Перевести эту страницу:
Что такое люминесценция?
Современная физика указывает на двойственную природу света: корпускулярную и волновую. Корпускулярная теория утверждает, что свет излучается порциями, так называемыми световыми квантами или фотонами. Содержащаяся в фотонах энергия отражается в длинах их волн - расстоянии между долиной и гребнем волны. Короткая длина волны соответствует высокому содержанию энергии, большая длина волны - низкому содержанию энергии.
- Фотон беспрепятственно проходит сквозь материю в неизменном направлении. (пропускание света, напр.: свет падает на стекло)
- Фотон сталкивается с атомом и отбрасывается им с той же энергией в другом направлении. (отражение, напр.: свет падает на зеркало)
- Фотон поглощается материей. Энергия фотона передается при этом материи и приводит к повышению энергии. Это может проявляться в виде нагрева и/или электрического возбуждения материи.
Под люминсценцией понимается излучение фотонов (свет), генерируемое при возврате электронов с более высокого на более низкий энергетический уровень.
- электрического тока (электролюминесценция) напр. при светодиодах: перехода из валентной зоны в зону проводимости
- бомбардировки электронами (катодолюминесценция) напр. электронно-лучевые трубки
- свет, т.е. бомбардировка фотонами (фотолюминесценция)
О флуоресценции говорят, если излучение фотонов возбужденным материалом прекращается сразу же или в пределах нескольких наносекунд по окончании возбуждения. В отличие от этого, фосфоресценцией считается, если продолжительность излучения света выходит за пределы диапазона наносекунд и может достигать миллисекундного и даже секундного диапазона.
Приток тепла (Термолюминесценция)
Что такое „Стоксов сдвиг“?
Когда электромагнитное излучение (свет от ультрафиолетового до инфракрасного) падает на предмет, часть света поглощается. Большая часть поглощенного света преобразуется при этом в тепло (черная поверхность поглощает напр. больше света, чем белая и будет при облучении светом соответственно теплее).
Свет при этом поглощается большей частью молекулами. Благодаря этой дополнительной энергии молекулы переходят в возбужденное состояние и начинают двигаться быстрее, что приводит к повышению температуры.
У некоторых материалов (напр. у так называемых „редкоземельных элементов“) энергия света (фотонов) используется для того, чтобы перевести электроны, находящиеся на энергетически низкой, но стабильной орбите (внутренняя электронная орбита) вокруг атомного ядра, на энергетически более высокую, но нестабильную орбиту (внешняя электронная орбита)..
.jpg)
Там электроны остаются короткое время, пока они, пройдя через промежуточные орбиты, снова не вернутся в свое стабильное исходное состояние. Энергия высвобождается при этом в виде электромагнитного излучения (фотоны = свет) или, в случае кристалла (как у редкоземельных элементов), передается на него в виде так называемых фононов (квант энергии колебаний кристаллической решетки), в кристалле возбуждаются при этом еще более сильные колебания. Генерированные при этом фотоны (вторичные фотоны) обладают меньшей энергией, чем использованные для возбуждения фотоны (первичные фотоны).
Фотоны (первичные фотоны), обладающие повышенной энергией (то есть свет с более короткой длиной волны) используются для того, чтобы заставить предмет „светиться“. Излучаемые предметом фотоны (вторичные фотоны) имеют по сравнению с первичными фотонами более низкую энергию; длина волны излучаемого света, таким образом, длиннее.
.jpg)
Что такое „Антистоксов сдвиг“?
.jpg)
Длина волны электромагнитного излучения в видимом диапазоне составляет 400 нм - 700 нм.
В противоположность стоксову сдвигу, для возбуждения электронов здесь требуется несколько фотонов первичного излучения. Один фотон выводит электрон на напр. промежуточную орбиту 1, другой фотон поднимает затем электрон на следующую орбиту, т.е более близкую к внешней орбите промежуточную орбиту, а третий фотон поднимает наконец электрон на внешнюю орбиту.
Так как при „Антистоксовом сдвиге“ для поднятия электрона на внешнюю орбиту требуются несколько фотонов, говорится о так называемой накачке.
