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    Les ingénieurs signalent une nouvelle technologie d'éclairage à faible consommation

    Illustration. Révolution de la lampe. Crédit :@tsarcyanide/MIPT

    Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie ont conçu et testé un prototype de lampe cathodoluminescente pour l'éclairage général. La nouvelle lampe, qui repose sur le phénomène d'émission de champ, est plus fiable, durable, et lumineux que ses analogues disponibles dans le monde entier. L'évolution a été signalée dans le Journal of Vacuum Science &Technology B .

    Alors que les lampes LED sont devenues monnaie courante, elles ne sont pas la seule alternative propre et économe en énergie aux lampes à incandescence. Depuis les années 1980, les ingénieurs du monde entier se sont penchés sur les lampes dites cathodoluminescentes comme une autre option à des fins d'éclairage général.

    Montré dans la figure 1, une lampe de ce genre repose sur le même principe que celui des tubes cathodiques de télévision :une électrode chargée négativement, ou cathode, à une extrémité d'un tube à vide sert de canon à électrons. Une différence de potentiel allant jusqu'à 10 kilovolts accélère les électrons émis vers une électrode plate revêtue de phosphore chargée positivement - l'anode - à l'extrémité opposée du tube. Ce bombardement électronique se traduit par de la lumière.

    Les lampes cathodoluminescentes ont l'avantage d'émettre de la lumière presque à n'importe quelle longueur d'onde, du rouge à l'ultraviolet, selon le matériau fluorescent utilisé.

    De nouvelles ampoules ultraviolettes seraient un développement particulièrement opportun, considérant la récente interdiction des appareils électroménagers utilisant du mercure en vertu de la Convention de Minamata, un traité des Nations Unies signé par 128 pays et entré en vigueur en août 2017. Entre autres produits, l'interdiction vise les tubes fluorescents ultraviolets, largement utilisé pour l'éclairage des serres et d'autres applications. Les ampoules UV cathodoluminescentes ne contiennent pas de mercure et sont généralement plus propres en service et lors de l'élimination.

    Figure 1. Lampe cathodoluminescente :bloc modulateur cathodique (1), cathode (2), modulateur (3), électrons émis (4), phosphore (5), miroir en aluminium servant d'anode (6), sortie anodique (7), tube à vide en verre (8). Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs

    « Certaines industries utilisant des lampes au mercure pour le traitement de l'eau et la désinfection de l'air, par exemple, sera très lent et peu disposé à les éliminer progressivement, " a commenté Mikhail Danilkin de Lebedev Physical Institute, RAS. "Mais la médecine est différente, parce que le problème de l'élimination des lampes au mercure dans les établissements médicaux individuels n'a pas été résolu, tandis que les normes environnementales deviennent de plus en plus strictes. Les lampes cathodoluminescentes pourraient être utilisées dans la décontamination des salles d'opération, Irradiation UV de la gorge et des amygdales, et le durcissement de l'obturation dentaire."

    Un autre avantage important de la nouvelle lampe par rapport aux LED et aux ampoules fluorescentes est qu'elle ne dépend pas des matières premières dites critiques. Il s'agit notamment du gallium, indium, et quelques éléments de terres rares. Bien que leur offre soit limitée, ces matériaux sont indispensables et irremplaçables dans la santé, la défense, aérospatial, et d'autres secteurs clés. La Commission européenne les énumère comme stratégiquement importantes pour l'économie européenne.

    Des tentatives pour produire en masse des ampoules cathodoluminescentes commerciales ont été faites aux États-Unis, mais les consommateurs n'ont pas adopté l'appareil, principalement parce qu'il était encombrant et qu'il fallait plusieurs secondes pour réchauffer la cathode à la température de fonctionnement. De la même manière, les anciens téléviseurs ont commencé à afficher l'image après un bref délai.

    Figure 2. Module modulateur cathodique (a) avec une cathode émettrice en fibre de carbone indiquée par la flèche blanche, et une représentation agrandie de la cathode (b) à une échelle de 100 micromètres. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs

    Certaines cathodes ne nécessitent aucun préchauffage, bien que. Elles sont connues sous le nom de cathodes à émission de champ, car ils reposent sur le phénomène d'émission de champ. Il s'agit d'une cathode froide émettant des électrons sous champ électrostatique seul, en raison du creusement des tunnels.

    Cependant, concevoir un système efficace, durable, et la cathode technologiquement avancée qui pourrait être produite en série et vendue à un prix abordable s'est avérée difficile. Malgré un effort continu au Japon et aux États-Unis, la récente étude russe marque la première tentative réussie dans ce sens.

    "Notre cathode à émission de champ est en carbone ordinaire, " a déclaré le professeur Evgenii Sheshin, vice-président de l'électronique du vide au MIPT, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Mais ce carbone n'est pas utilisé simplement comme produit chimique, mais plutôt comme une structure. Nous avons trouvé un moyen de façonner une structure à partir de fibres de carbone résistantes au bombardement ionique, délivre un courant d'émission élevé, est technologique et abordable en production. Cette technologie est notre savoir-faire, personne d'autre au monde ne l'a."

    Figure 3. Prototypes de laboratoire d'ampoules cathodoluminescentes avec convertisseur de tension intégré pour culot E27 avec diffuseur (a) et sans (b). La puissance lumineuse est jusqu'à 250 lumens, qui correspond à la puissance d'une lampe à incandescence de 25 watts, mais la consommation électrique n'est que de 5,5 watts. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs

    En soumettant le charbon à un traitement spécial, de nombreuses protubérances submicrométriques (moins d'un millionième de mètre) se forment à l'extrémité de la cathode (figure 2). Il en résulte un champ électrique ultra-élevé à la pointe, chasser les électrons, dans le vide.

    Le groupe de recherche MIPT a également développé une source d'alimentation compacte pour leur lampe cathodoluminescente, qui fournit suffisamment de kilovolts pour une émission d'électrons de champ réussie. La source est montée autour de l'ampoule en verre (figure 3) sans pratiquement aucun effet sur sa taille.

    Figure 4. Mégatendances possibles dans les applications d'éclairage. Alors que les diodes électroluminescentes utilisent moins de matières premières critiques que les ampoules fluorescentes actuellement utilisées, les LED organiques devraient éliminer complètement le besoin de ces matériaux, à l'exception de l'indium. Crédit :@Linasmlth.art/MIPT

    L'article rapporte des tests de prototypes et les caractéristiques techniques de la lampe. Ces données suggèrent que si elles sont produites en série, la nouvelle ampoule cathodoluminescente pourrait concurrencer les lampes bon marché à base de diodes électroluminescentes. La nouvelle ampoule aiderait également à éliminer progressivement les lampes fluorescentes dangereuses contenant du mercure, qui sont encore utilisés dans de nombreux foyers.

    "Contrairement à l'ampoule LED, notre lampe n'a pas peur des températures élevées. Vous pouvez l'utiliser là où les diodes s'estompent rapidement, comme dans les spots de plafond, où un refroidissement insuffisant est fourni, " a ajouté le co-auteur de l'étude Dmitry Ozol du département d'électronique sous vide du MIPT.

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