Cietvielu luminiscence

Transcript

1 1. Darba mērķis Cietvielu luminiscence Laboratorijas darba mērķis ir iepazīties ar cietvielu luminiscenci un to raksturojošiem parametriem. Īpaša uzmanība veltīta termostimulētai luminiscencei (TSL), ko praksē plaši lieto starojumu dozimetrijā, vides pārraudzībā (monitoringā), biomedicīnā, arheoloģisko un ģeoloģisko materiālu datēšanā. Darbs iepazīstina ar TSL kā vienu no rekombinatīvās luminiscences veidiem, ar TSL raksturojošiem parametriem, ar izotermālās dzišanas metodi, kas dažkārt ļauj noteikt TSL parametrus ar vienkāršotiem aprēķiniem. 2. Teorētiskais apskats 2.1. Ievads Luminiscence kā dabas parādība tika novērota jau ļoti sen. Cilvēki bija novērojuši ziemeļblāzmu, jāņtārpiņu un dažu citu kukaiņu, kā arī minerālu spīdēšanu tumsā (1. att.). Par leģendārā Boloņas akmens (minerāls barīts, tagad pazīstams kā bārija sulfāts) spīdēšanu tumsā savā grāmatā jau rakstīja itālis G. C. Lagalla gadā. Boloņas akmenim tika doti dažādi nosaukumi, līdz beidzot to, kā arī citas cietās un šķidrās spīdošās vielas nosauca par fosforiem. Tagad šādas vielas sauc par luminoforiem. Sistemātiski luminiscences pētījumi sākās tikai 19. gs., kad tika eksperimentāli noskaidrotas galvenās luminiscences likumsakarības, tika definēti luminiscences galvenie raksturlielumi (intensitāte, intensitātes spektrālais sadalījums, 1. att. Jāņtārpiņa un medūzas spīdēšana kinētika, polarizācija), luminiscence tika klasificēta pēc ierosmes veida, spīdēšanas ilguma. Luminiscences mehānisms tika izprasts tikai 20. gs., kad radās priekšstati par gaismas korpuskulāro dabu un tika izstrādāti kvantu teorijas pamati. Luminiscences teorijas izveidošanā un attīstībā izšķiroša loma bija P. Pringsheima ( ), S. Vavilova ( ) un V. Ļevšina darbiem. 1

2 2.2. Luminiscences vispārīgās īpašības Luminiscences definīcija Saskaņā ar zinātnieku E. Videmana un S. Vavilova izveidoto definīciju luminiscence ir starojums, kuru ķermenis izstaro papildus termiskajam starojumam un kura ilgums (pēcspīdēšanas laiks) ievērojami pārsniedz gaismas svārstību periodu. Šīs definīcijas pirmā daļa norobežo luminiscenci no ķermeņu līdzsvarotā siltumstarojuma un pieskaita pie nelīdzsvarotajiem starojumiem, bet otrā daļa izdala luminiscenci no citiem nelīdzsvarotajiem starojumiem (gaismas atstarošanās un izkliedes, bremzēšanās starojuma, Čerenkova - Vavilova starojuma), kuru ilgumam ir tāda pati lieluma kārta kā gaismas svārstību periodam ( ap s). Lai viela varētu luminiscēt: 1) to nepieciešams ierosināt ar noteiktu daudzumu enerģijas; starp absorbētās enerģijas un luminiscences aktiem ir starpprocesi, kas nosaka spīdēšanu, ilgāku par s pēc ierosināšanas pārtraukšanas; 2) vielas enerģiju spektram jābūt diskrētam (pusvadītāji, izolatori); vielas, kam ir nepārtraukts enerģijas spektrs (piem., metāli), neluminiscē, jo ierosmes enerģija šādās vielās nepārtraukti pāriet siltumā; 3) nepieciešams, lai starojuma pāreju varbūtība būtu lielāka par bezizstarojuma pāreju varbūtību. Pieaugot bezizstarojuma pāreju varbūtībai, notiek luminiscences dzēšana. Bezizstarojuma pāreju varbūtība ir atkarīga gan no ārējiem apstākļiem (piem., pieaugot temperatūrai, bezizstarojuma pāreju varbūtība pieaug temperatūras dzēšana), gan no pašas vielas (pieaugot luminiscences centru vai kādu citu piemaisījumu koncentrācijai, var rasties koncentrācijas dzēšana) Galvenie luminiscences raksturlielumi Luminiscenci, tāpat kā jebkuru elektromagnētisko starojumu, raksturo intensitāte, spektrālais sastāvs, polarizācija, iznākums un kinētika. Luminiscences intensitāte ir starojuma enerģijas plūsma no vielas virsmas laukuma vienības laika vienībā telpas leņķī. Intensitātes mērvienība ir [W/(sr m 2 )]. Praksē intensitāti bieži mēra relatīvās vienībās. Luminiscences spektrs ir luminiscences intensitātes sadalījuma funkcija atkarībā no luminiscences viļņa garuma (jeb gaismas kvantu enerģijas). 2

3 Luminiscences ierosmes spektrs (fotoluminiscencei) ir luminiscences intensitātes sadalījums atkarība no ierosinošās gaismas viļņa garuma (jeb gaismas kvantu enerģijas) pie nosacījuma, ka ierosinošās gaismas intensitāte nemainās, mainot ierosinošās gaismas viļņa garumu (jeb gaismas kvantu enerģiju). Luminiscences ierosmes spektra joslas parasti sakrīt ar kādām absorbcijas joslām. Cietvielu luminiscences spektri parasti sastāv no platām joslām ( nm jeb ev), kuru maksimumi nobīdīti uz garo viļņu pusi no ierosmes (absorbcijas) spektra joslu maksimumiem (Stoksa nobīde). Viena veida centru luminiscences un ierosmes joslām bieži ir Gausa sadalījuma forma. Luminiscences intensitāte, rel. v. Absobcijas koeficients, cm -1 Viļņa garums, nm 2. att. Itrija alumīnija granāta optiskie spektri: 1) absorbcijas spektrs 2) ierosmes spektrs 3) luminiscences spektrs [M. Springis, A. Pujats and J. Valbis, Polarization of luminescence of colour centrēs in YAG crystals, J. Phys.: Condens. Matter 3, , (1991)] Luminiscences efektivitāti raksturo luminiscences iznākums. Luminiscences enerģētiskais iznākums η E ir izstarotās enerģijas attiecība pret ierosinošo absorbēto enerģiju (η E <1). Fotoluminiscences kvantu iznākums η k ir luminiscences kvantu skaita attiecība pret absorbēto, ierosinošās gaismas kvantu skaitu (η k var būt >1). Luminiscences polarizācija ir saistīta ar absorbējošo un starojošo centru simetriju, orientāciju un multiplicitāti. Luminiscences kinētika luminiscences intensitātes izmaiņa laikā atkarīga no daudziem faktoriem: no ierosmes intensitātes, temperatūras, vielā notiekošo elementāro procesu dabas u.c.. Parasti ar luminiscences kinētiku saprot luminiscences intensitātes samazināšanos pēc ierosmes izbeigšanas. Rezonanses un spontānās luminiscences (skat. nodaļā Ierosmes enerģijas pārveidošanās mehānismi) dzišanas kinētikām parasti ir eksponenciāls raksturs. Rekombinatīvās luminiscences kinētikas parasti ir sarežģītas un atkarīgas no rekombinācijas procesu dabas un temperatūras. Bieži rekombinatīvās luminiscences dzišana norisinās pēc hiperboliska likuma. Ja notiek luminiscences dzišana, tad samazinās luminiscences iznākums un dzišanas (pēcspīdēšanas) laiks. 3

