Sensor Instruments
Entwicklungs- und Vertriebs GmbH
Schlinding 11
D-94169 Thurmansbang
Telefon +49 8544 9719-0
Telefax +49 8544 9719-13
info@sensorinstruments.de

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.
 
Когда свет падает на материю, это приводит к различным результатам:
  • 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.
 

Возбуждение электронов извнеможет осуществляться различным образом, напр. с помощью:
  • 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)
Здесь следует, однако, различать флуоресценцию и фосфоресценцию.

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)..

 

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.
 

Если излучаемая облученным предметом длина волны длиннее, чем использованная для облучения длина волны, имеет место Стоксов сдвиг. Вторичное излучение происходит с задержкой по времени, длительность задержки зависит при этом от времени нахождения электронов на нестабильных орбитах.
 

 

Что такое Антистоксов сдвиг?

Об антистоксовом сдвигеговорится, если электромагнитное излучение, попадающее на предмет и поглощенное им, имеет большую длину волны, чем излучаемое предметом электромагнитное излучение.
 
 
l = длина волны электромагнитного излучения (напр. света), длина волны представляет собой волновой цуг, т. е. расстояние между двумя соседними максимами или минимами.

 

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 промежуточные орбиты и сама внешняя орбита являются нестабильными, электроны остаются на них только короткое время перед тем, как снова вернуться в исходное состояние. Продолжительность этой, так называемой, рекомбинации лежит обычно в пределах нано-, микро- или миллисекундного диапазона.
Что такое Оптическая накачка?
Так как при Антистоксовом сдвигедля поднятия электрона на внешнюю орбиту требуются несколько фотонов, говорится о так называемой накачке.

Во время накачкиэлектроны 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.



 
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.

В качестве важных для оптических свойств представителей редкоземельных элементов можно назвать:
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..

 
Между необходимой для возбуждения процесса оптической мощностью и фактической, излучаемой кристаллом оптической мощностью лежат обычно несколько декад. Необходимая для возбуждения ИК-диапазона оптическая мощность составляет прим. 10 mW (напр. при 980 нм), излучение в диапазоне длин волн видимого света составляет несколько µW (Антистоксов сдвиг), в ИК-диапазоне излучение при этом может также доходить из mW-диапазона (Стоксов сдвиг). Часть первичного излучения служит вначале также для возбуждения кристалла, фотоны используются, таким образом, для образования фотонов, благодаря чему колебания решетки (кристалл) усиливаются. Следующим шагом может быть, наоборот, образование фотонов (свет) благодаря фононам (колебания решетки)..
 
 
 

Что такое Повышающий преобразователь?
Под повышающим преобразователемв 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?

О понижающем преобразователев оптике говорят, если образованный из первичного фотона вторичный фотон обладает меньшей энергией. Для образования вторичного фотона здесь требуется только один первичный фотон. Разница энергий передается напр. на решетку кристалла понижающего преобразователя (как фотонное повышение колебаний решетки). 

Процесс в понижающем преобразователе объясняется Стоксовым сдвигом.
 
 

Что такое Время затуханияили Постоянная времени?

Под временем затухания или временем релаксации в оптике понимается время, которое требуется, чтобы объект из возбужденного состояния мог вернуться снова в исходное состояние. Мерой для требуемого для этого времени является так называемая постоянная времени t. Постоянная времени описывает при этом, сколько времени пройдет до того, как этот процесс начиная с возбужденного состояния затухает до прим.1/2.71 или 1/e (e - число Эйлера). Постоянная времени используется обычно для экспоненциально затухающих процессов. Практика показала, что процессы, следующие как стоксову так и антистоксову сдвигу в первом приближении затухают экспоненциально.
 
 
Что понимается, собственно, под Защитными пигментами?
Защитные пигменты это неорганические люминесцирующие (люминофоры, т.е. с послесвечением) пигменты, часто это кристаллы редкоземельных элементов или сульфиды цинка, индивидуально легированные и имеющие специальные оптические свойства. Такой оптический отпечаток пальцевможет использоваться в качестве элемента защиты.
 
