《发光在照明和探测中的应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发光在照明和探测中的应用课件（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用2012-11发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用发光在照明中的应用发光在照明中的应用n n 1938年荧光灯的实用化是照明光源的一次革命性进展，也开创了发光材料在照明光源上应用的历史。n n照明和发光材料相互促进，相互提高n n在发光材料系列中，灯用发光材料的应用最早，品种最多，产量最大，发展最快。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n灯的种类：灯的种类： 室内外普通照明、显示用、广告灯、室内外普通照明、显示用、广告灯、 荧光灯、高压汞荧光灯、金属卤化物灯、荧光信号管灯荧光灯、高压汞荧光灯、金属卤化物灯、荧光信号管灯
2、发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用荧光灯荧光灯n n荧光灯是应用了低压汞蒸气放电将电能转换荧光灯是应用了低压汞蒸气放电将电能转换为为254nm254nm紫外线和紫外线和254nm254nm紫外线激发发光材紫外线激发发光材料发出可见光而得到的一种高效照明光源。料发出可见光而得到的一种高效照明光源。n n灯的结构灯的结构 玻璃管、发光涂层、电极、汞、玻璃管、发光涂层、电极、汞、ArAr发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n荧光灯工作电路图启辉器是一个辉光放电管，管内充有启辉器是一个辉光放电管，管内充有Ar, Ar, NeNe或或Ar-NeAr-Ne混合气体。混合气体。
3、灯点亮过程灯点亮过程发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n荧光灯的能量转换节能型节能型40W40W直管荧光灯直管荧光灯发光材料发光占发光材料发光占8888发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用色温、光色、显色指数色温、光色、显色指数n n一光源的发光颜色，与某个温度的黑体的发光颜色相同或相近时；或者说，一光源的发光光谱与某个温度的发光光谱相同或相近时，这一黑体的温度就定义为该光源的色温色温。 n n光色光色：光源的颜色发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n nIECIEC规定四种光色及色温规定四种光色及色温光色名称光色名称简称简称对应色温对应色温日光色（日
4、光色（DaylightDaylight）D D6500K6500K冷白色（冷白色（Coolwhite)Coolwhite)CWCW4200K4200K白色（白色（WhiteWhite）WW30003500K30003500K暖白色（暖白色（Warm WhiteWarm White）WWWW2850K2850K发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n色温表发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n色温图发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n色温表发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n普通照明用自镇流灯色品性能中国标准相关色温发光在照明和探
5、测中的应用发光在照明和探测中的应用相关色温相关色温n n已实用化的照明光源中，只有白炽灯具有的连续发光已实用化的照明光源中，只有白炽灯具有的连续发光光谱和黑体的光谱分布最接近，灯的色坐标值可落在光谱和黑体的光谱分布最接近，灯的色坐标值可落在黑体轨迹上或附近，由色坐标值来确定灯的色温。黑体轨迹上或附近，由色坐标值来确定灯的色温。n n其他类型的照明光源的发光光谱即使是连续谱，也和其他类型的照明光源的发光光谱即使是连续谱，也和黑体的发光光谱不一致，有的甚至相差很大，但两者黑体的发光光谱不一致，有的甚至相差很大，但两者发光的颜色却相近。在这种情况下，这类照明光源的发光的颜色却相近。在这种情况下，这类
6、照明光源的色坐标值就会偏离黑体轨迹。色坐标值就会偏离黑体轨迹。n n在色品图上，某一照明光源的色坐标点到黑体轨迹线在色品图上，某一照明光源的色坐标点到黑体轨迹线上的最近距离所对应的黑体温度，就称为该光源的上的最近距离所对应的黑体温度，就称为该光源的相相相相关色温关色温关色温关色温。( (附图附图) )发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用显色性显色性n n物体的颜色是白天通过太阳光、晚上通过光源照明后物体的颜色是白天通过太阳光、晚上通过光源照明后才显现出来。在光源照射下物体的颜色会因光源的光才显现出来。在光源照射下物体的颜色会因光源的光谱分布不同而出现差异。谱分布不同而出现差异。n