4 2.2.3.Luminiscences iedalījums Luminiscences ilgums Atkarībā no spīdēšanas ilguma pēc ierosmes pārtraukšanas luminiscence visai nosacīti tiek iedalīta fluoriscencē un fosforiscencē. Tradicionāli par fluoriscenci sauc spīdēšanu, kas ilgst ap 10 8 s, bet ilgāku spīdēšanu (līdz pat vairākām stundām) par fosforiscenci. Luminiscences ierosmes veids Pēc ierosmes (enerģijas absorbcijas) veida izšķir fotoluminiscenci (ierosme ar gaismu), katodluminiscenci (ierosme ar elektroniem), radioluminiscenci (ierosme ar γ stariem, protoniem, α un β daļiņām), rentgenluminiscenci (ierosme ar rentgenstariem, elektroluminiscenci (ierosme ar elektrisko lauku), triboluminiscenci (ierosme ar mehānisku iedarbību), hemioluminiscenci un bioluminiscenci (nosaka ķīmiskie un bioloģiskie procesi). Ierosmes enerģijas pārveidošanās mehānismi (3. att.) Atšķirībā no termiskā starojuma luminiscenci rada samērā neliels atomu, molekulu vai jonu skaits, kuri veido t.s. luminiscences centrus. Par luminiscences centriem kristālos var būt atomi, joni vai to grupas vietās, kur kristālrežģa periodisko struktūru izjaucis vai nu aktivātors, t.i., svešvielas atoms vai jons, vai arī pašvielas defekts (vakance vai starpmezgla atoms vai jons), vai to kombinācijas. Luminoforam absorbējot enerģiju jau minētajos veidos, pēc vairāk vai mazāk sarežģītiem starpprocesiem var tikt ierosināti luminiscences centri, un, tiem atgriežoties normālā stāvoklī vai mazāk ierosinātā stāvoklī, absorbētā enerģija var tikt izstarota kā luminiscence. Aplūkosim shematiski šos procesus sīkāk kristaliskā luminoforā. 3. attēlā parādīta luminofora iespējamā enerģētiskā shēma pirms ierosinošā starojuma (3.att., a), starojuma laikā (3.att., b) un pēc (3.att., c) ierosinošā starojuma absorbcijas. Attēlā parādīta ar elektroniem aizpildītā zona valentā zona, aizliegto enerģiju zona (E g ) un neaizpildītā zona vadītspējas zona. Gadījumā, kad luminofora struktūrā nav pašvielas defektu un nav arī aktivātoru, aizliegtajā zonā nav nekādu enerģijas līmeņu. Šāds luminofors ir caurspīdīgs spektra apgabalā, kura enerģētiskais platums ir E g (parasti tuvā ultravioletajā (UV) un redzamajā 4

5 Vadāmības zona Vadāmības zona Vadāmības zona D D D 3 A 2 * Enerģija Eg Z Z e 0 A 1 * 2 A 2 * 1 A 2 A 2 A 2 A 1 A 3 A 1 A 3 A 1 A 3 Valences zona Valences zona Valences zona a) pirms apstarošanas b) apstarošanas laikā c) pēc apstarošanas 3. att. Kristāliskā luminofora enerģētiskā (zonu) shēma spektra apgabalā). Tālā infrasarkanajā spektra apgabalā novērojama fononu absorbcija, ko nosaka kristālu veidojošo atomu vai jonu svārstības, kuru enerģija ir daudz mazāka par E g. Absorbcija pie enerģijām, lielākām par E g saistīta ar elektronu pāreju (Z Z) no valences zonas uz vadītspējas zonu (fundamentālā absorbcija). Šī absorbcija pusvadītājiem novērojama redzamajā un tuvajā UV spektra daļā, bet izolatoriem UV un pat vakuuma-uv (λ<180 nm) spektra daļā). Ja elektronu ierosmes enerģija ir nedaudz mazāka par E g, veidojas eksitoni (e 0 ) kustīgi, bet savā starpā saistīti, elektronu caurumu pāri, kuru absorbcija novērojama fundamentālās absorbcijas mazo enerģiju malā. Gadījumā, kad luminofora struktūrā ir pašvielas defekti un ir ievadīti aktivātori (kā tas ir reālos luminoforos), tie enerģētiski raksturojas ar lokāliem līmeņiem aizliegtajā zonā (skat. 3.att., A 1, A 2, A 3, A * 1, A * 2 - aktivātoru attiecīgi pamat- un ierosinātie līmeņi, D-defekta līmenis). Šādiem luminoforiem novērojamas absorbcijas joslas caurspīdīgajā spektra apgabalā starp fundamentālo absorbciju un fononu absorbciju (piem., pāreja 1 3). Ierosinošā starojuma absorbcijas rezultātā (3. att., b) var realizēties gan zona zona pārejas Z Z, gan eksitonu pārejas e 0, gan arī tieša aktivatoru, piemēram, A 2 ierosme (pāreja 1 3). Z Z pārejas rezultātā veidojas brīvie elektroni vadītspējas zonā un brīvie caurumi valences zonā. Brīvie lādiņnesēji var pārvietoties pa visu kristālu, bet to dzīves 5

6 laiks zonās, pateicoties vielu veidojošo atomu vai jonu svārstībām, ir ap s (laiks, kas salīdzināms ar atomu vai jonu svārstību periodu vielā). Pēc tam var notikt vairāki procesi: 1) brīvo elektronu un caurumu lokalizācija pie pašvielas defektiem un aktivātoriem (piem., pie D un A 3 ); defektus, kas spēj lokalizēt lādiņnesējus, sauc par ķērājcentriem; 2) brīvo elektronu un caurumu savstarpēja rekombinācija ( atpakaļpāreja Z Z), kuras rezultātā izdalītā enerģija var atbrīvoties luminiscences veidā (tā saucamā malas luminiscence, kuras spektrs atrodas ļoti tuvu pašvielas fundamentālās absorbcijas zemo enerģiju malai) vai arī ierosināt kādu aktivātoru (piem., A 2 pāreju 1 3); 3) atgriežoties no līmeņa 3 uz pamatlīmeni 1 var rasties luminiscence; šajā gadījumā absorbcijas (ierosmes) josla (pāreja 1 3) ir tieši saistīta ar luminiscences joslu (pāreja 3 1), kura spektrā ir nedaudz nobīdīta uz zemo enerģiju pusi no ierosmes joslas (Stoksa nobīde); pēc pārejas 1 3 var notikt arī bezizstarojuma pāreja 3 2 un tad starojuma pāreja 2 1, kā rezultātā rodas luminiscence; 4) brīvais elektrons, saķeroties uz aktivātora ierosinātā līmeņa A * 1, var rekombinēt ar lokalizēto caurumu, radot luminiscenci (pāreja A * 1 A 1 ); ierosmes spektrs šādai luminiscencei sakrīt ar fundamentālās absorbcijas apgabalu un tas var būt kā ierosmes spektrs vairākām, ar dažādiem centriem saistītām luminiscences joslām; 5) līdzīgi kā zona zona pāreju gadījumā, arī eksitonu e 0 atpakaļpārejas (eksitonu anihilācijas) gadījumā enerģija var atbrīvoties luminiscences veidā (eksitonu luminiscence) vai arī ierosināt kādu aktivātoru. Atkarībā no absorbētās enerģijas pārveidošanās mehānisma izšķir rezonanses, spontāno, inducēto un rekombinatīvo luminiscenci. Spontānā luminiscence rodas luminiscences centram spontāni no ierosinātā stāvokļa atgriežoties pamatstāvoklī (pāreja A 1 * A 1 centrā A 1, pārejas 2 1 un 3 1 centrā A 2 ). Spontānās luminiscences atsevišķu gadījumu, kad starojuma pāreja notiek no tā paša līmeņa, uz kuru absorbcijas rezultātā tiek ierosināts centrs, sauc par rezonanses luminiscenci (pāreja 3 1 centrā A 2 ). Ja līmeņi 1, 2, 3 pieder vienam centram, tādā gadījumā runā par iekšcentru procesiem. Šādi procesi norisinās lielākā daļā luminoforu, kurus izmanto luminiscentās lampās. Zināmā mērā pie iekšcentru procesa var pieskaitīt arī eksitonu luminiscenci. Spontānās luminiscences dzišanas kinētika parasti ir eksponenciāla. Piemēram, ja nav luminiscences dzēšanas, tad luminiscences intensitāti I nosaka elektronu skaita izmaiņa laika vienībā ierosinātā stāvoklī 3: 6

