Успехи люминесценции (В. Фабрикант, доктор физико-математических наук, профессор)

Далеко не каждый владелец часов со светящимися стрелками и циферблатом знает, что он носит на руке или в кармане одну из первых установок мирного использования атомной энергии. Вещество, покрывающее стрелки и цифры таких часов, называется светосоставом, или люминофором. В нем происходит сложный процесс преобразования внутриатомной энергии в энергию света.

В это вещество (обычно сернистый цинк) введено небольшое количество каких-либо радиоактивных атомов, ядра которых непрерывно испускают чрезвычайно быстрые частицы (ядра атомов гелия). Непрерывная бомбардировка, так сказать изнутри, основного вещества быстрыми частицами и вызывает его свечение. Таким образом, ядерная энергия сначала превращается в энергию быстро летящих частиц, а затем энергия этих частиц уже преобразуется в световую энергию. При этом свечение не сопровождается заметным нагревом светящегося тела, т. е. получается одна из разновидностей холодного света, называемого люминесценцией.

Учение о холодном свете, или о люминесценции, достигло особенно больших успехов за последние десятилетия. В настоящее время холодный свет получил широкое применение в технике. Это характерный для советской науки пример быстрого внедрения в практику результатов физических исследований.

В развитии учения о люминесценции выдающуюся роль сыграли советские ученые и в первую очередь академик С. И. Вавилов. С. И. Вавилов превратил учение о люминесценции в настоящую науку. Ему принадлежит первое строго научное определение самого явления люминесценции. Казалось бы, что вопрос о точном определении этого явления сугубо отвлеченный. Однако определение понятия люминесценции, данное С. И. Вавиловым, оказалось мощным орудием открытия совершенно новых важных явлений. В частности, руководствуясь признаками люминесценции, установленными С. И. Вавиловым, его ученик П. А. Черенков открыл новый тип свечения (эффект Вавилова - Черенкова), получивший за последние годы широкое применение в технике ядерных исследований для регистрации быстрых частиц. С. И. Вавилову принадлежит также открытие основного закона управляющего преобразованием энергии в люминофорах. Этот закон по справедливости называют во всем мире законом Вавилова. С. И. Вавилов и его ученики показали, что изучение люминесценции дает возможность выяснить важные стороны строения жидких и твердых тел.

Остановимся кратко на различных типах люминесценции. Наиболее изученной является фотолюминесценция, при которой происходит превращение световой энергии в световую же. Смысл этого превращения заключается в изменении качества света. При помощи фотолюминесценции, в частности, можно превратить невидимые ультрафиолетовые лучи в видимые.

Источником невидимых ультрафиолетовых лучей служат "черные" лампы. Это - кварцевые ртутные лампы, заключенные в колбы из специального черного стекла, задерживающего все видимые лучи, но пропускающего ультрафиолетовые. Большое число органических красок и таких соединений, как сернистый цинк или сернистый кадмий (с ничтожными добавками меди или серебра), начинает ярко светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Можно получить любой цвет свечения в зависимости от состава люминофора.

На этом основано применение люминесценции для светомаскировки. Так, например, на самолетах покрывают люминофорами ручки управления и циферблаты приборов. При облучении ультрафиолетовыми лучами они ярко светятся, но не нарушают светомаскировки самолета. Важно подчеркнуть, что свечение люминофоров обладает затяжкой (инерцией), оно продолжается и после прекращения облучения люминофора. Люминофор обладает как бы свойствами аккумулятора световой энергии и разряжается постепенно. Время "разрядки" люминофоров колеблется от стамиллионной доли секунды до десятков часов. Все зависит от состава люминофора. Уже вполне реально создание таких люминофоров, которые бы заряжались днем от солнечного света, а ночью отдавали запасенную энергию и освещали дома. Для этого достаточно будет покрыть инерционным люминофором потолки комнат.