7、n例如日光灯色荧光灯观察到的红色物体，再拿到低压例如日光灯色荧光灯观察到的红色物体，再拿到低压钠灯下观察就成为酱红色。钠灯下观察就成为酱红色。n n由光源的光谱分布不同，照射物体所引起的颜色差异，由光源的光谱分布不同，照射物体所引起的颜色差异，正反应了光源显色性能的差别。光源在照射物体后所正反应了光源显色性能的差别。光源在照射物体后所引起的颜色效果就称为该光源的引起的颜色效果就称为该光源的显色性显色性。n n光源显色性是一个主观的定性的概念，是依据人们对光源显色性是一个主观的定性的概念，是依据人们对物体在光源照射下的颜色感觉，同记忆中的白天日光物体在光源照射下的颜色感觉，同记忆中的白天日光照射
8、同一物体的颜色感觉作对比来确定的。照射同一物体的颜色感觉作对比来确定的。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用显色指数显色指数n n在特定条件下，物体由光源照明和由参比施照体（即标准光源D65）照明时，知觉色符合程度的度量就称作该光源的显色指数。n nCIE规定光源的显色指数由下式确定：n nEi为照明光源由标准光源D65换成待测光源时，试验色i在CIE1960年UCS色品图上所引起的色差值 发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n nE Ei i由下式计算得出：由下式计算得出： 式中式中u uki ki、v vki ki为待测光源（为待测光源（k k）照射试验色（）照射试
9、验色（i i）时）时的的19601960UCSUCS色坐标值；色坐标值； u u0i0i、v v0i0i为标准光源为标准光源D D6565(0)(0)照射试验色（照射试验色（i i）时的）时的19601960UGSUGS色坐标值；色坐标值； u uk k、v vk k为待测光源（为待测光源（k k）的）的19601960UCSUCS色坐标值；色坐标值； u u0 0、v v0 0为标准光源为标准光源D D6565(0)(0)的的1960-UCS1960-UCS色坐标值。色坐标值。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用平均显色指数平均显色指数n n18号试验色发光在照明和探测中的应用发
10、光在照明和探测中的应用三基色荧光灯三基色荧光灯n n19741974年荷兰年荷兰J.M.P.J.VerstegenJ.M.P.J.Verstegen等先后合成了：（等先后合成了：（CeCe，TbTb）MgAlMgAl1111O O1919( (绿色，绿色，544nm544nm）（）（Ba,Eu)MgBa,Eu)Mg2 2AlAl1616O O2727（蓝色，（蓝色，450nm450nm），），Y Y2 2O O3 3:Eu:Eu3+3+（红色，（红色，611nm611nm），），将这三种发光材料按一定比例混和，可制成将这三种发光材料按一定比例混和，可制成2500 -2500 -6500K650
11、0K范围的各种色温荧光灯，灯的平均显色指数范围的各种色温荧光灯，灯的平均显色指数RaRa大于大于8080，光效也高达，光效也高达80lm/W80lm/W。这类荧光灯就称为三。这类荧光灯就称为三基色荧光灯，也可称为窄带发光型荧光灯，以区别于基色荧光灯，也可称为窄带发光型荧光灯，以区别于长期使用卤粉制作的宽带发光型荧光灯。长期使用卤粉制作的宽带发光型荧光灯。n n目前广泛使用的各种紧凑型荧光灯目前广泛使用的各种紧凑型荧光灯( (俗称节能灯俗称节能灯) )，就，就是以此为基础发展的。是以此为基础发展的。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用荧光灯用发光材料荧光灯用发光材料n n发展历史第一
12、代第一代第二代第二代第三代第三代发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用第一代第一代n n最早用于荧光灯的发光材料是最早用于荧光灯的发光材料是: : CaWOCaWO4 4蓝粉蓝粉 ZnZn2 2 Si04:Mn Si04:Mn绿粉绿粉 CdBCdB2 20 05 5:Mn:Mn橙红粉橙红粉n n按一定比例混合制灯，按一定比例混合制灯，40 W40 W白色荧光灯的光效为白色荧光灯的光效为40 lm/W40 lm/W。后。后改用改用MgWOMgWO4 4蓝粉和蓝粉和(Zn, Be)(Zn, Be)2 2Si04 : MnSi04 : Mn黄粉混合，制出的黄粉混合，制出的40W40W白白色