Во время „накачки“ электроны с помощью первичных фотонов поднимаются с одной промежуточной орбиты на следующую промежуточную орбиту, то есть накачиваются вверх на внешнюю орбиту. Чем выше орбита, тем большей потенциальной энергией обладает находящийся на ней электрон. Его энергетический уровень выше. Чем больше разница между двумя энергетическими уровнями, тем выше энергия фотона, излучаемого при возврате электрона на свой стабильный уровень.
.jpg)
Что такое „Редкоземельные металлы“?
Редкоземельные металлы это химические элементы 3-й группы периодической системы; лантаноиды (17 элементов) также относятся к редкоземельным элементам. Кроме всего прочего (редкоземельные элементы требуются также для постоянных магнитов), редкоземельные металлы обладают специальными спектроскопическими свойствами. В отличие от полупроводников (запрещенная зона, т.е. энергетический интервал между валентной зоной и зоной проводимости полупроводника зависит от температуры, тем самым также от излучаемой полупроводниковым кристаллом длины волны) редкоземельные элементы обнаруживают в твердом теле (кристалл) дискретный энергетический спектр (то есть определенный энергетический уровень в электронной оболочке). Таким образом, для поглощения электромагнитного излучения требуется определенная, зависящая от интервала энергетического уровня, длина волны. Оптическое излучение энергии (наружу) осуществляется также в дискретных, заданных кристаллом длинах волн.
| Y 39 | Иттрий |
(используется кроме всего прочего для люминофоров и светодиодов) |
и также следующих представителей так называемых лантаноидов:
| Pm 61 |
Прометий |
(используется для светящихся цифр) |
| Eu 63 | Европий | (используется в светодиодах и люминофорах) |
| Gd 64 | Гадолиний | (используется для зеленых люминофоров) |
| TB 65 | Тербий | (используется для люминофоров) |
| Tm 69 | Тулий | (люминофоры для телевизионной аппаратуры) |
| Yb 70 | Иттербий | (люминофоры для телевизионной аппаратуры) |
Благодаря специальному легированию кристаллов редкоземельных элементов можно соответственно повлиять на оптические свойства и целенаправленно изменить их. Так напр., эрбий используется в качестве так называемого активатора. Такой активатор действует как „катализатор“.
Часто кристаллы редкоземельных элементов используются для подтверждения электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне (ИК). Линии поглощения часто лежат около 980 нм или 940 нм, возможны также линии поглощения в видимом диапазоне (напр. при 640 нм) или в ультрафиолетовом диапазоне (напр. 365 нм или 385 нм).
На практике при излучении фотонов часто возникает „Стоксов сдвиг“, а также „Антистоксов сдвиг“..
.jpg)
Что такое „Повышающий преобразователь“?
Под „повышающим преобразователем“ в оптическом смысле понимается преобразование света (от УФ- до ИК-диапазона) длинной длины волны (то есть с фотонами с более низкой энергией) в свет короткой длины волны (фотоны тогда имеют больше энергии). Такое прибавление энергии осуществляется путем „оптической накачки“, то есть для излучения вторичного фотона так называемый повышающий преобразователь должен поглотить несколько первичных фотонов, столько, сколько требуется для достижения количества энергии вторичного протона (или для поднятия электрона на внешнюю электронную оболочку). Это также называется Антистоксовым сдвигом.
Что такое „Понижающий преобразователь“?
Что такое „Время затухания“ или „Постоянная времени“?
Что понимается, собственно, под „Аутентификацией продукта“?
(обнаружение защитных пигментов)
Наряду с классическими областями применения кристаллов редкоземельных элементов в постоянных магнитах, рентгеновской аппаратуре, экранах телевизоров, светодиодах, плазменных и жидкокристаллических экранах, а также в трубчатых люминесцентных лампах, ряд этих лантаноидов и иттрий используются также для аутентификации продуктов. Кристаллы редкоземельных элементов при необходимости соответственно легируются (напр. активирующим эрбием), что приводит к требуемому изменению их оптических свойств. Оптический результат зависит от продукта и является в какой-то мере „оптическим отпечатком пальца“, который без рецепта воспроизвести нельзя.