7 dn 1 I = = n (1) dt τ un t τ n = n 0 e (2) kur τ 1 pārejas 3 1 varbūtība, n elektronu skaits ierosinātā stāvoklī laika momentā t, n 0 - elektronu skaits ierosinātā stāvoklī dzišanas sākumā, kad t = 0. Seko: I t τ = I 0 e (3) kur I 0 luminiscences intensitāte dzišanas sākumā, kad t = 0. Inducētā luminiscence rodas gadījumos, kad pāreja no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli notiek nevis spontāni, bet ārēja starojuma ietekmē. Rekombinatīvā luminiscence rodas, rekombinējot daļiņām, kas atdalījušās ierosinošās enerģijas ietekmē ( atpakaļpāreja Z Z, brīva elektrona rekombinācija ar centrā A 1 lokalizētu caurumu šīs rekombinācijas pēdējā stadija A 1 * A 1 ir spontānā luminiscence). Rekombinatīvā luminiscence ir ļoti raksturīga cietai vielai. Rekombinatīvās luminiscences dzišanas kinētika var būt ļoti sarežģīta. Piemēram, malas luminiscences gadījumā (pārejas Z Z), kad Z Z pārejas rezultātā rodas vienāds skaits brīvo elektronu (n) un caurumu (n), kuri savā starpā rekombinē, luminiscences kinētika ir otrās kārtas hiperbola: I 0 I = (4) 2 ( zn0t +1) dn 2 jo I = = zn (5) dt un n0 n = (6) zn t

8 kur z - rekombinācijas varbūtība. Rekombinējot brīviem elektroniem ar caurumiem, kas lokalizēti uz aktivātoriem (pāreja A 1 * A 1 ), dažādu blakus procesu dēļ var gadīties, ka lokalizēto caurumu skaits ir daudz lielāks nekā rekombinēt spējīgo elektronu skaits; šādā gadījumā var uzskatīt, ka rekombinācijas rezultātā caurumu skaits nemainās, un tad rekombinatīvās luminiscences kinētika ir eksponenciāla. Ne reti ir gadījumi, kad sākotnējā dzišanas stadijā kinētika ir eksponenciāla, bet vēlākās stadijās hiperboliska. Luminofora ierosmes laikā ķērājcentros lokalizētie lādiņnesēji (elektroni un caurumi) var saglabāties ilgāku laiku arī pēc ierosmes beigām luminofora ierosmes enerģija tiek uzkrāta (3.att., c). Uzkrāto enerģiju var atbrīvot, atbrīvojot lokalizētos lādiņnesējus no ķērājcentriem. To var izdarīt dažādos veidos. Viens no tiem ir luminofora stimulēšana ar gaismu optiskā stimulēšana. Gaismas absorbcija ķērājcentros var atbrīvot lādiņu nesējus, kuri pēc tam var rekombinēt ar pretējas zīmes lokalizētiem lādiņiem (rekombinācijas centriem) un rezultātā dot rekombinatīvo luminiscenci optiski stimulēto luminiscenci (OSL). Cits veids, kā atbrīvot lādiņu nesējus no ķērājcentriem, ir luminofora sildīšana. Sildīšanas rezultātā var notikt lādiņu termiskā atbrīvošana no ķērājentriem un tam sekojoša rekombinatīvā luminiscence termostimulētā luminiscence (TSL). Izpētot ierosinošā starojuma enerģijas uzkrāšanas un atbrīvošanas mehānismus un likumsakarības vielā, tiek izgatavoti luminofori dažādu starojumu reģistrēšanai un dozimetrijai Termostimulētā luminiscence (TSL) TSL kā parādību pazina jau ļoti sen. Īru izcelsmes angļu zinātnieks R. Boils TSL novēroja jau ap gadu, taču pienācīga sapratne par procesiem, kas rada TSL tika iegūta tikai aptuveni pēc diviem gadsimtiem, pateicoties Leibnica, Berceliusa, Vollastona un īpaši Lenarda darbiem. TSL kā metodes pētījumi aizsākās ar F. Urbaha darbiem. TSL metodes kvantitatīvās teorijas izstrādē lielu ieguldījumu devuši D. Rendolls, M. Vilkins un G. Garliks. 8

9 TSL sakarības. Visbiežāk TSL pētījumos eksperimentāli mēra divas sakarības: 1) TSL kopējās intensitātes atkarību no luminofora sildīšanas temperatūras TSL līkni (4.att., sarkanā, nepārtrauktā līkne); 2) TSL intensitātes atkarību no luminiscences viļņa garuma (vai luminiscences kvantu enerģijas) pie noteiktas temperatūras TSL spektru (4.att., punktētās līnijas). Reālos luminoforos parasti ir vairāku tipu ķērājcentri un rekombinācijas centri, tāpēc TSL līkne ir samērā sarežģīta ar vairākiem maksimumiem un dažādiem TSL spektriem. 1,0 TSL intensitāte, rel.v. 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Viļņa garums, nm Temperatūra, K 4. att. CsCdF 3 :Mn kristāla TSL līkne (nepārtrauktā līnija) un spektri atbilstošajos TSL pīķos (punkti) [M. Springis, A. Sharakovsky, I. Tale, U. Rogulis, X-irradiation induced photo- and thermoluminescence of CsCdF3:Mn, Phys. Stat. Sol. (c) 2, 1, (2005); Maģistra darbs: A. Šarakovskis Foto- un termostimulētie procesi CsCdF 3 kristālos ar Mn piejaukumiem, Rīga, 2005] TSL procesu apskats enerģētisko zonu shēmā. Lai saprastu TSL procesus, apskatīsim vienkāršu kristāliskā luminofora modeli ar diviem enerģijas līmeņiem aizliegtajā zonā: elektronu ķērājcentra D līmeni un aktivātora A līmeni (5.att.). Aktivātors A ir arī caurumu ķērājcentrs. Šādu luminoforu apstarojot, elektroni un caurumi tiek saķerti (lokalizēti) attiecīgi centros D un A. Pieņemsim, ka elektronu ķērājcentrā D lokalizēto elektronu skaits ir n. Atkārtotu lādiņu nesēju saķeršanu neievērosim. Pieņemsim, ka aktivātora A enerģētiskais dziļums (aktivācijas enerģija) ε A ir lielāks par elektronu centra D enerģētisko 9

10 dziļumu ε D. Tas nozīmē, ka, iepriekš apstaroto luminoforu sildot, vispirms atbrīvosies (delokalizēsies) elektroni no centra D un rekombinēs ar caurumiem, kas lokalizēti aktivātora centrā A. Vadāmības zona Vadāmības zona ε D D D ε D ~kt ε A >>ε D TSL A A ε Α Valences zona Valences zona a) pēc apstarošanas b) sildot 5. att. Vienkāršākais TSL process enerģētiskajā (zonu) shēmā Ir iespējams arī gadījums, kad ε A << ε D, tad vispirms atbrīvosies caurumi un rekombinēs ar lokalizētiem elektroniem. Lokalizēto lādiņnesēju skaita izmaiņu laikā apraksta sekojošs kinētiskais vienādojums: dn = np (7) dt kur n lokalizēto elektronu skaits; p varbūtība elektronam pāriet no ķērājcentra uz vadītspējas zonu. Vidējais elektrona dzīves laiks τ 1 ķērājcentrā ir τ =. p Līmenim ar aktivācijas enerģiju ε varbūtība p izsakās sekojoši: ε D kt p = p 0 e (8) 10