Пока мы вынуждены пользоваться гораздо более сложным способом применения люминофоров для освещения. Речь идет о люминесцентных лампах, или о лампах дневного света. Люминесцентная лампа представляет длинную стеклянную трубку, в концы которой впаяны два металлических электрода. Из трубки удален воздух, и она наполнена газом аргоном. Кроме того, в трубку введена капелька ртути. Если приложить к электродам лампы электрическое напряжение, сквозь газ пойдет ток. Часть ртути при этом испарится, и трубка заполнится парами ртути.

При прохождении электрического тока сквозь смесь из аргона и паров ртути значительная доля электрической энергии превращается в энергию ультрафиолетовых невидимых лучей. На внутренней поверхности стекла нанесен тонкий слой люминофора. Под действием падающих на него ультрафиолетовых лучей люминофор дает видимое свечение.

В лампе происходит двукратное превращение энергии: сначала электрическая энергия превращается в энергию ультрафиолетовых лучей, а она в свою очередь преобразуется люминофором в энергию видимых лучей. Это видимое свечение и составляет свет, даваемый лампой. Каждое такое превращение, конечно, сопряжено с потерей энергии, но все же люминесцентные лампы обладают коэффициентом полезного действия, в три - четыре раза большим, чем у ламп накаливания. Применение люминесцентных ламп снижает в три - четыре раза расход электроэнергии на освещение.

Люминесцентная лампа по сравнению с лампой накаливания - очень молодой источник света, возможности которого далеко не исчерпаны. Помимо высокой экономичности, она имеет такое достоинство, как длительный срок службы. Он в три раза больше срока службы ламп накаливания и превышает 3000 час. Кроме того, изменяя состав люминофора, можно менять цвет люминесцентной лампы. В настоящее время уже выпускаются лампы дневного света, дающие свет, неотличимый от естественного дневного света. Такие лампы широко применяются там, где важно различать оттенки цветов - в текстильной промышленности, при изготовлении карт и т. д.

Кроме дневных ламп, выпускаются "белые" и "теплобелые" лампы, особенно пригодные для освещения человеческих лиц, придающие лицам приятный оттенок. В последнее время выпущены "солнечные лампы", дающие, кроме видимых лучей, небольшое количество ультрафиолетовых лучей. Свет этих ламп по своим гигиеническим свойствам близок к настоящему солнечному свету и обладает оздоравливающим действием.

Исключительно большие перспективы открылись для применения фотолюминесценции в технике и промышленности - контроль за качеством продукции, дефектоскопия металлических изделий. Раньше детали проверялись так: на их поверхность наносили слой магнитного порошка, который осаждался в трещинах и тем самым давал возможность выявлять дефекты. Однако этот метод применим только к магнитным материалам. Люминесцентный метод универсален. Он позволяет осуществлять контроль за качеством деталей из черного и цветного металла, сплава, пластмассы, независимо от их формы, габаритов и качества обработки поверхности.

Предварительно деталь очищают, покрывают люминесцирующим раствором, обдувают сжатым воздухом и посыпают силикагелем - пористым кварцевым песком. После встряхивания детали на ее поверхности остается лишь силикагель, впитавший в себя раствор из трещин. При освещении детали ультрафиолетовым светом песок дает яркое желто-зеленое и зелено-голубоватое свечение. В результате все трещины, в том числе и мельчайшие, отчетливо видны, их можно даже сфотографировать. Люминесцентный метод позволил резко сократить брак, улучшить технологию и повысить качество изделий. Так, применение его для контроля твердосплавного инструмента позволило сократить брак по микротрещинам в сорок раз.

Трудно в небольшой статье даже перечислить все случаи применения фотолюминесценции. Люминесцирующие краски в театре дают возможность мгновенных, буквально сказочных изменений декораций и гримов действующих лиц. Для этого достаточно включить соответствующее ультрафиолетовое освещение. С помощью люминесценции устанавливают подлинность документов и старинных картин. Люминесценция служит для определения свежести продуктов: чем ярче они люминесцируют под лучами "черной" лампы, тем опаснее их употребление в пищу.

