно эти задачи могут решаться раздельно — первая при оптимальном конструировании блока КМУ (катодо-модулирующего устройства): за счёт выбора и предварительной обработки материала автокатода, а также подбора оптимальной геометрии и характеристик ускоряющего напряжения, используемого в КМУ.
В настоящее время для лабораторных образцов автокатодов нашей разработки достигнута плотность автоэмиссии 10–15 А на 1 см² при напряженности поля 10⁶–10⁷ В/см, что позволяет при подборе соответствующей конструкции использовать в КМУ ускоряющее напряжение менее 1 кВ.
Вторая задача решается за счёт подбора люминофора (комбинации люминофоров), величины и формы площади и толщины слоя люминофора и общего ускоряющего напряжения (например, за счёт управления разностью потенциалов КМУ–анод) и формирования соответствующего пятна засветки люминофора электронным пучком при его правильной фокусировке (формировании его пространственных характеристик). Это и позволяет разрабатывать стандартные узлы автокатодных источников излучения различного спектра излучения и мощности, причём не только в видимом, но и в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах излучения.
Особо следует отметить, что возможности и перспективы применения АКЛЛ и АКРИИ определяются не только конструкцией самой лампы, но и источника питания — преобразователя напряжения. В частности, возможно два направления разработки его конструкции: на основе интегральных схем, что, в первую очередь, обеспечивает его миниатюризацию и снижение стоимости при масштабировании производства, или на основе трансформаторов и элементов вакуумной техники, что обеспечивает высокую устойчивость этих источников в широком диапазоне внешних условий, вплоть до возможности их использования в космическом пространстве или в других специализированных приложениях.

а)	б)
Рис. 7. Зависимость светового потока и яркости от тока анода в различных спектральных диапазонах (а) и спектральные характеристики (б) различных пальчиковых автокатодных люминесцентных ламп красного, зелёного и голубого света

В настоящее время в МФТИ созданы лабораторные образцы цветных пальчиковых автокатодных люминесцентных ламп со следующими хорошо воспроизводимыми характеристиками (см. рис. 7):
– лампы с излучением в синей области спектра с яркостью 15000 кд/м² и светоотдачей 9 лм/Вт;
– лампы с излучением в красной области спектра с яркостью 25000 кд/м² и светоотдачей 17 лм/Вт;
– лампы с излучением в зелёной области спектра с яркостью 40000 кд/м² и светоотдачей 30 лм/Вт;
– лампы с излучением белого света различной конструкции и различной геометрии с разным составом люминофорного покрытия, со стабильно воспроизводимыми характеристиками (с различными спектрами излучения, см. рис. 8) мощностями в диапазоне 10–30 Вт, световыми потоками до 1000 лм и светоотдачей в диапазоне
28–50 лм/Вт.

Рис. 8. Спектр излучения лабораторного образца автокатодной люминесцентной лампы общего назначения мощностью 25 Вт и со световым потоком 700 лм

Приведённые выше образцы ламп были разработаны для других программ, использовали стандартные телевизионные люминофоры и не оптимизированную для источников света общего назначения конструкцию. В настоящее время, к сожалению, не существует разработанных оптимизированных конструкций высокоэффективных ламп общего назначения с автоэлектронным катодом ни в России, ни за рубежом. Тем не менее сегодня имеются все физические и технические предпосылки для достижения таких характеристик АКЛЛ общего назначения как срок службы в 50000 ч, световой поток в 1000 лм и световая отдача не менее 60 лм/Вт.
Из приведённых выше данных видно, что по своим техническим характеристикам автокатодные люминесцентные лампы, особенно после оптимизации их конструкции, могут составить серьёзную конкуренцию существующим и ещё разрабатываемым перспективным энергосберегающим источникам света, работа которых основана на других физических принципах.
Однако у автокатодных люминесцентных ламп имеется ещё ряд стратегических преимуществ: все материалы, технология и разработки — российские, т.е. независимы от внешних поставок. Кроме того, в стране имеются все предпосылки (лабораторные разработки, существующие производства) для организации массового изготовления таких ламп.
Поскольку уже разработаны лабораторные образцы автокатодных люминесцентных источников света с большим сроком службы, и существует реальная возможность для организации ОКР источников света общего назначения и подготовки промышленного производства, актуальна задача создания рабочего прототипа высокоэффективной АКЛЛ общего назначения с низкой себестоимостью при массовом производстве.
Очевидно, что кроме технико-технологических особенностей АКЛЛ и АКРИИ перспективы их применения будут определяться технико-экономическими характеристиками, к рассмотрению которых и следует обратиться.

Продолжение статьи см. в следующем номере.