11 kur p 0 - reizinātājs (frekvenču faktors), kura skaitliskā vērtība tuva kristāliskā režģa svārstību frekvencei; k Bolcmaņa konstante; T temperatūra. dt Pie lineāra luminofora sildīšanas ātruma ( = β = const ) lādiņnesēju dt skaita n izmaiņas atkarību no temperatūras izsaka formula: ε D kt dn np0 e = (9) dt β Integrējot formulu (9), iegūst kopējo atbrīvoto lādiņnesēju skaitu: n = n e ε T D p0 kt e dt β T 0 0 (10) kur n 0 lokalizēto lādiņnesēju skaits temperatūrā T 0. dn Luminiscences intensitāte ir proporcionāla : dt I dn = α (11) dt ievērojot formulas (7), (8) un (10): I ε T D ε p 0 kt D e dt T kt β 0 0 = α n p e e (12) 0 kur α rekombinatīvās luminiscences kvantu iznākums Ķērājcentrus raksturojošie parametri. Vienādojums (12) nosaka TSL līkni TSL intensitātes atkarību no temperatūras luminoforam ar viena tipa elektronu ķērājcentriem. Vienādojumam nav analītiska atrisinājuma, tomēr ar dažādām tuvinājumu metodēm var noteikt teorētisko TSL līkni un iegūt galvenos ķērājcentrus raksturojošos parametrus: aktivācijas enerģiju ε A un frekvenču faktoru p. Kā izriet no vienādojuma (12), TSL līkne pie noteiktas temperatūras T m sasniedz maksimālo vērtību I m ; sildot tālāk luminoforu, TSL intensitāte samazinās. Tas saistīts ar faktu, ka TSL intensitāti nosaka 11

12 elektronu un caurumu rekombinācijas aktu skaits laika vienībā. Pieaugot temperatūrai, pieaug elektronu skaits, kuri atbrīvojas no ķērājcentriem un var rekombinēt ar caurumiem, līdz ar to TSL intensitāte pieaug. Taču ar laiku ķērājcentri iztukšojas un, neskatoties uz temperatūras paaugstināšanos, atbrīvojušos elektronu skaits samazinās un TSL intensitāte arī samazinās. Tātad TSL līknei ir zvanveida forma ar izteiktu intensitātes maksimumu. Šo TSL līknes formu nosaka divi procesi lādiņnesēju termiskā atbrīvošanās un ķērājcentru iztukšošanās (skat. 4. att., I = f(t), sarkanā līkne, kurai saskatāmas vismaz četras zvanveida formas, tātad dotajam paraugam ir vismaz četru tipu ķērājcentri). TSL līknes forma atkarīga arī no sildīšanas ātruma: pie lielāka sildīšanas ātruma zvanveida līkne kļūst šaurāka un augstāka, bet intensitātes maksimums nobīdās uz augsto temperatūru pusi TSL kinētikas. Parametru ε A un p noteikšanai izmanto dažādus teorētiskos tuvinājumus un dažādas TSL mērīšanas metodes atkarībā no TSL līknes formas un sarežģītības. Vispārīgā gadījumā TSL kinētiku apraksta vispārīgās kārtas kinētiskais vienādojums: I ε kt dn = α = αp n r 0 e, (13) dt kur r kinētikas kārta (eksperimenti liecina, ka visbiežāk 0 < r < 2). Pēdējā laikā, pateicoties eksperimentu tehnikas attīstībai un iespējai datorizēti veikt aprēķinus, izdodas samērā precīzi noteikt ķērājcentru parametrus arī šādos vispārīgos gadījumos (piem., frakcionētās termoizspīdināšanas metode), taču atbilstošie eksperimenti var ilgt pat vairāk kā desmit stundas, īpaši, ja TSL līkne ir sarežģīta un novērojama plašā temperatūru diapazonā. Dažkārt, lietojot atsevišķas TSL mērīšanas metodes, izdodas kvalitatīvi novērtēt TSL iespējamo mehānismu un, atbilstoši tam, lietot vienkāršākus tuvinājumus parametru aprēķināšanai. Vienu no šādiem tuvinājumiem atspoguļo vienādojums (12), kas apraksta tā saucamo pirmās kārtas kinētiku. Ar pirmās kārtas kinētiku var aprakstīt, piem., rekombinācijas procesus, kuros nenotiek lādiņnesēju atkārtota saķeršana, kā arī gadījumos, kad ķērājcentru koncentrācija ir daudz mazāka (vismaz 100 reižu) par rekombinācijas centru koncentrāciju. Ja šīs koncentrācijas ir 12

13 līdzīgas vai ar līdzvērtīgu varbūtību notiek lādiņnesēju atkārtota saķeršana un rekombinācija, tad procesu apraksta ar otrās kārtas kinētikas vienādojumu Izotermiskās kinētikas metode TSL kinētikas raksturošanai. Lai noteiktu TSL kinētikas kārtu, var lietot izotermiskās kinētikas metodi. Metodes būtība: luminoforu, kuram pēc ierosmes novērota TSL temperatūru intervalā T 1 < T 2, iztur nemainīgā temperatūrā T (T 1 < T < T 2 ) un mēra TSL intensitātes atkarību no laika. Šo atkarību nosaka rekombinācijas un ķērājcentru savstarpējās koncentrācijas un lādiņnesēju delokalizācijas mehānismi. Ja rekombinācijas process ir pirmās kārtas, tad I dn = α = αpn (14) dt ε p te kt 0 Ievērojot, ka n = n0 e ķērājcentrā lokalizēto lādiņu skaits laikā t pie temperatūras T un varbūtība p lādiņam termiski atbrīvoties no ķērājcentra ir: p ε kt = 0 1 = p e τ (14a) kur τ vidējais lādiņnesēju lokalizācijas laiks (dzīves laiks) ķērājcentrā pie temperatūras T, var iegūt: ε ε p kt 0te kt I = αn0 p0e e (15) Kā redzams, I atkarība no t ir eksponenciāla un tāpēc, logaritmējot vienādojumu (15) iegūst lineāru lni atkarību no t: ε ε kt ln I = ln( αp0 n0) p0te (16) kt Tātad pirmās kārtas rekombinācijas gadījumā TSL intensitātes kinētika pie nemainīgas temperatūras ir eksponenciāla. Šādā gadījumā, izmērot TSL kinētikas pie divām dažādām temperatūrām un izmantojot vienādojumus (15) un (16), var izrēķināt ε un τ. 13

