Почему при люминесценции не требуется нагрева тел

Почему при люминесценции не требуется нагрева тел

Люминофоры

Многие современные часы умеют светиться в темноте, да еще и разными цветами. Как свет попадает в часы и как превращается в цвет – разберемся в данной статье.

Многие современные часы умеют светиться в темноте, да еще и разными цветами. Как свет попадает в часы и как превращается в цвет – разберемся в данной статье.

Никто не знает, когда человек впервые решил описать свет и зрение, но первые попытки датируются V веком до нашей эры. Тогда были высказаны идеи о том, что свет – следствие огня. Позже, в I веке до нашей эры, Тит Лукреций Кар озвучил предположение, что свет состоит из мельчайших частиц. В XVII-XVIII веках уже нашего времени были обнаружены волновые свойства света и шли споры об истинной его природе: волна он или частица? Были эксперименты, в которых свет вел себя как поток частиц, но были и другие опыты, где он вел себя подобно волнам. И лишь в XX веке, Луи де Бройль объединил волны и частицы для описания не только света, но и микромира вообще. Мы будем рассматривать свет как поток фотонов, где каждый фотон обладает собственной частотой – такой подход лучше всего отражает его двойственную природу.

Цвет света

Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение. Видимый человеческому глазу свет определяется частотой фотона. Глаз воспринимает частоты от 400 ТГц, что соответствует красному цвету, до 790 ТГц (фиолетовый). Остальные цвета находятся между ними. Чем больше частота — тем больше энергия фотона.

Получается, что человеческий глаз чем-то похож на радиоприемник, только он принимает «станции» в диапазоне 440-790 ТГц. Все окружающие нас предметы либо испускают свет определенной частоты, либо отражают его. Солнце, например, излучает белый свет, который попадая в атмосферу Земли, теряет часть синих и фиолетовых фотонов за счет рассеяния в атмосфере, и до поверхности он доходит уже слегка желтоватым. Растения активно поглощают красные и синие фотоны, «вычитая» их из светового потока, поэтому выглядят зелеными.

Дети огня

Поскольку каждый фотон несет определенную энергию, получается, что при свечении вещество эту самую энергию теряет – она уносится фотонами. Откуда же взять энергию для свечения? Из закона сохранения следует, что она не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда, поэтому ни одно вещество не может светиться само по себе.

Первыми источниками света, с которыми познакомился человек, были Солнце и огонь, поэтому логично будет в начале рассказать о самом распространенном способе получения света – нагреве вещества. Горение – сложный физико-химический процесс, при котором могут возникать свободные радикалы и молекулы в электронно-возбуждённых и колебательно-возбуждённых состояниях. Цвет пламени определяется тем, на каких частотах идут квантовые переходы, вносящие основной вклад в излучение в видимой области спектра. Обычная свеча дает красноватый свет, а дуга сварочного аппарата — синеватый. Именно из-за того, что горение является одним из основных источников света и сопряжено с выделением высоких температур, для описания света используют еще и температурную шкалу в градусах Кельвина, которая легко для восприятия может быть наложена на герцевую линейку (рис. 1). С увеличением температуры нагрева в излучении тела будет преобладать цвета все с более высокой энергией, а спектр смещаться от красного к желтому, зеленому, синему и фиолетовому.

Самым распространенным источником света сегодня является лампа накаливания. В ней электрический ток вызывает нагрев и свечение спирали. Температура плавления вольфрама, из которого делают спирали, около 3600К (3400 С), поэтому цветовой спектр этих ламп смещен в сторону красного и лежит в районе 2700 К. Несколько большую температуру можно получить в галогенных лампах, отличающихся от обычных особой атмосферой внутри колбы. Среди всех используемых ныне источников света лампы накаливания имеют самый низкий КПД: до 95% энергии расходуется на производство тепла.

Помимо нагрева спирали, для получения света можно использовать электрический разряд в газе. Цвет будет зависеть от того, какой именно газ закачан в трубку. В кислороде разряд будет выглядеть лиловым, в водороде — розовато-красным, в аргоне — фиолетово-голубым. Очень ярко светятся желтым цветом пары натрия, их используют в натриевых лампах ночного городского освещения.

Источником света может быть как сам электрический разряд, так и вторичное излучение. Смесь фосфора с другими элементами, называемая люминофором, способна излучать свет под действием потока заряженных частиц. В телевизоре лампа-пушка бомбардирует экран электронами, и мы видим изображение. Такой же люминофор нанесен на внутреннюю поверхность ламп дневного света. Когда через пары ртути, которыми заполнена лампа, проходит электрический разряд, люминофор начинает светиться под действием испускаемых газом частиц. Благодаря тому, что в люминесцентных лампах не происходит выделения ненужного тепла, их КПД в разы выше ламп накаливания.