13、荧光灯的光效提高为色荧光灯的光效提高为45 lm/W45 lm/W左右，经过发光材料及制灯工左右，经过发光材料及制灯工艺上的改进，到艺上的改进，到19481948年可提高到年可提高到50 lm/W50 lm/W以上。以上。n n由于几种发光材料的相对密度、粒度不同，不易匹配，铍又有由于几种发光材料的相对密度、粒度不同，不易匹配，铍又有毒性，使上述各材料的广泛应用受到限制。开拓新一代灯用发毒性，使上述各材料的广泛应用受到限制。开拓新一代灯用发光材料受到了人们的重视。光材料受到了人们的重视。19481948年开始实用化的卤磷酸钙（简年开始实用化的卤磷酸钙（简称卤粉）发光材料问世之后，上述各材料就被
14、卤粉所取代。称卤粉）发光材料问世之后，上述各材料就被卤粉所取代。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用第二代第二代n n 1942 1942年英国年英国A. H. MckeagA. H. Mckeag等发明了单一组分等发明了单一组分的的3Ca3Ca3 3 (P04) (P04)2 2 Ca(F, Cl)Ca(F, Cl)2 2 : Sb, Mn, : Sb, Mn,n n人们通常简称为卤粉。人们通常简称为卤粉。n n19481948年开始普及应用。由于这一材料是单一年开始普及应用。由于这一材料是单一基质、发光效率高、光色可调基质、发光效率高、光色可调( (暖白色、白色、暖白色、白色、
15、冷白色、日光色等冷白色、日光色等) )、原料丰富、价格低廉，、原料丰富、价格低廉，从实用化至今，一直是直管荧光灯从实用化至今，一直是直管荧光灯( (管径为管径为26mm, 38mm)26mm, 38mm)用的主要发光材料。用的主要发光材料。n n在在2020世纪世纪7070年代达到了年代达到了80lm/W80lm/W的高水平的高水平发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用元素周期表发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n卤粉在荧光灯应用中，还存在两个缺陷发光光谱中缺少发光光谱中缺少450nm450nm以下蓝光和以下蓝光和600600以以上红光，使灯的上红光，使灯的R Ra
16、 a值偏低。值偏低。在紫外线在紫外线185nm185nm作用下，形成色心，这些作用下，形成色心，这些色心强烈吸收色心强烈吸收254nm254nm，而不产生发光，使，而不产生发光，使灯的光衰较大，灯的光衰较大，在细管径荧光灯上的应用在细管径荧光灯上的应用受到了限制。（受到了限制。（185nm185nm的辐射随着管径减的辐射随着管径减小而升高）小而升高）发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n第三代第三代n n19741974年荷兰年荷兰J.M.P.J.VerstegenJ.M.P.J.Verstegen等先后合成了：等先后合成了：（CeCe，TbTb）MgAlMgAl1111O O
17、1919( (绿色，绿色，544nm544nm）（）（Ba,Eu)MgBa,Eu)Mg2 2AlAl1616O O2727（蓝色，（蓝色，450nm450nm），），Y Y2 2O O3 3:Eu:Eu3+3+（红色，（红色，611nm611nm），将），将这三种发光材料按一定比例混和，可制成这三种发光材料按一定比例混和，可制成2500 -6500K2500 -6500K范围的各种色温荧光灯，灯的范围的各种色温荧光灯，灯的平均显色指数平均显色指数RaRa大于大于8080，光效也高达，光效也高达80lm/ 80lm/ WWTb，英文名：Terbium中文名：铽t 发光在照明和探测中的应用发光在照
18、明和探测中的应用n n稀土发光材料的特点：可见光谱区中，谱线丰富，属于窄带发可见光谱区中，谱线丰富，属于窄带发光，在所期望的波长范围内的发光能量集光，在所期望的波长范围内的发光能量集中。中。抗紫外辐照，高温特性好，能适应高负抗紫外辐照，高温特性好，能适应高负荷荧光灯的要求。荷荧光灯的要求。发光效率高，三基色稀土荧光体的量子发光效率高，三基色稀土荧光体的量子效率均在效率均在90%90%以上。以上。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n已开发和应用的稀土三基色发光材料发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用对发光材料性能的要求对发光材料性能的要求n n 首先要求发光材料能充
19、分地吸收254nm紫外线，并有效地把254nm紫外线转换为可见光。即在254nm激发下，具有高的发光量子效率。辐射效率随灯管管径大小的变化曲线发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用对发光材料性能的要求对发光材料性能的要求n n 在285720nm波长范围内具有适宜的发光光谱，使照明用荧光灯具有良好的显色性。作为特殊的荧光灯用发光材料，则应具有特定的发光光谱，如健康用荧光灯要求所用材料的max在310328nm。捕虫用荧光灯的发光材料的max在360nm。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用对发光材料性能的要求对发光材料性能的要求n n 要具有良好的颗粒特性和分散性。材料的
