Правда ли, что катодолюминесцентные лампы заменят светодиодные?05.08.2022 18:33

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.

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.

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.

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.