Свечение может наблюдаться при некоторых химических реакциях в присутствии красителя. Такие принципы свечения используют некоторые растения и животные, например, светлячки. Биолюминисценция возникает в результате соединения внутриклеточного кислорода с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) и пигментом люциферином в присутствии фермента лоюциферазы. Свет, излучаемый светлячками — холодный. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5-10%, насекомые переводят в видимое излучение 87-98% выделяемой в процессе химической реакции энергии.

Существуют и более экзотические переходы энергии в свет. Например, сонолюминесценция – эффект свечения микроскопических пузырьков жидкости, вызванный мощным ультразвуковым импульсом. Хотя некоторые исследователи считают, что истинный источник энергии в этом случае – нагрев микроскопического объема жидкости в момент схлопывания пузырька, этот феномен относят к отдельному виду люминесценции.

Наши сбережения

Помимо уже описанной люминесценции излучение способно вызывать свет и с помощью других механизмов. К примеру, в ночных клубах часто можно наблюдать элементы интерьера, которые светятся в темноте. На самом деле они отражают свет специальных фиолетовых или ультрафиолетовых ламп. Человеческий глаз слабо чувствителен к такому излучению, поэтому кажется, что эти лампы едва-едва светятся, хотя их мощность на самом деле достаточно велика, и при таком освещении глаза сильно устают. Краска же на элементах интерьера поглощает ультрафиолет и испускает, например, зеленый. Поскольку глаз очень чувствителен к зеленому, то создается впечатление, что краска светится сама по себе. Свойство вещества излучать свет под действием внешнего излучения называется флуоресценция. При выключении внешнего источника флуоресценция прекращается.

В отличие от флуоресценции процесс фосфоресценции не прекращается после отключения активирующей подсветки, а продолжается некоторое время. Фосфоресценция — это самый распространенный эффект, используемый для подсветки циферблатов и стрелок. Основные вещества, используемые в люминофорах этого типа — сульфид цинка ZnS и алюминат стронция SrAl2O4. Их основное различие заключается в запасаемом количестве энергии. Люминофоры на основе алюмината стронция могут поглотить приблизительно в 10 раз больше энергии, чем сульфид цинковые, этим обуславливается их более длительное свечение. Для активации таких люминофоров нужно использовать ультрафиолетовые источники излучения. Свет от Солнца, ламп накаливания и энергосберегающих ламп содержит в себе ультрафиолетовую составляющую и хорошо «заряжает» люминофоры. А вот синим, зеленым или красным светом активировать люминофор не удастся, энергии этих фотонов будет недостаточно.

Фосфоресцирующие люминофоры относительно недороги, являются химически и биологически инертными – а значит, безопасными для человека. Единственный их недостаток — малое время послесвечения у сульфид-цинкового люминофора и длительное время активации для алюминат-стронциевого. На часовом рынке подобные составы известны под марками Luminova, Superluminova и Lumibright. Два последних состава, по сути, представляют собой одно и то же, с той разницей, что Superluminova является швейцарским аналогом разработанного ранее в Японии Lumibright. Основной проблемой всех подобных составов является относительно небольшое время послесвечения, которое удовлетворит нужды гражданских лиц, но вот военных, профессиональных дайверов или спелеологов – с трудом.

АЭС в миниатюре

Чтобы сделать свечение непрерывным, необходимо обеспечить люминофор источником энергии. Таким источником может быть электрический разряд, а может – радиоактивный состав. Введенная в состав люминофора радиоактивная примесь будет излучать поток частиц, а люминофор, поглощая их, – поток фотонов. Такие составы называют светомассой постоянного действия (СПД). СПД обладает одним, но существенным недостатком – радиоактивное излучение вредно для человека.

До 70-х годов 20 века в качестве активирующего элемента СПД использовался радий-226. Период полураспада радия-226 – около 1600 лет. При распаде ядро радия превращается в ядро радона и испускает альфа-частицу и фотон со сверхвысокой энергией — гамма-квант. Эти частицы и являются источником энергии для свечения люминофора. Радон — это тоже радиоактивный элемент, который в нормальных условиях существует в газообразной форме и при рождении внутри светомассы выходит в атмосферу, представляя собой еще одну опасность.

Радий вреден уже в количествах, используемых в часах, а в промышленном масштабе его опасность возрастает многократно. К примеру, на территории советского союза было всего два предприятия, наносивших метки с использованием радиоактивных составов — в Чистополе и Челябинске. Часовые и приборные циферблаты, стрелки и шкалы отправлялись туда, там окрашивались и поступали обратно на производство.

Человек, работающий с прибором, у которого шкала покрашена СПД, находится под действием потока гамма-частиц и, возможно, повышенного содержания радона в воздухе. Именно поэтому такие составы сегодня используют преимущественно в военной технике, самолетах и некоторых специальных приборах, время контакта с которыми ограничено. Но находятся и такие люди, которые во что бы то ни стало, хотят носить с собой «свой кусочек» радиации. Гражданские часы Panerai Radiomir были изготовлены с использованием упомянутого выше радия, который обеспечил им прекрасную считываемость в любых условиях и хороший спрос среди тех, кому это качество было необходимо.