Другим важным типом люминесценции служит катодолюминесценция. Так называется свечение в результате бомбардировки люминофоров электронами. Это свечение родственно по своей природе свечению часов с люминофором. Правда, каждая частица, бомбардирующая люминофор на циферблате часов, в семь с лишним тысяч раз тяжелее электрона. Кроме того, как мы говорили, эти сравнительно тяжелые частицы возникают в объеме люминофора, а при катодолюминесценции электроны обычно получаются от специального источника и бомбардируют слой люминофора извне. Электроннолучевая трубка представляет собой прибор, работа которого основана на явлении катодолюминесценции.

Современное телевидение и радиолокация немыслимы без применения электроннолучевых трубок, т. е. без использования катодолюминесценции. В трубке телевизионного приемника электронный луч движется по люминесцирующему экрану. При этом приходящие сигналы управляют интенсивностью электронного луча, что в свою очередь сказывается на яркости свечения люминофора. В результате получаются темные и светлые пятна, образующие изображение. В телевизоре важно иметь возможно более яркий люминофор с возможно более коротким по времени высвечиванием. Иначе изображения движущихся предметов окажутся смазанными.

В радиолокации электронный луч используется для регистрации приходящего сигнала в виде "всплеска" на светящейся кривой, рисуемой лучом на люминесцирующем экране. Здесь, наоборот, часто нужно несколько "задержать" изображение на экране. Для этого применяются специальные приемы. В частности, используется двухслойный экран. Верхний слой экрана возбуждается непосредственно электронным лучом, а нижний слой - свечением верхнего слоя, т. е. уже за счет фотолюминесценции. Применение такого сложного экрана оправдано тем, что при фотолюминесценции можно получить гораздо большие затяжки свечения, чем при электронном возбуждении.

Катодолюминесценция помогла также разрешить проблему видения в темноте (темновидение), особенно важную в военном деле. Эта проблема решается при помощи электроннооптических преобразователей, в которых существенную роль играет люминесцирующий экран.

Во вторую мировую войну в ночных боях на острове Окинава были применены снайпероскопы - оптические прицелы, снабженные электроннооптическими преобразователями. Позиции противника облучались прожекторами, закрытыми фильтрами, пропускающими только невидимые инфракрасные лучи. Отраженные от целей инфракрасные лучи давали в снайпероскопах видимые изображения, при помощи которых можно было в полной темноте вести прицельную стрельбу.

Для инфракрасной секретной сигнализации был создан метаскоп - прибор, основанный на очень своеобразном применении люминесценции. Некоторые люминофоры, содержащие редкие земли (церий, самарий и европий), дают под действием инфракрасных лучей видимую вспышку зеленого или красного цвета. Для этого такой люминофор надо предварительно возбудить ультрафиолетовыми или видимыми лучами и дать ему высветиться. Оказывается, что высветившийся люминофор сохраняет еще в скрытом виде часть энергии возбуждения в течение долгого времени. Вот такой люминофор, обладающий скрытым избытком энергии возбуждения, и разряжается при помощи инфракрасных лучей. Роль инфракрасных лучей здесь примерно такова же, как роль пальца, спускающего курок. Энергия выстрела во много раз больше работы, затраченной пальцем. Точно так же малоэнергичные инфракрасные лучи вызывают вспышку энергичных видимых лучей. В метаскопе укреплен экранчик, сделанный из вспышечного люминофора, который начинает светиться при попадании в прибор инфракрасного сигнала.

В самое последнее время открыт и уже начал применяться совершенно новый тип люминесценции - электролюминесценция. Она возникает, если слой соответствующего люминофора поместить между двумя обкладками конденсатора и к этим обкладкам приложить быстропеременное электрическое напряжение. Для выхода наружу свечения люминофора одна из обкладок делается прозрачной (проводящее стекло). При электролюминесценции происходит непосредственное превращение электрической энергии в световую. Электролюминесценция позволяет получать большие равномерно светящиеся поверхности. Недостатком "люминесцентных конденсаторов" является пока малая яркость, но уже предложена очень остроумная схема применения электролюминесценции для усиления яркости телевизионных изображений.

Таковы некоторые примеры использования люминесценции в технике. В настоящее время в советских физических лабораториях изыскиваются новые пути практического применения люминесценции.