Ртуть в лампах предложили заменить катодом на основе квантового туннельного эффекта

Действие многих использующихся сегодня люминесцентных ламп основано на ртути. У них хорошая светоотдача, умеренное потребление энергии, а также они могут светить и в ультрафиолетовом диапазоне. Это важно как для людей (это не только источник витамина D, и но часть спектра, необходимая для того, чтобы у детей и подростков развилось нормальное зрение), так и для растений — без УФ-лучей они могут не вовремя начинать те или иные стадии созревания, а у их плодов может ухудшиться вкус. Однако с 2020 года производить ртутные лампы будет уже нельзя: это запрещает Минаматская конвенция о ртути. При этом их полноценных заменителей до сих пор не создавали.

Уже несколько десятков лет различные научные группы пытаются создать катодолюминесцентные лампы на основе вакуумных колб, в которых есть катод (отрицательный электрод) и анод (положительный электрод). Между ними создается разность потенциалов до десятка тысяч вольт, и возникает электрическое поле. Под его действием электроны вылетают из катода и бомбардируют анод, под поверхностью которого нанесен слой люминофора. От этой бомбардировки он начинает испускать фотоны — светиться.

Читайте также: Ртуть: десять утверждений. «Чердак» разбирает популярные утверждения о ртути. Не все из них правда

Однако пока все попытки реализовать такие устройства проваливались. Чтобы начать работать, катоду в катодолюминесцентной лампочке нужно прогреться, что занимало несколько секунд. Кроме того, имевшиеся образцы были дорогими. Авторы новой работы обратились к другой схеме подобных ламп — автокатодной. В ней электроны под действием одного лишь электрического поля испускают холодный катод — за счет квантового по своей природе туннельного эффекта.

Материал нового автокатода — обычное углеродное волокно, на которое исследователи нанесли множество микровыступов размером в доли микрона. На их концах вблизи поверхности катода создается сверхвысокая напряженность электрического поля, которая и «выбивает» электроны в окружающий вакуум лампы. Поскольку катод «холодный», прогрев ему не нужен, и свет излучается сразу же после включения.

Еще одна сильная сторона новой конструкции — очень компактный источник питания. В предыдущих аналогах источник питания был настолько громоздким, что стандартный цоколь для такой лампы был слишком мал. У новой разработки источник целиком помещается по периметру колбы лампочки, почти не влияя на ее размеры — ей легко подходит стандартный цоколь Е27.

Прототип, созданный исследователями, создает световой поток в 250 люмен при мощности в 5,5 ватта. Это соотношение нормально для флуоресцентных ламп на ртути и лишь несколько хуже, чем у светодиодов. Авторы работы полагают, что изобретенные ими катодолюминесцентные лампочки при массовом производстве вполне могут на равных конкурировать с массовой светодиодной продукцией из Китая.

Благодаря умеренной цене они помогут окончательно вытеснить и экологически опасные ртутные люминесцентные лампы, которые до сих пор широко используются в квартирах, при уличном освещении и в теплицах.