20、颗粒粒径中心值应控制在一定范围(如卤粉为10 m左右、稀土三基色材料在68m) ,粒径分布集中，使发光材料在含有有机聚合物溶液中能形成非凝聚的悬浮体，能在荧光灯的涂管工艺中涂出均匀、密致、平滑的发光膜，以保证荧光灯的高的光通量和稳定性。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用对发光材料性能的要求对发光材料性能的要求n n 应具有较高的耐热的温度特性。在荧光灯制作过程中，发光材料涂层要经过600 左右烤管工艺处理。点灯过程中，直管型灯发光部的温度虽只有50 ，而紧凑型荧光灯可达150 。因此，要求材料在600 温度下短时暴露于空气或还原气氛时，应具有较高的稳定性以及工作时，良好的温度猝灭
21、特性。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用对发光材料性能的要求对发光材料性能的要求n n 要有一定的耐紫外辐照和离子轰击的稳定性。在点灯过程中，发光材料涂层受254nm的激发而发光，又受185nm短波紫外的辐照和Hg离子的轰击而引起老化，使材料的发光效率下降，引起灯的光通维持率降低。因此，要求所选用的发光材料应有一定的耐紫外辐照和离子轰击的稳定性。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用铝酸盐荧光体铝酸盐荧光体n n在稀土激活的铝酸盐绿色和蓝色荧光体的研发中，荷兰科技工作者作出了卓有成效的工作。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用CeMgAl11O19:Tb3+
22、n n主发射峰544nm；对253.7nm有强吸收n nCe3+Tb3+的高效能量传递激发谱和反射谱发射谱发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用BaMgAl10O17:Eu2+n n三基色荧光灯蓝色发光材料n n早期写作BaMg2Al16O27:Eu激发谱和发射谱n n发射波长：450nm发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n双峰荧光体，提高显色指数，牺牲亮度EuEu的蓝带，的蓝带，MnMn的绿带的绿带发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用Y2O3:Eun n激发光谱和漫反射谱、发射谱发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用Y2O3:Eun n在较低
23、在较低EuEu3+3+浓度下，人们可以观测到浓度下，人们可以观测到EuEu3+3+的的更高能级更高能级5 5D D1 15 5D D2 2甚至甚至5 5D D3 3的跃迁发射，这些发的跃迁发射，这些发射位于光谱的黄区和绿区射位于光谱的黄区和绿区; ;n n而当浓度高时，这些高能级的发射通过交叉而当浓度高时，这些高能级的发射通过交叉弛豫过程而被猝灭。发射主要由下面能量低弛豫过程而被猝灭。发射主要由下面能量低的的5D5D0 0- -7 7F Fj j跃迁，产生强红光。跃迁，产生强红光。n n来自来自5D5D0 0以上的高能级的发射是以上的高能级的发射是CRTCRT彩色电视彩色电视和灯用红色荧光体所
24、不希望的，故用在和灯用红色荧光体所不希望的，故用在Y Y2 2O O3 3 中中EuEu3+3+的浓度高达的浓度高达4%(4%(原子原子) )。EuEu2 2O O3 3含量太含量太高又影响荧光体成本。高又影响荧光体成本。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用长时发光材料长时发光材料n n硫化锌或碱土金属硫化物n n碱土金属铝酸盐n nLn2O3S:Eu,Mg,Ti（Ln=Y,Gd）红色系n nEu2+和Dy3+共掺杂的碱土焦硅酸盐MM2 2MgSiMgSi2 2O O7 7:Eu,Dy (M=Sr,Ca) :Eu,Dy (M=Sr,Ca) 带绿的蓝色带绿的蓝色n n长时发光涂料、陶
25、瓷、玻璃n n应用在消防、交通、建筑、日用品、装饰品等发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用发光在探测中应用发光在探测中应用n n物质在电离辐射激发下产生的发光现象n n利用电离辐射发光在探测辐射信息中的应用。这种辐射信息探测技术可以分为两类这种辐射信息探测技术可以分为两类: :积分积分探测技术和计数探测技术。探测技术和计数探测技术。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用积分探测技术积分探测技术n n积分探测技术是测量在电离辐射持续激发下积分探测技术是测量在电离辐射持续激发下直接的直接的( (瞬时的瞬时的) )或间接的或间接的( (热激励或光激励热激励或光激励) )发发光强