14 Ja rekombinācijas process ir otrās kārtas (piem., termiski no ķērājcentriem atbrīvotajiem lādiņnesējiem ir iespēja ne tikai rekombinēt, bet arī atkārtoti saķerties ķērājcentros), tad I dn dt 2 = α = αpn (17) Pēc vairākiem pārveidojumiem, ievērojot atkārtotās saķeršanas iespējas, var iegūt TSL intensitātes atkarību no laika pie fiksētas temperatūras T: I ε 1 ε 1 kt 2 kt 2 = ( α pe ) ( + tpe ) (18) n No vienādojuma (18) redzams, ka otrās kārtas rekombinācijas gadījumā TSL intensitātes atkarība no laika pie nemainīgas temperatūras ir hiperboliska. Šajā gadījumā TSL parametru noteikšana ir sarežģītāka TSL gaismas summa. Vēl būtisks TSL parametrs ir gaismas summa S, ko iegūst, integrējot izteiksmi (12): S = I ( T ) dt ~ßn, tātad S ir proporcionāla sildīšanas ātrumam ß un kopējam lokalizēto lādiņnesēju skaitam n, kas savukārt ir proporcionāls to lādiņnesēju kopējam skaitam, kurus rada luminoforu ierosinošais starojums, resp., proporcionāls ierosinošā starojuma dozai, tātad TSL gaismas summa ir proporcionāla ierosinošā starojuma dozai. Pateicoties gaismas summas īpašībām, kā arī tam, ka sildot spēj luminiscēt ļoti daudzas un dažādas vielas, TSL tiek ļoti plaši izmantota praksē, tai skaitā arī dažādu starojumu dozimetrijā. Izmantojot lineāru sildīšanas ātrumu T=ßt, praksē parasti izmēra TSL intensitāti atkarībā no laika. Šādā gadījumā S~n, tātad gaismas summa nav atkarīga no sildīšanas ātruma. Reālos luminoforos parasti ir vairāku tipu ķērājcentri un rekombinācijas centri, tāpēc TSL līkne ir samērā sarežģīta ar vairākiem maksimumiem. TSL dozimetrijai cenšas izgatavot luminoforus, kuriem ir tikai viena tipa ķērājcentri vai vismaz to koncentrācija ir daudz lielāka par citu tipu ķērājcentriem. 14

15 3. TSL praktiskā izmantošana. TSL plaši lieto rentgenstaru, γ-staru, neitronu, smago jonu, ultravioleto staru dozimetrijā; kosmisko staru dozimetrijā atmosfēras augšējos slāņos, izmantojot mākslīgos Zemes pavadoņus. Tā kā materiālu TSL īpašības ir dažādas, tos izmanto dažādiem nolūkiem. Piem., BeO raksturojas ar ļoti efektīvu TSL, pie kam TSL līkne ir samērā vienkārša. BeO ir ļoti jutīgs pret γ-stariem, bet jutība pret termāliem neitroniem ir maza, tāpēc to var lietot kodolreaktoru ierīcēs kā γ-staru dozimetru. Nelielais atoma skaitlis 6. att. Norvēģu firmas IFE personālie termoluminiscentie dozimetri uz LiF kristālu bāzes (min doza 0.1 Gy) (Z eff =7), kas ļoti tuvs ūdens un mīksto audu atoma skaitlim (Z eff =7.4) paver plašas iespējas lietot BeO TSL dozimetrus medicīnā. Strauji attīstās TSL metodes izmantošana dabīgās radiācijas un kosmisko staru dozimetrijā, kur nepieciešami luminofori, kas spētu reģistrēt ļoti mazas starojuma dozas. Pašreiz iespējams reģistrēt γ-staru dozas aptuveni dažu μgy līmenī (piem., CaSO 4 : Dy, CaF 2 : Mn, Mg 2 SiO 4 : Tb TSL luminofori). Īpaša uzmanība pēdējos gados pievērsta ultravioletā starojuma dozimetrijai gan sakarā ar iespējamām izmaiņām saules starojumā, gan sakarā ar solāriju biznesa izplatīšanos. Aktuāls ir starojums ar viļņa garumu nm (enerģiju skalā ev), kuram ir spēcīga bioloģiskā iedarbība. Tas var izsaukt ādas apdegumus, iekaisumus un ādas vēzi. TSL tiek sekmīgi lietota arī arheoloģijā un ģeoloģijā, nosakot iežu, minerālu u.c. paraugu vecumu. Metode balstās uz pieņēmumu, ka arheoloģisko materiālu (mālu, keramikas u. c.) veidošanās laikā augstās temperatūrās visa iepriekš uzkrātā enerģija tikusi atbrīvota un TSL signāls nonullēts. Ja šādu materiālu atrodot, iespējams izmērīt TSL gaismas summu, tas nozīme, ka enerģija uzkrāta pēc materiāla izveidošanās, tā dzīves laikā dabīgā radiācijas fona vai kāda cita starojuma ietekmē. Apstarojot šo materiālu noteiktu laiku mākslīgi, pēc tam izmērot TSL un 15

16 salīdzinot abos gadījumos TSL gaismas summas, var noteikt, cik ilgā laikā (resp. kāds ir materiāla vecums) dabīgos apstākļos iespējams uzkrāt izmērīto gaismas summu. 4. Darba uzdevumi. 1. Novērot trīs dažādu luminoforu katodluminiscenci un luminiscences dzišanu (pēcspīdēšanu) pēc ierosmes izslēgšanas. 2. Novērot šo luminoforu fotoluminiscenci, ierosinot tos ar UV gaismu; novērot luminiscences dzišanu (pēcspīdēšanu) pēc ierosmes izslēgšanas. 3. Izmērīt istabas temperatūrā pēcspīdēšanas kinētiku AlN luminoforam, to ierosinot ar UV gaismu. 4. Noteikt AlN luminofora pēcspīdēšanas kinētikas raksturu (viena vai vairākas eksponentes, hiperbola?). 5. Noteikt ZnS luminofora TSL gaismas summas atkarību no apstarošanas ilguma ar UV gaismu. 5.Nepieciešamais aprīkojums un materiāli. 1. un 2. uzdevumiem: 1. Katodstaru lampa ar luminoforiem Katodstaru lampas turētājs Katodstaru lampas augstsprieguma barošanas avots (10 kv) Augstspiediena dzīvsudraba lampa (Hg lampa) Hg lampas barošanas avots (drosele) un 4. uzdevumiem: 1. Hg lampa Hg lampas barošanas avots (drosele) Paraugs - AlN luminofora tablete 4. Gaismas filtri: UV filtrs un filtrs redzamās gaismas izdalīšanai 5. Lēca 6. Gaismas slēdži (2 gab.) 7. Kamera ar parauga turētāju 8.Fotoelektronu pavairotājs (FEP) ar priekšpastiprinātāju un analogi-digitālo pārveidotāju ADC-10 16

17 9. FEP augstsprieguma barošanas avots 10.Dators ar PicoScope un Excel programmatūru 11. Vadi un kabeļi aparātu savienošanai. 5. uzdevumam: 1. Hg lampa Hg lampas barošanas avots (drosele) Paraugs - ZnS luminofora tablete 4. Gaismas filtri: UV filtrs un filtrs redzamās gaismas izdalīšanai 5. Lēca 6. Gaismas slēdži (2 gab.) 7. Termostats ar parauga turētāju-sildītāju 8. Termopāris 9. Multimetrs 10. Sildītāja barošanas avots 11. Fotoelektronu pavairotājs (FEP) ar priekšpastiprinātāju un analogi-digitālo pārveidotāju ADC FEP augstsprieguma barošanas avots 13.Dators ar PicoScope un Excel programmatūru 14. Vadi un kabeļi aparātu savienošanai 15. Djuara trauks ar šķidro slāpekli 6.Darba veikšanas apraksts Uzmanību! Pirms darba uzsākšanas nepieciešams uzmanīgi izlasīt nodaļas 7 (Drošības noteikumi) un 8 (Aparatūras raksturojums) Trīs dažādu luminoforu katodluminiscences un luminiscences dzišanas (pēcspīdēšanas) novērošana pēc ierosmes izslēgšanas ( 7. att.). 17

