Люмінофори

ЛЮМІНОФО́РИ (від лат. lumen — світло і …фор) — тверді та рідкі речовини, здатні до люмінесценції під дією збуджень різноманітного походже­н­ня. За хім. природою Л. поділяють на неорган. (більшість із них — кри­сталофосфори) й органічні. Їх використовують для пере­творе­н­ня різних видів енергії у світлову. Л. за­стосовують для люмінесцент. аналізу під час ви­значе­н­ня мікротріщин, у аеро­графії, у діагност. медицині, для виробництва електрон. компонентів, у ВПК, а також для маркува­н­ня, там, де необхідний ефект післясвіті­н­ня (фосфоре­сценції). Роз­маїтість люміне­сцент. параметрів Л. ви­значається фіз.-хім. параметрами базових матеріалів і активувал. домішок. Залежно від сфери за­стосува­н­ня ставляться ті чи ін. вимоги до властивостей Л.: типу та спектра збудже­н­ня (для фотолюмінофорів), спектра ви­промінюва­н­ня, ефективності (від­ноше­н­ня ви­проміненої енергії до по­глинутої), часовим характеристикам (тобто тривалості наро­ста­н­ня та затуха­н­ня світі­н­ня). Неорган. кри­сталофосфори мають кри­сталічну структуру. Вони є ді­електр. і напів­провід­ник. зʼ­єд­на­н­нями з шириною забороненої зони 1–12 еВ. Осо­бливістю світі­н­ня є механізм пере­творе­н­ня збуджуючої енергії у світло, інтенсивність, кінетика, а також зона збудже­н­ня світі­н­ня. Фіз. процеси, які ви­значають механізм пере­несе­н­ня збудже­н­ня до центрів люміне­сценції, залежать від енергії збуджуючих квантів. Неорган. Л. за типом збудже­н­ня поділяють на фото-, електро-, рентґено-, катодо-, радіолюмінофори. Залежно від типу збудже­н­ня вони мають широкий діапазон за­стосувань (мед. і аналіт. детектува­н­ня, флуоресцентне освітле­н­ня, катодні променеві трубки, телевіз. системи зображень, електрон­но-оптичні пере­творювачі іонізуючого ви­промінюва­н­ня та ін.). Фотолюмінофори — Л., які збуджуються світлом. Спосіб стимуляції фотолюмінесценції полягає у збуджен­ні світлом, яке варіюється для різних Л. у діапазоні від вакуум. ультрафіолету до інфрачервоної зони. Ширина смуги світі­н­ня Л. змінюється від тисяч Ǻ (напр., для галогенідів, легованих талієм) до одиниць Ǻ (для фосфорів, легованих рідкісноземел. іонами). Для фотолюмінофорів (ламп. фосфорів, плазм. панелей дис­плеїв тощо) найважливішим є по­єд­на­н­ня високого оптич. по­глина­н­ня з високою квант. ефективніс­тю ви­промінюва­н­ня. Від­повід­но до тривалості висвічува­н­ня Л. роз­діляють на флуо- та фосфоресціюючі. Флуоресценції від­повід­ають швидкі спін-до­зволені пере­ходи, а фосфоресценції — повільні спін-заборонені пере­ходи в іонах активувал. домішки. Післясвіті­н­ня Л. об­умовлюється тривалістю проміж. процесів, які від­буваються між актом по­глина­н­ня енергії та ви­промінюв. квант. пере­ходом. Найтриваліше й інтенсивне світі­н­ня ма­ють Л. на основі сульфідів лужноземел. металів (CaS, SrS), активованих Cu, Bi, Pb, рідкіс. землями та ін. Л. з тривалим пі­слясвіті­н­ням (фосфоресценцією) за­стосовують під час виготовле­н­ня фарб, які світяться, маркув. по­значень, аварій. освітле­н­ня тощо. Електролюмінофори — Л., які ви­промінюють світло при накладен­ні сильного знако­змін. електр. поля. Вони без­посередньо пере­творюють електр. енергію на світлову, споживаючи малу потужність, їм властивий великий термін служби. Ді­електриками слугують матеріали типу ZnS:Cu з високою концентрацією Cu. Для збільше­н­ня яскравості та зміни спектра матеріалу вводять