26、度以及形成的光学影像，这种积分探测光强度以及形成的光学影像，这种积分探测技术主要应用于医学技术主要应用于医学X X射线影像诊断和辐射剂射线影像诊断和辐射剂量的热释发光强度测定。量的热释发光强度测定。n n积分探测技术使用由发光材料多晶粉末制成积分探测技术使用由发光材料多晶粉末制成的荧光屏、增感屏、影像板或较厚的荧光玻的荧光屏、增感屏、影像板或较厚的荧光玻璃等发光器件，用于探测璃等发光器件，用于探测X X线、线、 线透过人体、线透过人体、物体、产物所形成的影像。物体、产物所形成的影像。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用计数探测技术计数探测技术n n计数技术是测量电离辐射计数技术是测
27、量电离辐射Y Y射线或带电粒子脉射线或带电粒子脉冲激发物质时产生的光子数目及径迹，从而冲激发物质时产生的光子数目及径迹，从而获得电离辐射获得电离辐射Y Y射线或带电粒子的类型、强度、射线或带电粒子的类型、强度、能量、发射时间、方向和位置等信息。能量、发射时间、方向和位置等信息。n n计数探测技术使用由闪烁发光晶体组成复杂计数探测技术使用由闪烁发光晶体组成复杂的光电仪器装置，主要应用于高能物理和核的光电仪器装置，主要应用于高能物理和核物理研究的电磁量能器物理研究的电磁量能器(electromagnetic (electromagnetic calorimeter)calorimeter)以及以及
28、X X射线计算断层照相射线计算断层照相(X-ray (X-ray computed tomography, X-ray CT)computed tomography, X-ray CT)和正电子发和正电子发射断层照相射断层照相(positron emission tomography, (positron emission tomography, PET)PET)等。等。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用PET/CT发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X X线的产生线的产生n n制动辐射制动辐射制动辐射制动辐射 高速运行的电子突然减高速运行的电子突然减高速运行的电子突
29、然减高速运行的电子突然减速后速后速后速后, , 其动能即转换成其动能即转换成其动能即转换成其动能即转换成X X线线线线n n特性辐射特性辐射特性辐射特性辐射 高速电子撞击原子和外高速电子撞击原子和外高速电子撞击原子和外高速电子撞击原子和外圈轨道上的电子圈轨道上的电子圈轨道上的电子圈轨道上的电子, ,使之游使之游使之游使之游离并释放能量离并释放能量离并释放能量离并释放能量, ,即为即为即为即为X X线线线线+发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线的产生射线的产生n n X X射线是一种电磁辐射。在实验室和医院里射线是一种电磁辐射。在实验室和医院里是用是用X X射线管产生射线管产生
30、X X射线。真空的射线。真空的X X射线管中热射线管中热阴极阴极( (负极负极) )产生的电子通过一个产生的电子通过一个50 50 8ookV8ookV的强电场中加速后，撞击在阳极的金属靶上，的强电场中加速后，撞击在阳极的金属靶上，高速电子突然停止就转变为高速电子突然停止就转变为X X射线发射。射线发射。n n像所有的电磁辐射像所有的电磁辐射( (如可见光、紫外线、无线如可见光、紫外线、无线电波等电波等) )一样，一样，X X射线也具有连续波和粒子的射线也具有连续波和粒子的双重性。双重性。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n高速电子转变为高速电子转变为X X射线的效率很低，只
31、有百分之几的射线的效率很低，只有百分之几的电子能量转变为电子能量转变为X X射线，而大部分的能量转变为热量。射线，而大部分的能量转变为热量。n n为了防止阳极靶受热熔化，是将高熔点金属钨或钼做为了防止阳极靶受热熔化，是将高熔点金属钨或钼做成的阳极靶心，镶嵌在散热的铜块中，并且用油冷却，成的阳极靶心，镶嵌在散热的铜块中，并且用油冷却，或做成可以循环转动的靶以散热。或做成可以循环转动的靶以散热。n n医用医用X X射线的波长或能量是由靶金属的原子序数和阳射线的波长或能量是由靶金属的原子序数和阳一阴极间的电压决定的。一阴极间的电压决定的。 靶金属的原子序数越大、电压越高，则产生的靶金属的原子序数越大