Благодаря легированию кристаллов редкоземельных элементов можно воздействовать как на длину волны возбуждения, так и на спектр излучения и постоянную времени, т.е. смещенный по времени ответ на первичный сдвиг (оптический возбуждающий импульс).
Какие устройства используются для подтверждения?
Самым простым и недорогим детектором является так называемая лазерная ручка (тип LUMI-LP-IRL/UV/VIS-3B). Она имеет лазерное излучение с длиной волны в 980 нм и мощность в несколько 10 мВт. Лазерный луч при этом фокусирован на расстоянии 10 мм - 20 мм от выхода ручки. ИК-свет при этом, в случае наличия кристалла редкоземельных элементов (с условием, что он поглощает 980 нм излучение) преобразовывается в диапазон видимого света (повышающий преобразователь) и выдает соответственно легированию синий, зеленый, желтый, оранжевый или красный свет. Однако следует помнить, что для этого используется первичное излучение, которое находится в диапазоне класса лазера 3B. Лазерная ручка является изделием класса лазера 3B.
Продукт класса лазера 3B может использоваться только вместе с подходящими защитными лазерными очками (напр. тип LUMI-SG-IRL-3B). Также использование разрешено только в помещениях, защищенных снаружи соответствующей предупреждающей табличкой и сигнальной лампой. С помощью лазерной ручки можно подтвердить концентрацию кристаллов редкоземельных элементов до прим. 50 ppm (в зависимости от соответственного кристалла).
Более простым является подтверждение наличия редкоземельных элементов с помощью устройств LUMI-MOBILE. В них используются ИК-светодиоды с длиной волны (средняя длина волны) в прим. 940 нм. Приборы совершенно безопасны для человеческого глаза. (подобные светодиоды используются также в дистанционном управлении для телевизионных приборов и аудио-систем). В приборах LUMI-MOBILE постоянная времени кривой затухания колебаний кристалла редкоземельных элементов служит в качестве критерия. При этом могут быть подтверждены концентрации до диапазона 1 ppm.
Во время производства включающих в себя кристаллы редкоземельных элементов материалов следует контролировать концентрацию этих кристаллов. Для этого служит серия LUMI-INLINE, которая наряду с постоянной времени определяет также интенсивность (и, тем самым, концентрацию) кристаллов редкоземельных элементов в основном материале. В приборах имеются как аналоговые, так и дискретные выходы. Этот прибор может также подключаться к последовательному интерфейсу (RS232, USB или Ethernet). Специальная программа мониторинга позволяет записать данные измерений.
Оба прибора относятся к классу лазера 1, что было достигнуто благодаря специально запатентованному методу
Детекторы для мобильного использования
В приборах LUMI-MOBILE анализируется временное затухание оптически возбужденного образца. При этом на контролируемый объект направляется ИК- или УФ-импульс. По окончании импульса возбуждения кривая затухания записывается и анализируется. Также определяется начальная интенсивность импульса затухания.
LUMI-MOBILE-LAB-UV/VIS
Параметрирование постоянной времени, а также интенсивности для 31 продукта, данные записываются в файл на ПК и служат устройствам LUMI-MOBILE-QC (быстрая проверка) в качестве параметра для задания, а также устройствам LUMI-MOBILE-PT (карманный прибор) для задания продукта.
Интерфейс Windows® программа LUMI-MOBILE-LAB-Scope:
LUMI-MOBILE-QC-UV/VIS
С помощью этого прибора можно сохранить до 31 продукта, которые могут считываться с файла (продукты прежде были проверены с помощью устройства LUMI-MOBILE-LAB и записаны затем в файл).
После распознавания продукта следуют акустический сигнал и оптическое отображение на графическом дисплее. Также и здесь контролируется затухание колебаний кристалла редкоземельных элементов.
LUMI-MOBILE-PT-UV/VIS
В отличие от LUMI-MOBILE-QC прибора здесь имеется набор параметров.