В наше время радий вытеснен более безопасным тритием – радиоактивным изотопом водорода. Если радий генерирует гамма-частицы, — наиболее опасный вид излучения, — то тритий — альфа-частицы, поток электронов, которые по своей природе не способны навредить человеку. Но поскольку тритий в нормальных условиях находится в газообразной форме, то его нельзя просто добавить в люминофор. Состав приходится заключать в запаянные стеклянные колбы. Все это выглядит как лампа дневного света в миниатюре: в стеклянный цилиндр, на внутреннюю поверхность которого нанесен люминофор, закачан тритий.

При распаде ядро трития превращается в ядро гелия и испускает электрон, этот электрон и активирует люминофор. Энергия электрона примерно равна той, что обладает электрон в трубке старого монитора и не представляет опасности для окружающих. Элементы тритиевой подсветки могут нанести вред, если капсулу проглотить, предварительно разжевав. Но даже в таком экстравагантном случае опасность гораздо ниже, чем при попадании в организм, к примеру, радия. Период полураспада трития – более 12 лет. В грубом приближении это означает, что яркость тритиевой подсветки через 12 лет будет составлять 50% от изначальной, а через 24 года — 25%. Составы на основе радия работают значительно дольше и ярче, но и свечения на основе трития более чем достаточно для адекватной считываемости показаний часов в темноте. Наиболее известные часы с использованием трития – Luminox, менее известны в России марки Traser и Ball.

Здоровое питание

С появлением кварцевых калибров вперед шагнула как сама часовая индустрия, так и перспективы организации подсветки, ведь теперь часы получили источник энергии — батарейку. Существует много различных принципов преобразования электричества в свет, но основное соревнование производителей идет в плоскости энергоэффективности.

Использование в часах ламп накаливания невозможно из-за их размеров, температуры, а, главное – крайне низкого КПД. Но на заре кварцевых часов были разработаны модели с так называемым LED-индикатором – газоразрядными лампами, которые при нажатии на кнопку высвечивали текущее время. Первой такую модель на рынок предложила американская Pulsar, позже ставшая частью концерна Seiko.

Появление светодиодов позволило значительно снизить энергопотребление и увеличить эффективность освещения циферблатов. Их КПД значительно выше, чем у ламп накаливания, к тому же светодиоды позволяют получить любой оттенок. Однако и в этом случае потребление энергии осталось слишком высоким, к тому же светодиоды и лампы накаливания – точечные источники света и не позволяют равномерно залить циферблат. Для улучшения равномерности подсветки и уменьшения толщины часов светодиоды устанавливают в торце экрана и используют специальные подложки. Чем больше толщина подложки, тем более равномерным будет световое поле. Однако большая толщина экрана не всегда приемлема для часов, к тому же подложка поглощает часть света, что уменьшает общий КПД системы.

Самый тонкий дисплей можно получить, используя электролюминесцентную подсветку. Ее основой является тонкая пленка, расположенная под циферблатом. Внутри пленки находится люминофор, способный излучать свет под влиянием проходящего через пленку тока. Такая подсветка тонкая и может генерировать различные цвета, но и она обладает недостатками. Во-первых, время жизни электролюминофора ограничено и со временем такая система будет терять яркость. Средний срок ее службы до потери половины яркости зависит от выбранной мощности и составляет 3-5 тысяч часов. В отличие от радиоактивных подсветок, электролюминесцентная работает только при нажатии кнопки, поэтому степень ее деградации будет зависеть от частоты использования. Во-вторых, этот тип подсветки требует высокого напряжения, для получения которого в часы встраивают миниатюрный преобразователь. Он хоть и незначительно, но увеличивает габариты часов и является дополнительным устройством, не отличающимся надежностью.

Наиболее «раскрученными» на рынке часами с электролюминесцентной подсветкой являются Timex. В начале 90-х компания разработала уникальную мягкую сине-зеленую подсветку Indiglo, которая обеспечивает больший контраст между цифровыми обозначениями и фоном циферблата. Совсем недавно компания обнародовала новость о разработке нового типа подсветки с еще более высокой контрастностью.

Многие производители часов превращают технологию подсветки в уникальное торговое предложение, двигая прогресс вперед, увеличивая яркость, контрастность, срок службы и уменьшая вредное воздействие часов на человека. Возможно, уже совсем скоро мы узнаем о новых технологиях, которые, обязательно превзойдут современные и станут новым витком в развитии часовой индустрии.