32、、电压越高，则产生的X X射线波长越射线波长越短，能量越大，穿透力越强短，能量越大，穿透力越强; ; 反之则波长越长，能量越小，穿透力越弱。反之则波长越长，能量越小，穿透力越弱。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线与物质作用射线与物质作用n n X X射线作用于固体物质上，大部分透过物质，一部分射线作用于固体物质上，大部分透过物质，一部分被物质吸收。物质对被物质吸收。物质对X X射线的吸收系数和射线的吸收系数和X X射线能量之射线能量之间的关系如图间的关系如图9-29-2所示，是一根连续的曲线。当所示，是一根连续的曲线。当X X射线射线能量大于物质中某种原子的能量大于物质中某
33、种原子的L L层和层和K K层电子的结合能时，层电子的结合能时，可以激发其可以激发其L L层和层和K K层的电子，在连续的吸收线上出现层的电子，在连续的吸收线上出现增强的吸收，即相应的增强的吸收，即相应的L LI I、L LIIII、L LIIIIII和和K K吸收边。吸收边。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X X 线的发现线的发现 X X 线是由德国伦线是由德国伦线是由德国伦线是由德国伦琴教授在琴教授在琴教授在琴教授在18951895年所发年所发年所发年所发现现现现, , 这种由真空管发出这种由真空管发出这种由真空管发出这种由真空管发出的能穿透物体的电磁波的能穿透物体的电磁波
34、的能穿透物体的电磁波的能穿透物体的电磁波, ,能量高于可见光能量高于可见光能量高于可见光能量高于可见光, ,波长波长波长波长短短短短, ,频率较高频率较高频率较高频率较高. .发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n因为照相胶片的感光光谱与X射线的波长并不匹配，因此当时需要将手掌在X射线下照射很长时间才能使胶片感光而形成影像。伦琴就提出应该找出某种发光材料，它能吸收穿透手掌的X射线并能有效地发射出可见光。这种可见光的光谱与胶片的感光光谱相匹配，可以使胶片快速曝光形成影像.从此开始了X射射线发光材料线发光材料的研究和开发应用。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n
35、X X射线作用于发光材料上，除了一部分透过、一部分射线作用于发光材料上，除了一部分透过、一部分被吸收转化为可见光发射之外，还有某些物质具有存被吸收转化为可见光发射之外，还有某些物质具有存储发光的性质，可以把吸收的储发光的性质，可以把吸收的X X射线能量以激发态的射线能量以激发态的电子和空穴的形式，暂时地存储在晶体的某些陷阱缺电子和空穴的形式，暂时地存储在晶体的某些陷阱缺陷中。根据陷阱深度不同，电子和空穴在室温下存储陷中。根据陷阱深度不同，电子和空穴在室温下存储时间长短也有差别，可以从几小时到几天。时间长短也有差别，可以从几小时到几天。n n当晶体受到加热或受到可见光的激励时，存储在陷阱当晶体受
36、到加热或受到可见光的激励时，存储在陷阱中的电子和空穴就会跃出陷阱，或者发生带间复合而中的电子和空穴就会跃出陷阱，或者发生带间复合而发光，或者在发光中心上复合而发生分立中心发光。发光，或者在发光中心上复合而发生分立中心发光。n n受到加热而发光即所谓受到加热而发光即所谓热释发光热释发光热释发光热释发光(thermoluminescence);(thermoluminescence);可以应用于辐射剂量检测可以应用于辐射剂量检测; ;n n受可见光或红外线照射而发光叫做受可见光或红外线照射而发光叫做X X射线诱导光激励射线诱导光激励发光发光(X-ray induced photostimulate
37、d luminescence)(X-ray induced photostimulated luminescence)，简称，简称光激励发光光激励发光光激励发光光激励发光(photostimulated luminescence)(photostimulated luminescence)或或X X射线存储发光射线存储发光(X-ray storage lumines-cence)(X-ray storage lumines-cence)，可，可应用于医学检测的应用于医学检测的X X射线计算影像技术射线计算影像技术(com-puled (com-puled radiographyradiogra
38、phy，CR)CR)。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用医学医学X射线影像探测射线影像探测X射线荧光射线荧光屏屏(X-ray fluorescent screens)n n主要用于主要用于 团体的健康检查时胸部等部位的团体的健康检查时胸部等部位的X X射线透视，射线透视， 机场、车站旅客的行李物品的安全检查，机场、车站旅客的行李物品的安全检查， 以及工业产品的无损伤检查以及工业产品的无损伤检查n n这种荧光屏的发光材料要求具有高的这种荧光屏的发光材料要求具有高的X X射线吸收效率射线吸收效率和高的发光效率和高的发光效率 n n如果医生是直接用眼观察荧光屏上的影像，那么荧光如果医生