Интерфейс Windows® программа LUMI-MOBILE-PT-Scope:
LUMI-MOBILE-DA-UV/VIS
В отличие от приборов LUMI-MOBILE-QC и LUMI-MOBILE-PT, здесь не идет поиск определенных, обнаруженных прежде устройством LUMI-MOBILE-LAB, продуктов. Вместо этого, принципиально проводится поиск постоянной времени, а также концентрации кристалла редкоземельных элементов во всем динамическом диапазоне, т.е. от очень низких концентраций в ppm-диапазоне до очень высоких концентраций.
Windows® программа LUMI-MOBILE-DA-Scope
LUMI-MOBILE-JR-UV/VIS
Индикация осуществляется с помощью двухцветного светодиода. Зеленый показывает, что был обнаружен кристалл редкоземельных элементов, красный указывает на то, что ничего не обнаружено. Оптический сигнал дополняется здесь акустическим.
Windows® программа LUMI-MOBILE-JR-Scope
LUMI-MOBILE-FIO-QC-UV/VIS
Версия LUMI-MOBILE-FIO-QC со световодом имеет ту же программу, что и LUMI-MOBILE-QC, только аппаратное обеспечение здесь снабжено подключением для световода.
LUMI-MOBILE-FIO-PT-UV/VIS
У версии LUMI-MOBILE-PT также имеется исполнение со световодом LUMI-MOBILE-FIO-PT. Программа идентична стандартной версии для LUMI-MOBILE-PT.
LUMI-MOBILE-FIO-DA-UV/VIS
Версия LUMI-MOBILE-DA имеет также вариант со световодом LUMI-MOBILE-FIO-DA. Программа идентична программе стандартной версии.
LUMI-MOBILE-FIO-JR-UV/VIS
Для версии LUMI-MOBILE-JR также предлагается вариант со световодом LUMI-MOBILE-FIO-JR. Также и здесь действительно: Версия со световодом снабжена такой же программой, что и стандартная версия LUMI-MOBILE-JR.
Детекторы, встроенные в производственную систему
LUMI-INLINE-IR/IR
LUMI-INLINE-UV/VIS
Версия встроенных устройств имеет два аналоговых выхода, сообщающих о концентрации кристалла редкоземельных элементов. Также имеются 4 дискретных выхода, с помощью которых можно сохранить до 15 продуктов.
LUMI-INLINE-FIO-IR/IR
LUMI-INLINE-FIO-UV/VIS
Для версии LUMI-INLINE также имеется вариант со световодом LUMI-INLINE-FIO. При этом на выбор предлагаются три источника света: две версии в ИК-диапазоне, тип IR-LED и тип IR-LD, а также УФ-версия.
Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-INLINE-Scope
Детекторы для лаборатории
С помощью лабораторных приборов LUMI-LAB осуществляется отображение вторичного спектра в видимом диапазоне. Также у LUMI-LAB-IRL/VISIR проводится запись времени затухания в ИК-диапазоне, а у LUMI-LAB-UV/VIS отображение кривых затухания в видимой области спектра.
LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-UV/VIS-CL1
Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-LAB-Scope
LUMI-LAB-8-IRL/IR-CL1
LUMI-LAB-8-IR/IR
У этой версии проверяется как вторичный спектр, так и временное затухание в ИК-диапазоне. ИК-диапазон разделен здесь на 8 участков. Как постоянная времени, так и интенсивность вторичного излучения определяются для каждого участка (подана заявка на патент для этого метода).
Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-LAB-Scope
Измерения проводятся в диапазоне длин волн от 700 нм до 1100 нм 8 детекторами. Каждый детектор контролирует измерительное окно в 50 нм. Определяется начальная интенсивность C1 , а также постоянная времени t соответствующего импульса затухания.
LUMI-LAB-16-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-16-IR/VISIR
LUMI-LAB-16-UV/VISIR
У приборов типа LUMI-LAB наряду с ИК-спектром анализируется также видимый спектр. В общей сложности для этого имеются 14 детекторов, которые покрывают диапазон длин волн от 400 нм до прим. 1100 нм.
Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-LAB-Scope