Автор: Андрей Ивлев
При перепечатке активная ссылка обязательна

105 [Catalogue_ID] => 1 [Parent_Sub_ID] => 0 [Subdivision_Name] => Статьи [Template_ID] => 23 [ExternalURL] => [EnglishName] => articles [LastUpdated] => 2024-04-04 13:28:06 [Created] => 2016-09-26 11:34:35 [LastModified] => 2024-04-04 13:28:06 [LastModifiedType] => 1 [Hidden_URL] => /articles/ [Read_Access_ID] => 1 [Write_Access_ID] => 3 [Priority] => 3 [Checked] => 1 [Edit_Access_ID] => 3 [Checked_Access_ID] => 3 [Delete_Access_ID] => 3 [Subscribe_Access_ID] => 0 [Moderation_ID] => 1 [Favorite] => 0 [TemplateSettings] => [UseMultiSubClass] => 1 [UseEditDesignTemplate] => 0 [DisallowIndexing] => 0 [Description] => [Keywords] => [Title] => [ncH1] => [ncImage] => [ncIcon] => [ncSMO_Title] => [ncSMO_Description] => [ncSMO_Image] => [Language] => ru [DisplayType] => inherit [LabelColor] => purple [Cache_Access_ID] => 0 [Cache_Lifetime] => 0 [Comment_Rule_ID] => 0 [SitemapPriority] => 0.5 [SitemapChangefreq] => daily [IncludeInSitemap] => 1 [img] => [Pic] => [AlterTitle] => [MainMenu] => 1 [SubMenu] => 0 [SectionText] => [MainArea_Mixin_Settings] => [ncDisallowMoveAndDelete] => 0 [_nc_final] => 1 [img_name] => [img_url] => [img_preview_url] => [img_size] => [img_type] => [img_download] => [img_fs_type] => [Pic_name] => [Pic_url] => [Pic_preview_url] => [Pic_size] => [Pic_type] => [Pic_download] => [Pic_fs_type] => [ncIcon_name] => [ncIcon_url] => [ncIcon_preview_url] => [ncIcon_size] => [ncIcon_type] => [ncIcon_download] => [ncIcon_fs_type] => [ncImage_name] => [ncImage_url] => [ncImage_preview_url] => [ncImage_size] => [ncImage_type] => [ncImage_download] => [ncImage_fs_type] => [ncSMO_Image_name] => [ncSMO_Image_url] => [ncSMO_Image_preview_url] => [ncSMO_Image_size] => [ncSMO_Image_type] => [ncSMO_Image_download] => [ncSMO_Image_fs_type] => [_db_inherit_Template_ID] => 22 [_db_inherit_Read_Access_ID] => 1 [_db_inherit_Write_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Edit_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Checked_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Delete_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Moderation_ID] => 1 [_db_inherit_LastModifiedType] => 1 [_db_inherit_SitemapPriority] => 0.5 [_db_inherit_Language] => ru [_db_inherit_IncludeInSitemap] => 1 [_db_inherit_SitemapChangefreq] => daily [_db_inherit_DisallowIndexing] => 0 ) —>

2.2.1. Виды генерации оптического излучения

Прежде чем перейти к изучению отдельных оптоэлектронных приборов, рассмотрим физические явления, приводящие к генерации некогерентного оптического излучения.

Генерация оптиче­ского излучения осуществляется либо с помощью нагрева (тепловое излучение), либо в результате одного из видов люминесценции (лю­минесцентное излучение). Спектральная характеристика энергетической светимости различных тел, нагретых до некоторой температуры, описывается формулой Планка:

где f – cпектральная характеристика энергетической светимости тела, Вт/см 2 ; – длина волны излучения, мкм; Т – температура, К; h – по­стоянная Планка; – скорость света в вакууме; k – постоянная Больцмана.

Кривые при Т = 6000 и 300 К (рис. 2.2) характеризуют соответственно излу­чение Солнца и человека. При достаточно высоких температурах (Т > 2500 К) часть спектра теплово­го излучения приходится на види­мую область. При этом, однако, всегда значителен длинноволновый «хвост». Для то­чек максимумов теплового излу­чения (соединены штриховой ли­нией) справедливо:

Тепловое оптическое излучение слабонагретых тел, например тела человека, могут регистрировать специальные приборы – тепловизоры и инфракрасные приборы ночного видения.

Миниатюрные лампочки нака­ливания используют тепловое излу­чение вольфрмовой нити нака­ливания, нагретой электрическим током до 2100 – 2300 К. Излучающая нить заключена в стеклянный вакуумируемый баллон. Такой излучатель имеет сплошной, очень широкий спектр, низкий кохэффициент полезного действия (КПД), высокую инерционность и полное отсутствие на­правленности излучения, Другие недостатки – невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная дол­говечность, большие габариты, несовместимость с интегральной тех­нологией – в сумме с уже указанными привели к тому, что излучатели на основе теплового излучения нашли ограниченное применение в оптоэлектронике.

Основой современных излучателей является люминесцентное излу­чение и, соответственно, люминесцирующие вещества.

Люминесценция как физическое явление известна до­статочно давно, свыше 50 лет. Примером природной лю­минесценции является свечение светлячков, сырой древеси­ны и т.п. В настоящее время под люминесценцией обычно понимают электромагнитное нетепловое

излучение, обла­дающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Таким образом, в определении под­черкивается тот факт, что в отличие от свечения накален­ных тел для люминесценции не требуется нагревания тела, хотя, конечно, подведение энергии в том или ином виде необходимо. Кроме того, в отличие от рассеяния све­та люминесценция продолжается некоторое время после отключения возбуждающей энергии.