18 7. att. Katodluminiscences novērošanas iekārta Turot katodstaru lampu horizontāli, ievietot to turētājā tā, lai luminiscento paraugu pievads būtu vērsts uz leju. Savienot ar vadiem turētāja kontaktus F 1 un F 2 ar augstsprieguma avota aizmugurē esošās 6.3 V~ izejas kontaktiem. Savienot ar vadiem turētāja kontaktu C ar augstsprieguma avota (skat. nodaļu 8 Aparatūras raksturojums 15. att.) kontaktligzdas 6 negatīvo polu; savienot turētāja kontaktu A ar augstsprieguma avota kontaktligzdas 6 pozitīvo polu un zemējuma kontaktu 8. Savienot luminiscento paraugu pievadu ar turētāja kontaktu A. Ieslēgt ar slēdzi 1 augstsprieguma avotu un aplūkot paraugus (neskatīties tieši uz katodstaru lampas kvēldiegu!). Ar potenciometru 2 iestādīt izejas spriegumu 4.5 kv un novērot paraugu luminiscenci. Izslēgt augstsprieguma avotu un novērot paraugu pēcspīdēšanu. Ne ātrāk kā pēc 30 s pēc augstsprieguma izslēgšanas atvienot augstsprieguma avotu no lampas un lampas turētāja Novērot šo luminoforu fotoluminiscenci, ierosinot tos ar ultravioleto gaismu; novērot luminiscences dzišanu (pēcspīdēšanu) pēc ierosmes izslēgšanas ( 8. att.). 18

19 8. att. Fotoluminiscences novērošanas iekārta Novietot Hg lampu tā, lai ar to varētu apgaismot katodstaru lampā esošos paraugus. Pievienot Hg lampu barošanas avotam droselei. Ieslēgt barošanas avotu un ļaut lampai iesilt apm. 10 minūtes. Novērot paraugu luminiscenci (neskatīties tieši Hg lampā un tās gaismas starā!). Ievietot lampas starā UV filtru un turpināt novērot luminiscenci. Izslēgt lampas barošanas avotu un novērot paraugu pēcspīdēšanu Izmērīt istabas temperatūrā pēcspīdēšanas kinētiku AlN luminoforam, to ierosinot ar ultravioleto gaismu. Uzdevuma veikšanai izmantojama iekārta, kuras blokshēma parādīta 9. attēlā. Lai izmērītu pēcspīdēšanas kinētiku, paraugs vispirms jāierosina (jāapgaismo) ar UV starojumu istabas temperatūrā, izmantojot Hg lampu. Ierosmes laikā jāreģistrē luminiscences intensitāte, izmantojot FEP`u, analogi digitālo pārveidotāju ADC-10 un datoru. Paraugs jāgaismo tik ilgi (vairākas minūtes), kamēr luminiscences intensitāte vairs nemainās. Tad jāaizver ierosmes gaismas slēdzis un jāreģistrē luminiscences kinētika pēcspīdēšanas izmaiņa laikā. Uzdevuma izpildei jāveic darbības sekojošā kārtībā. 19

20 a) b) 1 Hg lampas barošanas bloks 2 Hg lampa 3 Gaismas slēdzis 4 Lēca 5 Filtrs 6 Termostata logs 7 Paraugs 8 Parauga turētājs sildītājs 9 Termostats 10 Sildītāja barošanas bloks 11 Termopāris 12 Multimetrs 13 Termostata logs 14 Gaismas slēdzis 15 Filtrs 16 FEP 17 FEP a barošanas bloks 18 Analogi digitālais pārveidotājs 19 Dators 9. att. Iekārtas blokshēma (a) un foto ar galvenajām komponentēm (b)

21 Ieslēgšanas izslēgšanas slēdzis 1 Augstsprieguma slēdzis 3 Potenciometra rokturis att. FEP a barošanas augstsprieguma avots Pirms uzdevuma veikšanas pārliecināties, ka FEP`a barošanas bloka augstsprieguma slēdzis 3 ir izslēgts! Pārliecināties, vai iekārta ir saslēgta atbilstoši blokshēmai. Pārliecināties, ka gaismas slēdži 3 un 14 ir aizvērti. Ieslēgt Hg lampu un ļaut tai iesilt apm. 10 minūtes. Piestiprināt paraugu turētājam sildītājam un kopā ar to ievietot parauga kamerā apm leņķī pret ierosmes un luminiscences mērīšanas kanāliem. Sildītājs 11. att. AlN paraugs 12. att. Parauga turētājs-sildītājs Paraugs Ieslēgt FEP`a barošanas avotu (10.att.): 1) ieslēgt slēdzi 1; 2) pārliecināties, ka potenciometra rokturis 2 atrodas stāvoklī 900 (izejas spriegums 900 V); 3) ieslēgt augstsprieguma slēdzi 3. Mērījumus veikt ar programmas PicoScope palīdzību: 21

22 1) atvērt Pico Technology programmu grupu un izvēlēties virtuālo instrumentu Pico Scope ; 2) atverot Pico Scope, parādās logs, kurā iespējams attēlot grafiski sprieguma atkarību no laika (13a. att.), dotā gadījumā spriegums ir proporcionāls luminiscences intensitātei; 3) ieteicams izmantot laika mērogu 10 s/ied vai 20 s/ied, sprieguma ieteicamais mērogs 0.5 V/ied; 4) ieslēgt laika atskaiti ar pogu GO (skat. 13b. att.); 5) pie aizvērtiem gaismas slēdžiem pārliecināties, ka 0 līnija atrodas apm. pie 3.5 V; 6) atvērt gaismas slēdzi 3; a) b) 13. att. Pico Scope programmas logs 7) uzmanīgi atvērt gaismas slēdzi 14 tā, lai signāla amplitūda nepārsniegtu 3.0 V; ievērot, signāls ir negatīvs! (13b. att.); 8) reģistrēt luminiscences intensitāti datorā tik ilgi, kamēr luminiscences intensitāte ar laiku vairs nemainās (nepieaug), tad aizvērt gaismas slēdzi 3 un reģistrēt pēcspīdēšanas kinētiku luminiscences intensitātes samazināšanos laikā (I=f(t)); 9) apturēt kinētikas reģistrēšanu ar pogu STOP brīdī, kad uz ekrāna vēl ir redzama signāla maksimālā amplitūda (13b. att.); Ievērot! Programma ļauj saglabāt tikai uz ekrāna redzamo grafika daļu; 10) saglabāt mērījumu (File- Save As), izvēloties atbilstošu nosaukumu ar paplašinājumu (obligāti!).txt. 22

23 6.4. Noteikt AlN luminofora pēcspīdēšanas kinētikas raksturu (viena vai vairākas eksponentes, hiperbola?). Analizēt eksperimentos iegūtos datus ar datorprogrammas Excel palīdzību, izmantojot programmas piedāvātās līkņu aproksimācijas iespējas. Tā kā mērsignāls ir negatīvs, pirms analīzes to ieteicams konvertēt par pozitīvu signālu. Pēcspīdēšanas kinētika lineārā mērogā parādīta 14. attēlā. Lai iegūtu priekšstatu, kāda aproksimācija piemērojama attiecīgai kinētikai, ieteicams pirms aproksimācijas izmantot programmas iespēju attēlot pēcspīdēšanas intensitātes atkarību no laika gan puslogaritmiskā (I=f(lnt)), gan dubultlogaritmiskā (lni=f(lnt)) mērogā. Atbilstoši teorijai, eksponenciāla kinētika puslogaritmiskā mērogā attēlojas kā taisne (izteiksme (16)), savukārt hiperboliska kinētika ir tuva taisnei dubultlogaritmiskā mērogā (izteiksme (18)). Kinētiku aplūkošana logaritmiskos mērogos var palīdzēt izvēlēties dotai kinētikai atbilstošo aproksimāciju parametru precizēšanai un TSL, kā rekombinācijas procesa, kārtas noteikšanai Luminiscences kinētika 2000 Intensitāte, rel.v Laiks, s 14. att. AlN parauga pēcspīdēšanas kinētika pēc apstarošanas ar UV gaismu 23

