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. з’єднаннями 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. запам’я­товуючі 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. Комп’ютерна томографія. Метод пошар. діагностики в 40–50 разів чуттєвіший, а тому більш інформативніший, ніж рентґенографія. Комп’ютерна томографія краще фіксує різницю у щільності об’єкта. Вона дозволяє зменшити дозов. навантаження в десятки, і навіть сотні разів. У комп’ютер. 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 комп’ютерну томографію внутр. органів. Гамма-камера містить багатоканал. коліматор, кристал NaI:Tl з великою площею поверхні, світловод для оптич. зв’язку 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 з’єднань 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. Запам’ятовувал. екрани з лазер. зчитуванням. До запам’я­товувал. (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 запам’я­товувальних екранів з цифр. зчитуванням до­зволяє застосовувати комп’ю­терне оброб­лення даних. Найрозповсюдженішими в мед. діа­гностиці є фосфори BaFBr:Eu і CsBr:Eu, які дозволяють запам’я­тову­ва­­ти 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, чер­в’яків, 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.

Завантажити статтю