Люминесценция, которая продолжается время, большее пример­но 10 -8 с после окончания возбуждения, называется фосфоресценцией; если время люминесценции меньше 10 -8 с, то это флюоресценция. Иначе говоря, поглощенная люминесцирующим телом энергия на некото­рое время задерживается в нем, а затем частично превра­щается в оптическое излучение, частично – в теплоту.

В зависимости от вида энергии, возбуждающей люми­несценцию, различают фото-, электро- и другие виды лю­минесценции. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронике используется в основном люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Рассмотрим простейший механизм люминесценции – фотолюминесценцию, которая возникает под действием излучения.

Квант возбуждающего излучения (рис. 2.3) поглощается центром люминесценции (переход 1) или кри
сталлической решеткой основного веще­ства (переход 2). При этом говорят, что полупроводник запасает «светосумму», т.е. в нем появляется некоторое количество разделенных зарядов, которые при рекомбина­ции могут дать соответствующее число фотонов. Рекомби­нация происходит в местах нарушения правильной кри­сталлической решетки – атомах примеси, пустых узлах решетки и т.п., которые называются центрами рекомбина­ции. В люминесцирующих полупроводниках центры реком­бинации делят на центры излучения и центры гашения. Центры излучения способны превращать в излучение выде­ляющуюся при рекомбинации энергию (переходы 3 и 5). На центрах гашения энергия рекомбинации превращается обычно в теплоту, т.е. теряется для люминесценции (переход 4).

Таким образом, люминесценция включает в себя два основных этапа. На первом из них под воздейст­вием возбуждающей энергии происходит генерация носите­лей и полупроводник запасает «светосумму». Именно этот этап – этап разделения носителей – определяет тип люми­несценции. На втором этапе – этапе рекомбинации – полупроводник отдает запасенную «светосумму». Этот этап является общим для всех видов люминесценции.

Таким образом, на примере фотолюминесценции видно, что для того чтобы полупроводник получил некоторую «светосумму», необходимо вывести атомы полупроводника из термодинамического равновесия, т.е. возбудить. При фотолюминесценции переход полупроводника в возбужден­ное состояние происходит с помощью освещения.

На втором этапе люминесценции, когда полупроводник отдает запасенную «светосумму», излучение квантов про­исходит в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень либо непосредственно, либо через рекомбинационную ловушку.

1. Люминесценция как физическое явление. Виды люминесценции. Применение.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Длительность лю­минесцентного свечения значительно превышает период колебаний световой электромагнитной волны. Вещества, способные генерировать свечение люминесценции («холодный свет»), называют люминофорами. Свечение люминофоров возникает без наг­рева, длительность отличает люминесценцию от других видов хо­лодного излучения (отражение и рассеяние света, свечение Вавилова-Черенкова и др.)

В техническом применении люминесценцию разделяют на два типа: фосфорес­ценцию и флуоресценцию.

Первый вид представляет собой длительное «послесвечение», второй – свечение непосредственно при возбуждении. Резкой гра­ницы между ними нет; так, экран телевизора ярко светится при воз­действии на него электронного луча (флуоресценция) и слабо све­рится еще некоторое время после выключения телевизора (фосфо­ресценция); в абсолютной темноте человеческий глаз способен заметить фосфоресценцию «телевизионного» люминофора через нес­колько часов после выключения.

В физике виды люминесценции различают по способу возбуж­дения люминофора, то есть того вещества, которое мы хотим заставить светиться.

Катодолюминесценция: люминофор возбуждается под действием ударов электронов, сформированных в пучок. Используется она в осциллографических и радиолокационных трубках. Под воздействием управляемого электронного луча светятся экраны наших телевизоров и компьютерных мониторов. Эти же люминофоры реагируют на воздействие «бета-излучение», то есть на электроны, испускаемые радиоактивными веществами при бета-распаде ядер. Люминофоры, чувствительные к электронным ударам, обычно светятся также и под действием альфа-частиц. Следовательно, явление катодолюминесценции может использоваться в технических устройствах для обнаружения ядерных излучений (радиолюминесценция).

Рентгенолюминесценция и Радиолюминесценция. Уже сравнительно давно выпускаются не требующие внешнего питания автономные люминесцентные светильники. Они сделаны в виде запаянных отрезков стеклянных трубок, внутренняя поверхность которых покрыта радиолюминофором , а сама трубка заполнена радиоактивным изотопом водорода – тритием. Тритий испускает электроны с энергией примерно в 5000 электронвольт, которые очень быстро поглощаются воздухом. Поэтому тритиевые светознаки относительно безопасны (пока не нарушена герметичность трубки), а служить могут свыше 10 лет.