Что понимается, собственно, под Размером зерен?
Под размером зерен у кристаллов редкоземельных элементов понимается получившийся после обработки (размол или конденсация) размер кристалла. Он составляет обычно 300 нм - 20 мкм в диаметре. При этом следует учесть, что с уменьшением размера зерна уменьшается также эффективность (КПД) относительно  стоксова и антистоксова сдвига. Обычно на практике используются размеры зерен от 5 мкм до 10 мкм. Производство зерен меньше 1 мкм является, кроме этого, сложным и соответственно дорогостоящим. Из-за экстремально малых размеров зерен (в отдельных случаях меньше одного микрона) подготовленные таким образом кристаллы редкоземельных элементов называют также LNP, то есть люминесцирующие наночастицы.
 
 

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).
 

Важным свойством кристаллов редкоземельных элементов является то, что они выдерживают температуры до 800°C. Также эти кристаллы не являются токсичными, что позволяет использовать их в самых различных областях. Эти неорганические пигменты чрезвычайно светостойкие, т.е. их люминесцентные свойства сохраняются длительное время . 

Сейчас имеется целый ряд индикаторов, способных обнаруживать кристаллы редкоземельных элементов как ВСТРОЕННЫМИ В ЛИНИЮ (LUMI-INLINE Serie), так и АВТОНОМНО на месте (LUMI-MOBILE Serie) и также в лаборатории (LUMI-LAB Serie) . Концентрация кристаллов редкоземельных элементов относительно несущего материала (основной материал) может при этом опускаться до ppm-диапазона (в зависимости от вида кристаллов редкоземельных элементов)..
 
Как можно обнаружить кристаллы редкоземельных элементов?
Так как кристаллы редкоземельных элементов действуют как повышающие и понижающие преобразователи, подтверждением может служить вторичный спектр. Также подтверждением может служить временное ослабление (релаксация) вторичного излучения. Оба эффекта (вторичное излучение и затухание) служат надежному подтверждению, даже при очень низкой концентрации.

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.

 

Для подтверждения в лаборатории предлагаются устройства, которые записывают как затухание (в ИК диапазоне), так и спектр излучения в видимом диапазоне (LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1), а также приборы, воспроизводящие временное затухание в ИК-диапазоне и его интенсивность, разделенные на сегменты диапазона длин волн от 700 нм до 1100 нм (LUMI-LAB-IRL/IR-CL1, запатентованный). 

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-IR/IR
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-IR/IR
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.

Интерфейс Windows® программа LUMI-MOBILE-QC-Scope:
 

 
LUMI-MOBILE-PT-IR/IR
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-IR/IR
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.

Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-MOBILE-DA-Scope

 
LUMI-MOBILE-JR-IR/IR
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.
 

Здесь, как у устройства LUMI-MOBILE-DA, поиск идет по всему динамическому диапазону. Тем самым определяются как очень низкие (в ppm-диапазоне), так и очень высокие концентрации.

Соответствующая программа:
Windows® программа LUMI-MOBILE-JR-Scope

 
LUMI-MOBILE-FIO-LAB-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-LAB-UV/VIS


Волоконно-оптическое устройство LUMI-MOBILE-FIO-LAB является вариантом прибора LUMI-MOBILE-LAB, оно в основном похоже на исполнение стандартного устройства. Здесь была изменена только оптика из-за подключения световода.



LUMI-MOBILE-FIO-QC-IR/IR
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-IR/IR
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-IR/IR
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-IR/IR
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

Анализируются при этом как интенсивность, так и постоянная времени в соответствующем диапазоне длин волн.

 



АКТУАЛЬНО СЕГОДНЯ

Даты выставок:

Empack Utrecht 2020
15, 16 и 17 сентябрь 2020 года
Jaarbeurs Utrecht

all about automation 2021
1 и 2 март 2021 года
Messe Friedrichshafen

подробнее...

...............................................................

Новые применения:

Контроль цвета темно-синих пластиковых крышек
(№684)
Контроль слоя клея на пластиковых лентах
(№685)

Разделение кусочков металла по цвету
(№686)

подробнее...

...............................................................

Новый пресс-релиз:

Придайте декоративной пленке нужный блеск!
Серия GLOSS

подробнее...

...............................................................

Новые видео:

Счет прозрачных пластиковых крышек с SPECTRO-1-CONLAS + A-LAS-N-F16-...
Аутентификация изделий с LUMI-STAR-MOBILE-BL/OR-POL-IOS
Маркировка кож с LUMI-INLINE-SL-IR/IR
подробнее...

...............................................................

Указания по
обновлению ПО:
подробнее...




FIND US ON ....

Facebook Youtube in Instagram Twitter

TOP