Катодолюминесцентные лампы нового типа придут на смену светодиодным

[VAOZ]

В 2019 году ученые из МФТИ объявили о желании запустить в промышленное производство лампы нового типа, которые могут составить конкуренцию светодиодам и стать безопасной альтернативой ртутным лампам.

Энергосберегающие, дешевые, устойчивые к нагреванию, экологически безопасные и практически вечные – катодолюминесцентные лампы, созданные физиками из МФТИ и ФИАН, кажется, всем хороши. На совершенствование конструкции ушло три десятилетия, сейчас уникальная технология производства катодов масштабируется, и уже в ближайшие годы «лампы Шешина» могут появиться на полках магазинов. Если российские производители вовремя оценят разработку, «лампы Шешина» могут прийти на смену светодиодам и заменить ультрафиолетовые ртутные лампы в медицинской технике. Спрос на энергоэффективные источники освещения в мире растет, и у России есть все шансы стать лидером рынка.

Матчасть

В «лампе Шешина» (по фамилии заместителя заведующего кафедрой вакуумной электроники МФТИ) свет дает люминофор, которым покрыта внутренняя сторона вакуумной колбы; свечение люминофора вызывает поток электронов с катода в цоколе.

Немного теории: чтобы превратить тело в источник электронов, нужно заставить электроны покинуть это тело. Сделать это можно, сообщив телу энергию – повысив температуру (термоэмиссия) или облучив материал (фотоэмиссия). В катодно-лучевых трубках старых телевизоров электронный поток возникал в результате термоэмиссии, поэтому экрану требовалось время на разогрев. Однако получить поток электронов можно без затрат энергии на нагрев катода; для этого нужно воспользоваться чудесами квантовой механики.

Электроны – объекты квантового мира и могут вести себя странно, к примеру перемещаться в пространстве без затрат энергии. Это явление называется туннельным эффектом и давно используется в полупроводниковых светодиодах. Правда, чтобы построить такой «туннель» для электронов, мощность поля должна быть очень большой.

Форма и функция

Уменьшить необходимую для туннелирования мощность поля можно, меняя геометрию материала. Катод «лампы Шешина» представляет собой набор углеродных волокон, усаженных тонкими (7 микрон) иголочками; такая форма позволяет получать поток электронов в слабом поле, для создания которого достаточно совсем небольшого напряжения. Поэтому катоднолюминесцентная лампа экономно расходует электроэнергию – так же, как сравнимые по яркости светодиоды. Нужную форму катоду придают по разработанной в МФТИ технологии. Она – главное ноу-хау, отличающее прототипы, собранные в МФТИ, от других подобных проектов.

Попытку сделать КЛЛ предприняла несколько лет назад частная американская компания; материалом катода в этом проекте служили углеродные нанотрубки, оказавшиеся не самым удачным решением из-за быстрого выгорания. Тонкие иголки из углеволокна не разрушаются в процессе работы и, по словам Шешина, будут работать «пока вам не надоест». Его слова подтверждают прототипы, которые хранятся в лаборатории вакуумной электроники; некоторые из них светят с конца восьмидесятых и не думают гаснуть.

Химия и жизнь

Диапазон КЛЛ зависит от состава люминофора; уже разработаны формулы, дающие цвет в разных частях видимого спектра (красном, синем, желтом, белом), в рентгене и ультрафиолете. Некоторые составы известны давно, другие изобретают заново: так, для получения УФ-лучей в МФТИ экспериментируют с люминофорами с содержанием лантана. Усовершенствовать технологию получения УФ-излучения особенно важно: сегодня главные источники жесткого ультрафиолета – это ртутные лампы, но в действие скоро вступит Минаматская конвенция, запрещающая производство и оборот бытовых приборов, содержащих ртуть. Россия подписала этот документ, поэтому со следующего года все ртутные УФ-светильники в стране окажутся вне закона. В катодолюминесцентных лампах ядовитой ртути нет, и утилизировать их можно с бытовыми отходами, поэтому они могут оказаться единственной безопасной альтернативой для медицины, промышленности и сельского хозяйства – отраслей, которые сегодня зависят от производителей ртутных светильников.