Фотолюминесценция. В данном случае люминофор возбуждается:

а) видимым (дневным) светом (наблюдается самостоятельное длительное послесвечение в условиях отсутствия любого излучения, т.е. в условиях темноты),

б) ультрафиолетовым (УФ) светом (флуоресценция – постоянное свечение в видимом диапазоне наблюдается, пока действует источник ультрафиолетового света),

в) инфракрасным (ИК) излучением (фотолюминесцентное свечение в видимом диапазоне наблюдается пока действует источник инфракрасного излучения — например светодиода от дистанционного телевизионного пульта). Одно из технических применений этого эффекта известно всем – это люминесцентные лампы дневного света. Фотолюминесценция при ИК-излучении составляет физическую основу приборов ночного видения, систем для защиты ценных бумаг, а также индикаторов ИК, УФ и рентгеновского излучения.

Электролюминесценция: люминофор возбуждается под дей­ствием постоянного и переменного электрического поля (электролюминесцентные конденсаторы и панели, индикаторы электрическо­го поля). Очень близко по физической сути к явлению электролю­минесценции примыкает излучение светодиодов, так называемая инжекционная электролюминесценция. Светодиоды — полупроводни­ковые точечные источники света, используемые в цифровых инди­каторах и устройствах для воспроизведения изображения. Они дают довольно яркое свечение в красной и зеленой областях спектра.

Другие. Существует еще целый ряд специфических видов люминесценции: хеми-трибо-кандо (пламя), ионо, термолюминесценция. Их физическая сущность ясна из названий. Не опи­сывая их подробно (это сделано в «Физико-энциклопедическом словаре» и подробно – в «Физической энциклопедии»), отметим лишь, что многие виды люминесценции уси­ливаются при воздействии электрического поля.

Во многих слу­чаях интенсивность люминесценции повышается при применении комбинированных способов возбуждения, как, например, в слу­чае радиотермолюминесценции и электролюминесценции. А инфракрасное излучение (ИК) в момент светоотдачи фотолюминофоров способно значительно повысить затухание их послесвечения.

Биолюминесценция получила свое название не по виду возбуждения, а по самим светящимся объектам. Биолюминесценция – это свечение биологических объектов: светляч­ков, растений и т.д.. Во многих случаях это свечение бактерий. Некоторые типы бактерий светятся за счет хемилюминесценции (в результате естественных процессов окисления); отдельные классы обладают своего рода фотолюминесценцией, при­чем каждый класс характеризуется собственным спектром излуча­емого света, по которому их можно определить.

На этом свой­стве основаны, например, способ и устройство для обнаружения бактерий в атмосфере при облучении ультрафиолетовым светом.

Очень характерно также для практических приложений биолюминесценции изобретение по а.с. № 559695 «Способ диагностики инфекционного гепатита путем исследования сыворотки крови, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени исследования, сыворотку крови облучают светом с длиной вол­н 306-315 нм (УФ-диапазон), и регистрируют люминесценцию в области длин волн 320-600 нм (видимый диапазон), и по положению длинноволнового максимума в интервале 485-605 нм устанавливают наличие патологии» (БИ, 1977, № 20). Очевидно, при патологических изменениях в сыворотке крови образуются какие-то микробы (вирусы), излучающие свет с определенной длиной волны; этот факт и использован для и экспресс-анализа.

В технике и лакокрасочной промышленности в основном применяются синтетические (неорганические) люминофоры – синтезированные лабораторным путем вещества, свойства которых наиболее удовлетворяют каким-либо техничес­ким функциям.

Например, для синтеза некоторых видов фотолюминофоров применяются галофосфаты, активированные сурьмой и марганцем . Атомы этих элементов, внедренные в кристаллическую решетку галофосфатов, образуют так называемые люминесцентные центры. Поглощение и излучение энергии, то есть возбуждение и последующее высвечивание связаны с электронными переходами в пределах люминесцентного центра. Соответственно, изменение цвета свечения таких характеристических люмино­форов можно получить, варьируя вид и количество активатора.

Поскольку при возбуждении люминесценции электронами, рентгеновским излучением, альфа-излучением энергия в основном поглощается кристаллической решеткой, то для соот­ветствующих устройств синтезируются такие люминофоры, кристал­лическая решетка которых обладает свойством передавать погло­щенную энергию к люминесцентному центру (рекомбинационные люминофоры). Как правило, в качестве таких люминофоров использу­ются халькогениды металлов второй группы менделеевской табли­цы (халькогениды – химические соединения, имеющие в составе молекулы атомы серы, селена или теллура).

Например, основу телевизионных лю­минофоров составляют соединения типа сернистого кадмия и сернистого цинка с соответствующими добавками . Этот же тип люминофоров используется и в электролюминесцентных панелях. Цинкосульфидные люминофоры, активированные кобальтом и медью , обла­дают длительным послесвечением (фосфоресценцией), применяются они в различных сигнальных устройствах, указателях, на шкалах приборов и на экранах запоминающих трубок. В светодиодах в основном используются фосфид и арсенид галлия, активированные селеном, теллуром, цинком, кадмием и др.