24 Vienādojums: y = A 1 *exp(-x/τ 1 ) + A 2 *exp(-x/τ 2 ) + A 3 *exp(-x/τ 3 ) + y 0 Intensitāte, rel.v y ±0 A ± τ ± A ± τ ± A ± τ ± Eksperimentālā līkne Aproksimācija Laiks, min 15. att. AlN parauga pēcspīdēšanas kinētika ar aproksimāciju Eksperimentālā līkne Aproksimācija Eksperimentālā līkne Aproksimācija Intensitāte, rel.v a Intensitāte, rel.v b Laiks, min Laiks, min 16. att. AlN parauga pēcspīdēšanas kinētika ar aproksimāciju (a) puslogaritmiskajā mērogā, (b) dubultlogaritmiskajā mērogā 6.5. Noteikt ZnS luminofora TSL gaismas summas atkarību no apstarošanas ilguma ar UV gaismu. Uzdevuma veikšanai izmantojama iekārta, kuras blokshēma parādīta 9. attēlā. Pirms uzdevuma veikšanas pārliecināties, ka FEP`a barošanas bloka augstsprieguma slēdzis 3 ir izslēgts (skat. 10. att.)! Pēc ZnS luminofora ievietošanas termostatā, luminofors jāapstaro ar UV gaismu vairākas reizes, katru reizi mainot apstarošanas ilgumu un pēc katras apstarošanas izmērot TSL līkni. No izmērītajām TSL līknēm jāaprēķina gaismas summa, kas izspīdējusi pēc katras apstarošanas. 24

25 dt Paraugs tiek sildīts ar nemainīgu ātrumu ( = β = const ), tāpēc TSL līkni dt I = f(t) (skat. izteiksmi (12)) var aizstāt ar tai proporcionālu līkni I = β S = I ( T ) dt = β I ( t) dt. Tā f(t), līdz ar to arī aprēķināmā gaismas summa kā gaismas intensitāti šajā darba mērām relatīvās vienībās, tad arī gaismas summu aprēķina relatīvās vienībās. Iegūtie dati jāapkopo tabulā, un grafiski jāattēlo gaismas summas atkarība no UV apstarošanas ilguma. Uzdevuma izpildei jāveic darbības sekojošā kārtībā. Pārliecināties, vai iekārta ir saslēgta atbilstoši blokshēmai. Pārliecināties, ka gaismas slēdži 3 un 14 ir aizvērti. Ieslēgt Hg lampu un ļaut tai iesilt apm. 10 minūtes. Piestiprināt ZnS paraugu turētājam sildītājam un kopā ar to ievietot paraugu termostatā apm leņķī pret ierosmes un luminiscences mērīšanas kanāliem. Sildītājs 18. att. Parauga turētājs-sildītājs 17. att. ZnS paraugs Paraugs Ieslēgt FEP`a barošanas avotu (skat. 10. att.): 1) ieslēgt slēdzi 1; 2) pārliecināties, ka potenciometra rokturis 2 atrodas stāvoklī 900 (izejas spriegums 900 V); 4) ieslēgt augstsprieguma slēdzi 3. Atvērt gaismas slēdzi 3 un gaismot paraugu 1 min. Aizvērt gaismas slēdzi 3 un atvērt gaismas slēdzi 14. Mērījumus veikt ar programmas PicoScope palīdzību: 1) atvērt Pico Technology programmu grupu un izvēlēties virtuālo instrumentu Pico Scope ; 2) atverot Pico Scope, parādās logs, kurā iespējams attēlot grafiski sprieguma atkarību no laika (13a.att.), dotā gadījumā spriegums ir proporcionāls luminiscences intensitātei, bet laiks proporcionāls temperatūrai; 25

26 3) ieteicams izmantot laika mērogu 50 s/ied, sprieguma ieteicamais mērogs 0.5 V/ied; 4) ieslēgt laika atskaiti ar pogu GO (skat. 13b. att.) un pārliecināties, ka 0 līnija atrodas apm. pie 3.5 V. Ieslēgt parauga sildīšanu, pievadot no sildītāja barošanas avota 55 V spriegumu. Reģistrēt TSL līkni datorā tik ilgi, kamēr luminiscences intensitāte sasniedz maksimālo vērtību un atkal samazinās līdz 0 (signāla amplitūda būs negatīva!), tad apturēt kinētikas reģistrēšanu ar pogu STOP (13b. att.). Izdarīt parauga temperatūras mērījumu ar termopāri, nolasot termo-eds vērtības ar multimetru un izmanto jot termopāra graduācijas tabulu (skat. nodaļu Aparatūras raksturojums - termopāris dzelzs-konstantāns); Saglabāt mērījumu (File, Save As...), izvēloties atbilstošu nosaukumu ar paplašinājumu(obligāti!).txt. Atdzesēt paraugu līdz istabas temperatūrai, ielejot šķidro slāpekli termostata dzesēšanas tilpnē (nepieļaut šķidrā slāpekļa izšļakstīšanos uz sejas un rokām!) un sekojot temperatūras rādījumiem (neatdzesēt paraugu zemāk par istabas temperatūru!). Šķidrais slāpeklis Dzesēšanas tilpne 19. att. Termostata dzesēšanas procedūra Atkārtot parauga apstarošanu 5, 10, 20 minūtes, pēc katras apstarošanas veicot TSL līknes mērīšanu. No iegūtajām līknēm aprēķināt gaismas summas katram apstarošanas laikam, izmantojot Excel programmu Apkopot tabulā un attēlot grafiski gaismas summas atkarību no UV apstarošanas laika. 26

27 1. tabula. TSL gaismas summa atkarībā no UV apstarošanas laika Nr. UV apstarošanas ilgums, min Gaismas summa, rel. v. 1 1 S S S S 4 a) Temperatūra, K b) TSL līkne TSL intensitāte Gaismas summa Laiks, s 20. att. ZnS parauga TSL līkne pēc 10 minūšu UV apstarošanas (a) uz datora ekrāna, (b) Excel programmā ar izrēķinātu gaismas summu (laukumu zem TSL līknes) S = Gaismas summa, rel. v UV apstarošanas laiks, min 21. att. ZnS parauga TSL gaismas summas atkarība no UV apstarošanas laika 27

28 7. Darba uzdevumiem atbilstošo nepieciešamo mērījumu, tabulu, grafiku, aprēķinu un pierakstu uzskaitījums 3. uzdevums 1. att. AlN parauga pēcspīdēšanas intensitātes atkarība no laika 4. uzdevums 2. att. 3. uzdevumā iegūtās līknes aproksimācija ar vajadzīgo funkciju. 1. pieraksts: rekombinācijas procesa kārtas noteikšana AlN parauga pēcspīdēšanu nosaka... process (-i) (n-tās kārtas eksponenciāls process vai hiperbolisks process) 5. uzdevums 3. att. ZnS parauga TSL līknes pēc 4 dažādiem UV apstarošanas laikiem Aprēķins Gaismas summas aprēķins S = β I ( t) dt [rel.v.] 2. tabula Gaismas summas vērtību atkarība no UV apstarošanas ilguma 2. tabula. TSL gaismas summa atkarībā no UV apstarošanas laika Nr. UV apstarošanas ilgums, min Gaismas summa, rel. v att. Gaismas summas vērtību atkarība no UV apstarošanas ilguma 8. Drošības noteikumi Katodstaru lampa ( ) un lampas turētājs ( ) Rīkoties uzmanīgi ar katodstaru lampu mehānisku triecienu gadījumā tā var eksplodēt, jo izgatavota no plāna stikla un tajā ir augsts vakuums. Vadus katodstaru lampai pievienot tikai tad, ja tā ievietota turētājā. Katodstaru lampas kontaktus stipri nespiest un nelocīt. 28