39、是直接用眼观察荧光屏上的影像，那么荧光屏的发光光谱应与人的视觉函数相匹配，发光的余辉屏的发光光谱应与人的视觉函数相匹配，发光的余辉时间应该较短，以避免人体移动时产生影像重叠。荧时间应该较短，以避免人体移动时产生影像重叠。荧光屏前面还应装有铅玻璃。光屏前面还应装有铅玻璃。n n如果应用于如果应用于X X射线荧光照相或摄像，则其发光光谱应射线荧光照相或摄像，则其发光光谱应和照相胶片或摄像机的感光光谱相匹配。和照相胶片或摄像机的感光光谱相匹配。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n安检机发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n荧光屏是由粉末状的荧光屏是由粉末状的X X射
40、线发光材料悬浮在高分子胶射线发光材料悬浮在高分子胶黏剂胶液中涂布在高质量的白卡纸上面制成的。干涸黏剂胶液中涂布在高质量的白卡纸上面制成的。干涸后的发光粉层厚度约后的发光粉层厚度约200200300 m300 m，在发光层的上面，在发光层的上面再涂覆一层约再涂覆一层约2 m2 m厚的透明保护膜。荧光屏的结构厚的透明保护膜。荧光屏的结构如图如图9-39-3所示。所示。 因为荧光屏是用人眼直接观察，所以因为荧光屏是用人眼直接观察，所以荧光屏应具有较高的亮度，发光材料的粒度应比较大，荧光屏应具有较高的亮度，发光材料的粒度应比较大，平均为平均为2040m2040m。n n2020年代：年代：ZnZn2
41、2SiOSiO4 4:Mn:Mn2+2+;CaWO;CaWO4 4n n19351935年起：年起：(Zn,Cd)S:Ag(Zn,Cd)S:Ag+ + 黄绿色黄绿色n n19771977开始：开始：GdGd2 2O O2 2S:TbS:Tb3+ 3+ 绿色绿色发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线影像增强管射线影像增强管(X-ray image intensifiers)n n X射线影像增强管是X射线医学检查用的设备，它是一种电子设备，能立即将一幅X射线影像转变为相应的光学影像，如图所示。n n结构发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线影像增强管射线影像增强管
42、(X-ray image intensifiers)n n X X射线影像增强管是射线影像增强管是X X射线医学检查用的设备，射线医学检查用的设备，它是一种电子设备，能立即将一幅它是一种电子设备，能立即将一幅X X射线影像射线影像转变为相应的光学影像，如图转变为相应的光学影像，如图9-69-6所示。所示。n n结构结构 输入屏是由输入屏是由X X射线发光材料制成，射线发光材料制成， 输出屏则是由阴极射线发光材料制成。输出屏则是由阴极射线发光材料制成。n n工作原理工作原理发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用上海泰雷兹电子管有限公司 发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n
43、 n输入屏要求 输入屏上输入屏上X X射线发光材料应该具有大的射线发光材料应该具有大的X X射射线吸收效率，即其化学组成应该是由原子线吸收效率，即其化学组成应该是由原子序数大的元素形成的高密度的无机化合物序数大的元素形成的高密度的无机化合物; ;也应该具有较高的也应该具有较高的X X射线激发的发光效率射线激发的发光效率; ;它的发射光谱波长应该和光电阴极的光谱它的发射光谱波长应该和光电阴极的光谱响应波长相匹配。响应波长相匹配。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n输入屏采用材料n n(Zn,Cd)S:Ag+n nGd2O2S:Tb3+n nCsI:Na+发光在照明和探测中的应用
44、发光在照明和探测中的应用n n输出屏要求影像增强管中光电阴极产生的电子束流密影像增强管中光电阴极产生的电子束流密度比阴极射线管中热阴极产生的电子束流度比阴极射线管中热阴极产生的电子束流密度低得多，电流强度小，只相当于阴极密度低得多，电流强度小，只相当于阴极射线管电流强度的射线管电流强度的1/1001/100；因此影像增强管的影像输出屏应该在低强因此影像增强管的影像输出屏应该在低强度电子束流激发下能具有较高的发光效率。度电子束流激发下能具有较高的发光效率。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n输出屏材料ZnS:CuZnS:Cu+ +(Zn,Cd)S:Cu(Zn,Cd)S:Cu+