Особый класс образуют цинкосульфидные и цинк-кадмий-сульфидные люминофоры, активированные серебром . Эти люминофоры в сме­си с прозрачными лаками служат основой люминесцентных самосве­тящихся красок, в последнее время они почти целиком вытеснили недостаточно устойчивые флуоресцентные органические красители типа родамина.

Весьма важны для практических целей антистоксовские лю­минофоры , состоящие из фторидов и окси-хлоридов редкоземельных элементов, активированных ионами эрбия и иттербия. Эти люминофо­ры способны преобразовывать невидимое глазом инфракрасное излучение в видимое разных цветов, например, в зе­леное, красное, голубое и даже близкое ультрафиолетовое излуче­ние. При большой плотности инфракрасного излучения энергети­ческая эффективность преобразования может достигать 90%. Антистоксовские люминофоры составляют основу устройств, предназначенных для визуали­зации инфракрасного излучения, в том числе для визуализации излучения лазеров, работающих в ближней инфракрасной области.

Конечно, запомнить все классы люминофоров вместе с их характерными функциями практически невозможно. Но для этого есть справочники. При анализе задачи важно сформулировать идеальную функцию.

На основании вышеизложенного можно выделить три основных направления практического использования явления люминесценции и люминофоров различного вида.

1. Люминесцентные источники света (например люминесцентные лампы, светодиоды).

2. Индикация различного рода излучений (жидкокристаллические экраны и кинескопы, регистрирующие экраны и т.д.).

3. Использование люминесцирующих добавок для обнаружения различного рода неоднородностей, прежде всего, дефектов типа утечек, методы неразрушающего контроля в металлургии и т.п.

4. Изготовление фотолюминесцентных элементов безопасности (ФЭС).

5. Производство фотолюминесцентных декоративных красящих составов и композиций.

Рассмотрим задачу. Требуется контролировать герметичность сварных изделий. Для определенности допустим, что речь идет о сварке баков, в которых потом будет находиться горячий ядовитый газ. Такие емкости широко применяются в современной химической технологии. Существует множество способов проверки качества швов. Как правило, все они связаны с опрессовкой готовых изде­лий и тем или иным способом визуализации имеющихся дефектов сварки.

Не разбирая их подробно, введем ограничение: контроль герметичности нужен непосредственно в процессе сварки. Достоинства такого способа очевидны, поскольку дефект может быть исправлен сразу же по ходу сварки. Будем считать, что нам уже известна сущность изобретения по а.с. № 277805г. «Способ обнаружения неплотностей в холодиль­ных агрегатах, заполненных фреоном и маслом, преимущественно домашних холодильниках, отличающийся тем, что, с целью повыше­ния точности определения мест утечек, в агрегат вместе с мас­лом вводят УФ-люминофор (флуоресцент), освещают агрегат в полузатененном помещении ультрафиолетовыми лучами и определяют место утечек по свечению люминофора в просачивающемся через неплотности масле» (БИ, 1970, № 25).

Изобретение довольно старое и хорошо известное. Попробуем перенести его идею на решение разбираемой задачи. Технические трудности очевидны: шов еще целиком не заварен, поэтому ни о какой опрессовке и речи быть не может.

Контрольный ответ по этой задаче: а.с. № 331271 «Спо­соб контроля герметичности сварных изделий с помощью люмино­фора, при котором на изделие направляют ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению люминофора, отличающихся тем, что с целью повышения производительности путем осуществле­ния контроля непосредственно в процессе сварки, люминофорную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых дета­лей перед сваркой, а в качестве источника ультрафиолетовых лучей используют сварочную дугу».

Идея люминесцирующих добавок позволила улучшить и тра­диционные виды дефектоскопии.

Так, известен способ определения повреждений поверхности (в виде микротрещин) при помощи флу­оресцентного магнитного порошка; порошок концентрируется около краев трещины и после облучения ультрафиолетовым излучением «высвечивает» местонахождение трещины. Та же идея лежит в основе изобретения способа неразрушающего обнаружения дефектов и трещин на поверхности образца путем выявления агломератов частиц, состоящих из органического флуоресцирующего вещества и магнитного порошка.

В заключение этого раздела приведем несколько примеров, иллюстрирующих техническое применение различных видов люми­несценции.

Радиационный дозиметр , который содержит порошок из мате­риала, обладающего термолюминесцентными свойствами, укреплен­ный на основании из графита или другого материала, способного нагреваться (т.е. поглощать энергию) под действием излучения в диапазоне радиочастот.

В а.с. № 459802 предлагается запоминающий элемент , обеспечивающий оптическое считывание ин­формации. Элемент состоит из слоев проводника (электрода), полупроводника, диэлектрика с остаточной поляризацией (электрета) и слоя электролюминофора, покрытого вторым полупрозрачным электродом. Электрический сигнал, приходящий на элемент, вызывает изменение в полупроводнике, которые, в свою очередь, изменяют поляризацию в диэлектрике. Соответствующие изменения электрического поля визуализируются люминофором.

