Люминофоры

Люминофоры (от латинского lumen — свет и греческого phoros — несущий), твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений (см. Люминесценция). По типу возбуждения различают фотолюминофоры, рентгенолюминофоры, радиолюминофоры, катодолюминофоры, электролюминофоры. Некоторые люминофоры могут выступать в качестве Люминофоров смешанных типов (например, ZnS·Cu является фото-, катодо- и электролюминофором). По химической природе различают органические люминофоры — органолюминофоры, и неорганические — фосфОры. ФосфОры, имеющие кристаллическую структуру, называются кристаллофосфорами.

Свечение люминофора может быть обусловлено как свойствами основного вещества, так и наличием примеси — активатора. Активатор образует в основном веществе (основании) центры свечения. Название активированных люминофоров складывается из названия основания и названия активаторов, например: ZnS·Cu, Co обозначает Люминофор ZnS, активированный Cu и Со. Если основание смешанное, то перечисляют сначала названия оснований, а затем активаторов (например, ZnS, CdS·Cu, Со).

Люминофор применяют для преобразования различных видов энергии в световую. В зависимости от условий применения предъявляются определённые требования к тем или иным параметрам люминофора: типу возбуждения, спектру возбуждения (для фотолюминофоров), спектру излучения, выходу излучения (отношению излученной энергии к поглощённой), временным характеристикам (времени возбуждения свечения и длительности послесвечения). Наибольшее разнообразие параметров можно получить у кристаллофосфоров, варьируя активаторы (в основном тяжёлые металлы) и состав основания, причём в зависимости от концентрации активаторов свойства Л. в значительной степени меняются. Например, для ZnS·Cu при концентрации Cu 10-5 г/г оптимальным является фотовозбуждение, а при концентрации Cu > 10-4 г/г  — электровозбуждение.

Спектр возбуждения различных фотолюминофоров меняется от коротковолнового ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Спектр излучения может лежать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Ширина спектральных полос излучения отдельных люминофоров меняется от тысяч  (для органолюминофоров) до единиц  (для кристаллофосфоров, активированных редкоземельными элементами) и сильно зависит от концентрации люминофора и активатора, а также от температуры.

Энергетический выход излучения люминофора зависит от вида возбуждения, его спектра (при фотолюминесценции) и механизма преобразования энергии в световую. Он резко падает при повышении концентрации люминофора и активатора (концентрационное тушение) и температуры (температурное тушение). Яркость люминесценции (свечения) люминофора нарастает с начала возбуждения в течение промежутка времени от 10-9 сек до нескольких мин. Длительность послесвечения различных люминофоров колеблется от 10-9 сек до нескольких часов и определяется характером преобразования энергии и временем жизни возбуждённого состояния. Наиболее короткое время послесвечения имеют органолюминофоры, наиболее длительное — кристаллофосфоры. В зависимости от условий применения могут играть существенную роль и другие свойства люминофора — стойкость к действию света, тепла, влаги и так далее.

Основными типами применяемых люминофоров являются кристаллофосфоры, органические люминофоры, люминесцирующие стекла. Наибольшее распространение получили кристаллофосфоры. Значительная часть их представляет собой полупроводниковые соединения с шириной запрещенной зоны 1—10 эв, люминесценция которых обусловлена примесью (активатора) или дефектами решётки. Концентрация активатора варьируется в пределах 10-3—10-7 г/г. Некоторые посторонние примеси, например Fe, в концентрациях уже 10-6 г/г  могут уменьшать яркость люминесценции, поэтому приготовление люминофора требует особого контроля чистоты исходных материалов. Такие люминофоры изготовляют путём прокалки шихты. Для улучшения процесса кристаллизации в шихту добавляются плавни — соли типа KCI, LiF, CaCI2 и тому подобные. Люминесцирующие монокристаллы выращиваются из расплава, раствора или газовой фазы.

 В люминесцентных лампах применяются смеси кристаллофосфоров, например, смеси MgWO4 и (ZnBe)2 SiO4·Mn] или однокомпонентные люминофоры, например галофосфат кальция, активированный Sb и Mn. люминофор подбираются так, чтобы их свечение имело спектральное распределение, близкое к распределению дневного света. Катодолюминофоры применяют для экранов электронно-лучевых трубок, осциллографов, черно-белых и цветных кинескопов и тому подобное. Для цветных кинескопов разработаны люминофоры,  дающие три основных цвета свечения: синий (ZnS·Ag), зелёный (ZnSe·Ag), красный [Zn3(PO4)2·Mn]. Для рентгеноскопии применяются (Zn, Cd) S·Ag и CaWO4, дающие свечение в области максимальной чувствительности глаза и позволяющие максимально использовать чувствительность рентгеновской плёнки и уменьшить дозу облучения. Электролюминофоры на основе ZnS·Cu используют для создания светящихся индикаторов, табло, панелей.

Органические люминофоры могут люминесцировать в растворах (флуоресцеин, родамин) и твёрдом состоянии (пластические массы и антрацен, стильбен и другие органические кристаллы). Органические люминофоры могут обладать ярким свечением и очень высоким быстродействием. Цвет люминесценции органических люминофоров может быть подобран для любой части видимой области. Они применяются для люминесцентного анализа, изготовления люминесцирующих красок, указателей, оптического отбеливания тканей и т.д. Многие органические люминофоры (красители цианинового, полиметинового рядов и другие) используют в качестве активных элементов жидкостных лазеров. Кристаллические органические люминофоры применяют в качестве сцинтилляторов для регистрации g-лучей и быстрых частиц (Сцинтилляционный счётчик и Люминесцентная камера). Органические люминофоры выпускались промышленностью СССР под торговым наименованием люминоры.

Люминесцирующие стёкла изготовляют на основе стеклянных матриц различного состава. При варке стекла в шихту добавляют активаторы, чаще всего соли редкоземельных элементов или актиноидов. Выход, спектр и длительность свечения люминесцентных стекол определяются свойствами активатора. Они обладают хорошей оптической прозрачностью и многие из них могут быть использованы в качестве лазерных материалов, а также для визуализации изображений, полученных в ультрафиолетовом излучении.