29 Katodstaru lampas darbināšanai lietot tikai tipa 10 kv augstsprieguma barošanas avotu. Nepārsniegt tehniskos noteikumos paredzētos katodstaru lampas darba parametrus (skat. Aparatūras raksturojums ). Nedarbināt katodstaru lampu ar spriegumu, lielāku par 4.5 kv; pie sprieguma virs 5 kv sākas rentgenstaru ģenerācija. Nepieskarties katodstaru lampai darba laikā lampa sakarst. Pirms darba sākšanas pārliecināties, vai katodstaru lampas turētājam nav mehānisku bojājumu. Nepieslēgt turētājam lielāku spriegumu, nekā atļauts tehniskajos noteikumos (skat. Aparatūras raksturojums ). Augstsprieguma avots 10 kv (521 70) Pirms darba sākšanas, kā arī pie jebkura pieslēguma maiņas pārliecināties, ka augstsprieguma avots ir izslēgts. Neslēgt vairākus augstsprieguma avotus virknē. Pirms ieslēgšanas potenciometru 2 pagriezt līdz galam pa kreisi (izejas spriegums = 0). Pieslēgumiem lietot tikai atbilstošus augstsprieguma kabeļus. Augstspiediena dzīvsudraba lampa (451 15) un lampas barošanas avots drosele (451 30) Rīkoties uzmanīgi nepieļaut mehāniskus triecienus, triecienu gadījumā lampa var eksplodēt. Darba laikā nepieskarties lampai lampas kupols ir karsts. Darba laikā neskatīties tieši lampā, kā arī atstarotā gaismā (UV starojums!); nepieciešamības gadījumā lietot aizsargbrilles. Neieslēgt spriegumu, pirms lampa nav pievienota barošanas avotam. 9. Aparatūras raksturojums Katodstaru lampa ( 22. att.) 29

30 22. att. Katodstaru lampa 1. Lampas barošanas elektriskie pievadi: F 1, F 2 katoda karsēšanas kvēldiega pievadi, A anoda pievads, C katoda pievads 2. Getera uzklājums vakuuma uzturēšanai 3. Luminiscento paraugu pievads (zemējums) 4. Luminiscentie paraugi: Sarkanais luminofors YVO 4 : Eu 3+ (λ L = 618 nm) Zaļais luminofors Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ (λ L = 525 nm) Zilais luminofors BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ (λ L = 450 nm) 5. Anods 6. Katods Lampas parametri: Kvēles spriegums ~U F V (ieteicamais 6.3 V) Kvēles strāva I F 1.5 A pie 6.3 V Anodspriegums =U A kv Spiediens lampā <10-6 hpa Katodstaru lampas turētājs ( 23. att.) 30

31 att. Katodstaru lampas turētājs 1. Kontaktligzda lampas elektropievadu iespraušanai 2. Pieslēguma panelis 3. Pamatplate Augstsprieguma avots 10 kv ( 24. att.) 24. att. Augstsprieguma avots Ieejas (barošanas) spriegums ~ 230 V, 50/60 Hz Jauda 30 VA 1. Ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis ar indikatora lampu 2. Potenciometrs izejas sprieguma iestādīšanai 3. Izejas sprieguma indikātors 4. Izejas ligzdu pārslēdzējs: pārslēdzējs labajā pusē aktīva 6 izeja; pārslēdzējs kreisajā pusē aktīva 7 izeja; pārslēdzējs vidū izejas 6 un 7 saslēgtas virknē 5.1. un 5.2. Aktīvo izeju indikātori 6 un 7 izejas augstsprieguma ligzdas: izeja 6: 0 5 kv, I max = 2 ma izeja 7: 0 5 kv, I max = 200 μa izejas 6 un 7 virknē: 0 10 kv (-5 kv kv, centrālais zemējums, I max = 200 μa pie U<5 kv, I max = 100 μa pie U>5 kv) Izejās 6 un 7 spriegums izzūd 30 s pēc aparāta izslēgšanas. 31

32 8. Zemējuma ligzda 9. Pieslēguma ligzda izejas sprieguma regulēšanai no ārēja avota 10. (augstsprieguma avota aizmugure) ~6.3 V (I max = 2 A) izejas ligzda Augstspiediena dzīvsudraba lampa un lampas barošanas avots (25. att.) att. Augstspiediena dzīvsudraba lampa un barošanas avots 1. Savienotājs E Stikla kolba ar caurspīdīgu gaismas izejas logu Kvarca kolba ar dzīvsudrabu un iekausētiem elektrodiem 4. Lampas turētājs ar pievadu. 5. Lampas barošanas avots (ieeja ~230 V/50 Hz): Ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis ar indikātoru Izejas sprieguma kontaktligzda (I = 1 A) Lampas parametri Starta spriegums 200 V Darba spriegums 115 V Darba strāva 0.8 A Jauda 80 W Fotoelektronu pavairotājs (FEP) Tips FEP 39 Barošanas spriegums = 900 V Jutības spektrālais diapazons nm 32

33 Termopāris: dzelzs konstantāns Dzelzs-konstantāna termopāra graduācijas līkne T(K)= * EDS(mV) Temperatūra, K Termopāra EDS, mv 26. att. Dzelzs-konstantāna termopāra graduācijas līkne Multimetrs Nepieciešamais diapazons: mv (DC) 27. att. Termopāra EDS mērīšanai izmantojamais multimetrs 33

34 10. Testa jautājumi Katram jautājumam jāizvēlas viena pareiza atbilde. 1. Ar ko luminiscence atšķiras no citiem nelīdzsvarotiem starojumiem? a. Ar intensitāti b. Ar ilgumu c. Ar spektrālo sastāvu 2. Kādas īpašības nepieciešamas vielai, lai tā varētu luminiscēt? a. Diskrēts enerģiju spektrs b. Starojuma pāreju varbūtībai jābūt lielākai par bezizstarojuma pāreju varbūtību c. Abi iepriekšējie nosacījumi kopā 3. Ar ko ierosina radioluminiscenci? a. Ar γ-stariem, protoniem b. Ar rentgenstariem c. Ar elektrisko lauku 4. Kurā vietā elektromagnētisko viļņu skalā parasti meklējama eksitonu luminiscence? a. Fundamentālās absorbcijas apgabalā b. Fundamentālās absorbcijas garo viļņu malā c. Tuvu fononu absorbcijai infrasarkanajā rajonā 5. Kāda kinētika ir rezonanses luminiscencei? a. Hiperboliska b. Paraboliska c. Eksponenciāla 6. Kurā vietā elektromagnētisko viļņu skalā parasti atrodas fotoluminiscences ierosmes joslas maksimums attiecībā pret luminiscences joslas maksimumu? a. Uz īso viļņu pusi b. Uz garo viļņu pusi c. Sakrīt ar luminiscences joslas maksimumu 34

35 Pamatliteratūra Papildliteratūra Interneta resursi 7. Kāds luminiscences veids ir termostimulētā luminiscence? a. Rekombinatīvā luminiscence b. Spontānā luminiscence c. Rezonanses luminiscence 8. Ko rāda TSL līkne? a. TSL intensitātes atkarību no luminiscences viļņa garuma? b. TSL intensitātes atkarību no temperatūras 9. Ar ko skaitliski vienāda TSL gaismas summa? a. Ar laukumu zem TSL līknes b. Ar TSL maksimālo intensitāšu summu 1. E. A. Sviridenkovs Luminiscence, Fizikas enciklopēdiskā vārdnīca, izd. Maskavā 1984, 354 (krievu val.). 2. V. L. Ļevšins. Šķidru un cietu vielu fotoluminiscence, izd. Maskavā 1951, (krievu val.). 3. K. K. Švarcs, Z. A. Grants, T. K. Mežs, M. M. Grūbe. Termoluminiscentā dozimetrija, izd. Rīgā, 1958, K. Mahesh, P. S. Weng, C. Furetta. Thermoluminescence in Solids and its Applications, Nucl. Techn. Publ., U.K., 1989, web.phys.ksu.edu/vqm/software/online/vqm/html/phosphorescence.html 35