Интересно также а.с.№636513 « Способ определения интен­сивности собственного свечения воздуха, обусловленного хемилюминесценцией веществ, входящих в его состав, отличающийся тем, что, с целью определения токсичности загрязненного воз­духа, регистрируют спектр свечения в области, где хемилюминесценция обуславливается токсичными веществами, входящими в его состав» (БИ, 1978, № 45).

Эффект электролюминесценции как эффект индикации напряженнос­ти переменного электрического поля использован при разработке принципиально новой конструкции вольтметра для измерения высоких напряжений. Сильная зависимость яркости свечения электролюминофоров (сульфид цинка, активированный медью) от приложенного напряже­ния обеспечивает весьма высокую чувствительность прибора, а ста­бильность характеристик люминофора – рекордную точность измерения (около 0,1 %) даже на верхних пределах измерения.

Люминесцентные лампы. Устройство и принцип работы.

Люминесценция — излучение, которое не требует нагрева тел и может возникать в газообразных, жидких и твердых телах под действием, например, ударов электронов, движущихся со скоростями, достаточными для возбуждения.

Люминофоры — твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбудителей.

В люминесцентных и ряде других типов газоразрядных ламп используют фотолюминесценцию — оптическое излучение, возникающее в результате поглощения телами оптического излучения, но с другой длиной волны.

Электрические лампы, в которых электроэнергия превращается в световую непосредственно, независимо от теплового состояния вещества, за счет люминесценции, называются люминесцентными.

В зависимости от давления газа в лампе бывают люминесцентные лампы низкого давления (ЛНД) и высокого давления.

Люминесцентные лампы — это газоразрядные лампы низкого давления, в которых возникающее в результате газового разряда невидимое для человеческого глаза ультрафиолетовое излучение преобразуется люминофорным покрытием в видимый свет (принцип работы люминесцентной лампы).

Устройство люминесцентных ламп.

Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную герметически закрытую трубку, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора. Из трубки удален воздух и в нее введены небольшое количество газа (аргона) и дозированная капля ртути.

Внутри трубки на ее концах, в стеклянных ножках, укреплены биспиральные электроды из вольфрама, соединенные с двухштырьковыми цоколями, служащими для присоединения лампы к электрической сети посредством специальных патронов. При подаче электрического тока к лампе между электродами возникает электрический разряд в парах ртути, в результате электролюминесценции паров лампа излучает свет.

И если раньше люминесцентные лампы выглядели в основном как длинные белые трубочки различной длины, то теперь повсеместно встречаются люминесцентные лампы с обычными цоколями для использования в стандартных светильниках и люстрах. Это так называемые энергосберегающие лампы, приобретающие все более широкое использование наряду с галогенными лампами и светодиодными светильниками.

Достоинства и преимущества люминесцентных ламп.

Основным преимуществом люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются:

• более высокий коэффициент полезного действия (15 — 20%);
• высокая световая отдача и в несколько раз больший срок службы ламп (при затрате той же мощности достигается значительно большая освещенность по сравнению с лампами накаливания);
• правильный выбор ламп по цветности может создать освещение, близкое к естественному;
• благоприятные спектры излучения, обеспечивающие высокое качество цветопередачи;
• люминесцентные лампы значительно менее чувствительны к повышениям напряжения, поэтому их экономично применять на лестничных клетках и в помещениях, освещаемых ночью, когда в сети напряжение повышено (очень чувствительные к повышениям напряжения лампы накаливания быстро перегорают);
• малая себестоимость;
• низкая яркость поверхности и ее низкая температура (до 50 °С).

Принцип действия люминесцентных ламп.

Принцип действия люминесцентной лампы низкого давления основан на дуговом разряде в парах ртути низкого давления. Получающееся при этом ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое в слое люминофора, покрывающего внутренние стенки лампы. Лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие по два электрода, между которыми находится катод в виде спирали.

В трубку лампы введены пары ртути и инертный газ, главным образом аргон. Назначением инертных газов является обеспечение надежного загорания лампы и уменьшение распыления катодов. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой люминофора.

Если к электродам, вставленным в концы стеклянной трубки, которая заполнена разряженным инертным газом или парами металла, приложить напряжение из расчета не менее 500 — 2000в на 1 м длины трубки, то свободные электроны в полости трубки начинают лететь в сторону электрода с положительным зарядом. Когда к электродам приложено переменное напряжение, направление движения электронов изменяется с частотой приложенного напряжения. В своем движении электроны встречаются с нейтральными атомами газа, заполнителя полости трубки, и ионизируют их, выбивая электроны с верхней орбиты в пространство. Возбужденные таким образом атомы, вновь сталкиваясь с электронами, снова превращаются в нейтральные атомы. Это обратное превращение сопровождается излучением кванта световой энергии.