спів­активатори: Mn, Ag, Pb, Sb, Ga, Al, Cl. Ви­промінювачами є порошк. або тонкоплівк. конденсатори, виконані на скляній про­зорій під­кладці. Такі конденсатори, які світяться, можуть мати різні роз­міри та конфігурації, що до­зволяє виготовляти знаки та літерні індикатори, від­ображати різноманітні схеми, карти, ситуації. Л. для детектува­н­ня радіації. Кри­сталофосфори — найкращі пере­творювачі іонізуючої радіації. Їх використовують як катодо- та рентґенолюмінофори, дозиметри, рентґенов. запамʼя­товуючі екрани. За допомогою електрон­но-оптич. пере­творювачів енергії, в яких осн. роль ві­ді­грають сцинтилятори, здійснюють спо­стереже­н­ня та реєстрацію траєкторії (слідів, треків) іонізуючих часток. Катодолюмінофори. Нині для малогабарит. при­строїв індикації за­стосовують низьковольтну катодолюмінесценцію — світі­н­ня Л. під дією електрон. променя. Катодолюмінофори використовують для виготовле­н­ня екранів електрон­но-променевих трубок, осцило­графів, кольор. кіне­скопів. Роз­роблено значну кількість Л. з різноманіт. спектрами світі­н­ня та тривалістю післясвіті­н­ня. Най­яскравіший Л. із синім світі­н­ням — ZnS:Ag (енергет. вихід катодолюмінесценції до 20 %). Для отрима­н­ня білих екранів його змішують з (Zn, Cd)S:Ag (з жовтим світі­н­ням). Існують також силікатні та вольфраматні Л. і деякі окисли. Рентґенолюмінофори. Пере­творювачі рентґенів. ви­промінюва­н­ня по­глинають рентґенів. промені та висвітлюють легко реєстровані кванти типу видимих фотонів. Для візуалізації ви­промінюва­н­ня використовують (Zn, Cd)S:Ag і CaWO₄. Вони створюють світі­н­ня в зоні макс. чут­тєвості ока та рентґенів. плівки. Такі Л. бувають у ви­гляді моно- і полікри­сталів, кераміки, скла і порошків. Вибір матеріалу залежить від специфіки за­стосува­н­ня. Компʼютерна томо­графія. Метод пошар. діагностики в 40–50 разів чут­тєвіший, а тому більш інформативніший, ніж рентґено­графія. Компʼютерна томо­графія краще фіксує різницю у щільності обʼєкта. Вона до­зволяє зменшити дозов. навантаже­н­ня в десятки, і навіть сотні разів. У компʼютер. томо­графії за­стосовують пере­важно ефек­тивні Л. з низьким післясвіті­н­ням CsI:Na, CsI:Tl, Bi₄Ge₃O₁₂ та Lu₂SiO₅:Ce. Сучасні гамма-камери забезпечують отрима­н­ня тривимір. інформації під час сканува­н­ня всього тіла пацієнта (скелета) та компʼютерну томо­графію внутр. органів. Гамма-камера містить багатока­нал. коліматор, кри­стал NaI:Tl з великою площею поверх­ні, світловод для оптич. звʼязку кри­стала з ФЕУ і блок аналог. електрон. при­строїв, які забезпечують ви­значе­н­ня координат і амплітуд сигналів. Позитрон­но-емісійна томо­графія — унікал. метод радіо­­ізотоп. діагностики, при якому зображе­н­ня отримують унаслідок ви­промінюва­н­ня позитронів — елементар. позитивно заряджених частинок, які випускає ізотоп. Сцинтилятори повин­ні мати не тільки високі енергет. і часові, але й високі простор. роз­різне­н­ня. Такі вимоги властиві монокри­сталам NaI:Tl, Bi₄Ge₃O₁₂, CdWO₄ і Lu₂SiO₅:Ce, а також кераміці Gd₂O₂S:Tb, Gd₂O₂S:Pr,Ce,F. Гол. пере­вага позитрон­но-емісій. томо­графії — можливість не лише отримувати зображе­н­ня внутр. органів, а й оцінювати їх функцію та виявляти хвороби на ран­ньому етапі. Особливий клас Л. пред­ставляють запасаючі (накопичувальні) фосфори. Носії заряду (електрони та дірки), які виникають в них під час опроміне­н­ня, захоплюються на глибоких пастках з утворе­н­ням центрів забарвле­н­ня. Під час на­гріва­н­ня або освітле­н­ня (терміч. або оптич. стимуляції) від­бувається вивільне­н­ня носіїв з на­ступ. ви­промінювал. рекомбінацією. Залежно від способу вивільне­н­ня накопичув. енергії роз­різняють термолюмінесцентні матеріали та фотостимулюв. кри­сталофосфори. Завдяки унікал. властивостям обидва типи зʼ­єд­нань широко за­стосовують у медицині, науці, техніці та приладах для контролю рівня радіац. за­бруднень довкі­л­ля. Л.