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Credit: @tsarcyanide/MIPT Press Office
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia, han diseñado y puesto a prueba un prototipo de lámpara de cátodo luminiscente para iluminación general. La nueva lámpara, que se basa en el fenómeno de la emisión de campo, es más fiable, duradera y luminosa que sus análogos disponibles en todo el mundo. Este desarrollo fue reportado en la revista Journal of Vacuum Science & Technology B.
Si bien las lámparas LED se han convertido en algo muy común en nuestros días, no son la única alternativa respetuosa del medio ambiente y de ahorro de energía frente a las lámparas incandescentes. Desde la década de 1980, los ingenieros de todo el mundo han estado estudiando las llamadas lámparas de cátodo luminiscente como una alternativa para la iluminación general.
Como se muestra en la figura 1, las lámparas de este tipo se basan en el mismo principio que alimenta los antiguos televisores con tubos de rayos catódicos: Un electrodo cargado negativamente, o cátodo, en un extremo de un tubo de vacío sirve como un cañón de electrones. Una diferencia de potencial de hasta 10 kilovoltios acelera los electrones emitidos hacia un electrodo plano recubierto de fósforo cargado positivamente, denominado ánodo, ubicado en el extremo opuesto del tubo. Este bombardeo de electrones produce la luz.
Las lámparas de cátodo luminiscente tienen la ventaja de poder emitir luz prácticamente en cualquier longitud de onda, desde el rojo hasta el ultravioleta, en función del material fluorescente que se utilice.
Las nuevas bombillas de luz ultravioleta podrían ser un avance particularmente oportuno, considerando la reciente prohibición de aparatos electrodomésticos que usan mercurio en virtud del Convenio de Minamata, un tratado de las Naciones Unidas firmado por 128 países que entró en vigencia en agosto de 2017. Entre otros productos, la prohibición incluye también los tubos fluorescentes ultravioleta, utilizados ampliamente para la iluminación de invernaderos y otras aplicaciones. Las bombillas de luz ultravioleta de cátodo luminiscente no contienen mercurio y por lo general son más ecológicas durante su funcionamiento y a la hora de su eliminación.
"Algunas industrias que usan lámparas de mercurio para el tratamiento del agua y la desinfección del aire, por ejemplo, reaccionarán más lentamente y no estarán dispuestas a eliminarlas", comentó Mikhail Danilkin, del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia. "Pero en la medicina este asunto es diferente, porque el problema de reciclaje de lámparas de mercurio en las instalaciones médicas individuales aún no se ha resuelto, mientras que las normas ambientales se hacen cada vez más severas. "Las lámparas de cátodo luminiscente se podrían usar en la desinfección de salas de operaciones, la irradiación de garganta y amígdalas con luz ultravioleta y en el curado dental con materiales fotopolimerizables."
Otra ventaja importante de las nuevas lámparas de cátodo luminiscente sobre las bombillas LED y las bombillas fluorescentes es que su elaboración no se basa en las llamadas materias primas fundamentales. Entre éstas se encuentran el galio, el indio y algunos elementos de tierras raras. Si bien su suministro es limitado, estos materiales son esenciales e insustituibles en las industrias de la salud, defensa, aeroespacial y otras industrias clave. La Comisión Europea los clasifica como materiales estratégicamente importantes para la economía europea.
En los Estados Unidos se hicieron algunos intentos de producir en serie bombillas de luz de cátodo luminiscente comerciales, pero los consumidores no recibieron de buen gusto el dispositivo, principalmente porque era voluminoso y el cátodo tardaba varios segundos en calentarse hasta la temperatura de operación. Del mismo modo, los televisores antiguos mostraban la imagen con cierto retardo.
Sin embargo, algunos cátodos no requieren calentamiento previo. A éstos se les conoce como cátodos de emisión de campo, porque se basan en el fenómeno de la emisión de campo. Se trata de un cátodo frío que emite electrones bajo un campo electrostático único, debido a la tunelización.
Sin embargo, el diseño de un cátodo eficiente, duradero y tecnológicamente avanzado, que podría producirse en serie y venderse a precios asequibles, ha resultado ser todo un desafío. A pesar de los continuos esfuerzos realizados en Japón y los EE. UU., los recientes estudios rusos marcan el primer intento exitoso en este campo.
"Nuestro cátodo de emisión de campo está hecho de carbono ordinario", - dijo el profesor Evgenii Sheshin, catedrático del Departamento de electrónica de vacío del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, quien dirigió el equipo de investigación. "Pero este carbono no se utiliza simplemente como producto químico, sino más bien como una estructura. Hemos hallado la forma de crear una estructura a partir de fibras de carbono, una estructura que sea resistente al bombardeo de los iones, que produzca una corriente de alta emisión, y que sea además tecnológica y asequible en la producción. Esta tecnología constituye nuestro know-how y nadie más en el mundo la tiene."
Al someter el carbono a un tratamiento especial, se forman muchas protuberancias sub-micrométricas (de menos de una millonésima de metro) en la punta del cátodo (figura 2). Esto implica la formación de un campo eléctrico ultra alto en la punta, que conduce los electrones hacia afuera, hacia el vacío.
El grupo de investigación del IFTM ha desarrollado también una fuente de alimentación compacta para su lámpara de cátodo luminiscente, capaz de suministrar suficientes kilovoltios para alcanzar la emisión de electrones de campo. La fuente se ubica alrededor de la bombilla de vidrio (figura 3) y prácticamente no influye en su tamaño.
El artículo informa sobre las pruebas de los prototipos y las características técnicas de la lámpara. Estos datos sugieren que, si se produce en serie, la nueva bombilla de cátodo luminiscente podría competir con las lámparas baratas basadas en diodos emisores de luz. La nueva bombilla ayudaría también en la eliminación de las peligrosas lámparas fluorescentes con contenido de mercurio, que aún se utilizan en muchos hogares.
"A diferencia de las bombillas LED, nuestra lámpara funciona perfectamente a temperaturas elevadas. Se puede usar en lugares donde los diodos se quemarían rápidamente, como en las lámparas de techo, donde la refrigeración es insuficiente", - añadió Dmitry Ozol, coautor de las investigaciones, del Departamento de electrónica de vacío del IFTM.
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