Источники света с автокатодом из углеродных материалов

Основные направления в развитии источников света с автокатодами на основе углеродных материалов – это создание плоских источников света с пленочными катодами, пальчиковых катодолюминесцентных ламп, источников света с аксиальной конструкцией.
Плоские источники света. Основным конструктивным отличием плоских источников света  является большая площадь анода (катода) и малое расстояние между катодом и анодом по сравнению с линейными размерами катодной подложки.
При соответствующей технологии производства плоских электровакуумных приборов можно разработать источник света площадью более 500 см2. Такие приборы могут иметь диодную или триодную конструкцию. Триодная конструкция предпочтительнее для создания сверхъярких источников света. В плоских источниках света небольшой яркости (1000–5000 кд/м2) применяется диодная конструкция, что значительно упрощает производство вакуумного прибора. Такие приборы могут быть использованы, например, в подсветке жидкокристаллических экранов .
Автокатоды для плоских приборов можно изготавливать различными методами, например трафаретной печатью или электрофоретическим осаждением. В качестве наносимого материала целесообразно использовать углеродные порошки, полученные при помощи различных технологий. Кроме этого могут быть применены механические способы обработки массивной углеродной заготовки для создания плоского автоэмиссионного катода большой площади.
Был разработан прототип плоского автоэмиссионного диодного источника света , катод которого был изготовлен из наноструктурного углерода на основе ориентированных нанотрубок и наноразмерных углеродных кристаллитов . Представленный образец толщиной 3 мм обладал равномерной яркостью 500 кд/м2 на площади 25×25 мм.
Источники света с аксиальной конструкцией. В аксиальной конструкции может использоваться как пленочный катод, так и катод на основе волокон.
В настоящее время исследуется работоспособность источников света с катодами на нанотрубках . Прототип такого люминесцентного диода уже разработан. В качестве материала для катода использовалась никелевая проволока толщиной 1 мм, покрытая наноструктурным углеродом. Катод располагался соосно 20-мм цилиндрической стеклянной трубке, на половину внутренней поверхности которой напылена алюминиевая пленка (анод), а поверх алюминия нанесен слой люминофора. Яркость диода достигала 100 000 кд/м2 при анодном напряжении 10 кВ и токе 300 мкА. Световой поток такого источника света составил 150–200 лм при световой эффективности 25–30 лм/Вт.
В аксиальном источнике света триодной конструкции соосно расположены цилиндрический анод (в виде стеклянной колбы с нанесенным люминесцентным покрытием), модулятор (управляющий электрод в виде цилиндрической сетки) и продолговатый катод, конструкция и материал которого могут быть любыми.
Пальчиковые катодолюминесцентные лампы .

 Пальчиковая катодолюминесцентная лампа по своей конструкции является наиболее ярким источником света. В этой конструкции можно реализовать напряжение между катодом и анодом до 10–15 кВ и ток до 1 мА. Яркость таких ламп может достигать 100 000 кд/м2 и более. Область их применения – элементы видеоэкранов среднего и малого разрешения.
Один из вариантов пальчиковой лампы – катодолюминесцентный триод с автокатодом на основе пучков углеродных волокон. Катод такого прибора состоит из нескольких пучков ПАН углеродных волокон по ~100 волокон в каждом и дает стабильный эмиссионный ток до 1 мА при хорошей равномерности засветки люминесцентного анода.
Еще один вариант – яркая катодолюминесцентная лампа триодной конструкции с автокатодом на основе нанотрубок . Яркость по зеленому цвету для этого источника света составляет 60 000 кд/м2 (при анодном токе 200 мкА).
В более позднем варианте источника света аналогичной конструкции яркость излучения достигает уже 1 000 000 кд/ м2,
а световой поток составляет 1000 лм. Такая яркость была получена при постоянном токоотборе на уровне 400 мкА и ускоряющем напряжении 30 кВ. При таких ускоряющих напряжениях и выделяемой мощности источник света оснащают экранировкой от рентгеновского излучения (свинцовое стекло) и системой отвода тепла.
Источники света, разработанные в лаборатории авторов (на кафедре вакуумной электроники МФТИ). Для определения эмиссионных свойств и отработки технологии изготовления катодов было изготовлено более 100 катодолюминесцентных ламп триодной конструкции с катодом из ПАН-волокон . Были исследованы световые и эмиссионные характеристики опытной партии этих источников света на предмет разброса параметров катодов, а также их работа в прототипе модуля видеоэкрана.
Исследование светоэлектрических характеристик ламп проводилось на подготовленном специализированном измерительном стенде, с помощью которого были получены данные о спектре излучения ламп, их яркости и световой эффективности .
Для каждой лампы из тестовой партии были сняты по четыре вольт-амперных характеристики (снималась зависимость автоэмиссионного тока катода IK от напряжения на модуляторе при фиксированном анодном напряжении UA = 7, 8, 9, 10 кВ)
Исходя из полученных экспериментальных данных по вольт-амперным характеристикам каждой катодолюминесцентной лампы , следует отметить несколько моментов.
Во-первых, вольт-амперные характеристики всех светоизлучающих пальчиковых ламп из тестовой партии лежат в обла­сти управляющих напряжений UM [IK max = 100 кА] < 1500 В

Во-вторых, вольт-амперные характеристики катодолюминесцентных ламп не смещены в область отрицательных управляющих напряжений, а наоборот, при некотором положительном потенциале на модуляторе автоэмиссионный ток еще практически отсутствует: UM [IK min < 0,5 мкА] > 500 В.
В-третьих, очевидно, что существует заметный разброс по величинам управляющих напряжений модулятора ΔUM [IK max= 100 мкА] ~ 300–400 В . Видимо, такой разброс характеристик связан с комплексом технических причин: неточность установки катода в держатель, неточность выставления расстояния модулятор–анод в процессе запайки вакуумной оболочки лампы, небольшой разброс длин пучков углеродных волокон, а также различное количество волокон в пучке для каждой лампы.
На основе данных ламп были созданы элементы видеоэкранов.
Перспективные области применения источников света с автокатодом. Спектр применения катодолюминесцентных источников света с АЭК широк. Это, в частности:

· Осветительные лампы

· Элементы подсветки ЖК-дисплеев

· Плоские автоэмиссионные экраны (Field Emission Display – FED).

· Пикселы больших видеоэкранов коллективного пользования.

· Светофоры и семафоры.

· Источники резервного освещения.

· Сигналы спасения на воде и в горах.

· Любые источники света высокой яркости с возможностью подбора спектра излучения.

Катодолюминесцентный источник света позволяет получить излучение видимого диапазона, спектральный состав которого благоприятен для визуального восприятия и не вызывает такой утомляемости глаз, как большинство известных источников света. В катодолюминесцентных излучателях отсутствует вредное инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
Свет от катодолюминесцентных источников можно получить диффузным или направленным в необходимый телесный угол для таких специальных применений, как видеоэкраны коллективного пользования.
Катодолюминесцентные лампы с автокатодом в своем составе не имеют ядовитых материалов и газов, вредных для здоровья человека. Для таких источников света не существует проблем производства и утилизации вышедших из строя ламп, связанных с загрязнением окружающей среды, как, например, для люминесцентных ламп, в которых имеются пары ртути.
К числу достоинств источников света на основе автоэмиссии относятся также низкая потребляемая мощность, высокое быстодействие, малые габариты и вес, высокая радиационная стойкость, малая материалоемкость и достаточно низкая стоимость изготовления.
Перечисленные преимущества излучателей с автокатодом позволяют эффективно использовать их в вышеуказанных приложениях и других областях техники.