-дозиметр повинен ефективно накопичувати енергію, мати низьку щільність, високу інтенсивність термолюмінесценції та до­статньо глибокі пастки. Для радіотерапії за­стосовують тканин­но-еквівалентні термолюмінесцентні LiF:Mg,Ti; LiF:Mg,Cu,P; LiB₄O₇:Mn; Al₂O₃:C. Для радіол. контролю довкіл­ля пере­важно використовують CaF₂:Dy, CaF₂:Mn; CaSO₄:Dy. Запамʼятовувал. екрани з лазер. зчитува­н­ням. До запамʼя­товувал. (запасаючих) фосфорів з лазер. зчитува­н­ням від­носяться матеріали, у яких під час опроміне­н­ня створюються центри забарвле­н­ня. Під час фотостимуляції таких центрів від­бувається їх пере­хід у збуджений стан з на­ступ. ви­промінювальною релаксацією (люмінесценцією). Викори­ста­н­ня запамʼя­товувальних екранів з цифр. зчитува­н­ням до­зволяє за­стосовувати компʼю­терне оброб­ле­н­ня даних. Найрозпо­всюдженішими в мед. діа­гностиці є фосфори BaFBr:Eu і CsBr:Eu, які до­зволяють запамʼя­тову­ва­­ти рентґенів. зображе­н­ня, а потім зчитувати його за допомогою He-Ne лазера. Завдяки високій чут­тєвості методу значно знижуються дози опроміне­н­ня пацієнтів. Особливим видом світі­н­ня, яке проявляється у результаті екзотерм. хім. процесів, є хемілюмінесценція. Це люміне­сценція тіл, спричинена хім. впливом (напр., світі­н­ня фосфора під час повіл. окисне­н­ня), або під час хім. реакції (напр., каталіт. реакції деяких ефірів щавелевої кислоти з пероксидом водню за наявності Л.). Хемілюмінесценцію, яка від­бувається в живих організмах (світі­н­ня комах, чер­вʼяків, риб), називають біо­люмінесценцією. Холодне світі­н­ня живих організмів виникає унаслідок біо­хім. реакцій. Найпоширеніша з них — окисне­н­ня в організмі киснем склад. речовини люциферіна та пере­дача енергії, яка при цьому утворилася, ін. речовині — люциферазі. Біо­люмінесценція об­умовлена хім. процесами, під час яких вільна енергія виділяється у форму світла. Органічні Л. (органолюмінофори), або люмогени, — складні речовини різноманіт. будови, яким властива яскрава люмінесценція під дією ультрафіолет. та видимого світла. За хім. складовою роз­різняють: аромат. вуглеводи або їх похідні, 5- і 6-член­ні гетероцикли та їх похідні, сполуки з карбонил. групами та комплекси металів з органіч. лігандами. Люмогени використовують як декор. фарби, для фарбува­н­ня пластмас і синтет. волокон, оптич. від­білюва­н­ня, візуалізації у люмінесцент. мікро­скопії. Під час від­білюва­н­ня тканин, паперу, натурал. і штуч. волокон та покрит­тів використовують похідні стильбену, кумарину, піразоліну, нафталіміду, бензоксазолу та ін. Органічні Л., які можуть випускати світло під дією радіо­актив. ви­промінювань, за­стосовують як сцинтилятори. Існують монокрис­талічні (антрацен, тетрацен, пірен, карбазол, арилзамін­ники етилена й оксазолу), рідкі (поліфенил. вуглеводні, 2,5-діарил­замін­ники окса­золу) та пластмас. орган. сцинтилятори. Багато органіч. Л. є актив. середо­вищами рідких лазерів.