45、+n n输出屏上的影像是通过光学系统用摄像机摄取、传输到电视机荧光屏上观察。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线发光材料射线发光材料n nCaWO4 钨酸钙白色粉末状晶体白色粉末状晶体白钨矿型结构白钨矿型结构自激活发光材料，发光中心为自激活发光材料，发光中心为WOWO4 42-2-离子离子WW5+5+(5S(5S2 25P5P6 65d) W5d) W6+6+(5S(5S2 25P5P6 6) )发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线发光材料射线发光材料n n(Zn,Cd)S:Ag+n n任意比例互溶组成混晶S2-Zn2AgCl杂质陷阱发光在照明和探测中的应用
46、发光在照明和探测中的应用X射线发光材料射线发光材料n nY2O2S, Gd2O2S 硫氧化稀土类对阴极射线和对阴极射线和X X射线有较高的吸收效率射线有较高的吸收效率Y Y2 2O O2 2S:EuS:Eu3+3+ 红色发光的阴极射线材料红色发光的阴极射线材料GdGd2 2O O2 2S:TbS:Tb3+3+ 绿色发光的绿色发光的X X射线发光材料射线发光材料发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用计算计算X射线影像射线影像(computed radiography, CR)n n计算计算X X射线影像技术是利用射线影像技术是利用X X射线存储发光材射线存储发光材料料(X- ray s
47、torage phosphors)(X- ray storage phosphors)又称为光激励又称为光激励发光材料发光材料(photo stimulable phosphors)(photo stimulable phosphors)制成制成一种影像板一种影像板(Image Plate, IP)(Image Plate, IP)、摄取、摄取X X射线辐射线辐照的影像，首先在图像板中形成由色心照的影像，首先在图像板中形成由色心( (被俘被俘获的激发态电子和空穴获的激发态电子和空穴) )构成的潜影，随后运构成的潜影，随后运用精密光学机械和数字成像技术，把影像板用精密光学机械和数字成像技术，把影
48、像板中的潜影读取出来并显示为可视图像。中的潜影读取出来并显示为可视图像。CRCR过过程的示意如图所示。程的示意如图所示。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n校医院发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n校医院发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n校医院发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用X射线存储发光机理射线存储发光机理发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n计算X射线影像和常规的X射线透视或照相不同之处在于:它不是用发光屏或增感屏接收它不是用发光屏或增感屏接收X X射线辐射影射线辐射影像及时地直接转变为可视光学影像。像
49、及时地直接转变为可视光学影像。它使用的不是瞬时发光材料，而是存储发它使用的不是瞬时发光材料，而是存储发光材料。光材料。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用激光激光激光激光光扫描器光扫描器光扫描器光扫描器光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管增幅器增幅器增幅器增幅器A/DA/D转换器转换器转换器转换器马达马达11010111影像板扫描仪工作原理影像板扫描仪工作原理发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n与屏与屏片组合的片组合的X X射线照相技术相比较，具有射线照相技术相比较，具有以下优点以下优点: : 灵敏度高，可以缩短曝光时间，降低病人接受灵敏度高，可以缩短曝光时间
50、，降低病人接受的的X X射线辐照剂量射线辐照剂量; ; 可以对图像进行后期处理以获得清晰的影像可以对图像进行后期处理以获得清晰的影像; ; IPIP可以反复使用万次以上，每次摄像读取之后，可以反复使用万次以上，每次摄像读取之后，只需将只需将IPIP用强白光照射用强白光照射1 12s2s，即可消除其残留的，即可消除其残留的潜影，再次使用。与屏潜影，再次使用。与屏片组合片组合X X射线摄像相比，射线摄像相比，极大地节省了极大地节省了X X射线检查的费用。射线检查的费用。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用能实际应用的光激励发光材料能实际应用的光激励发光材料必须具备以下条件必须具备以下条
51、件:n n组成中包含重原子，有较高的组成中包含重原子，有较高的X X射线吸收效率和光射线吸收效率和光激励发光的效率。激励发光的效率。n n晶体中存在有特定的点缺陷晶体中存在有特定的点缺陷( (色心色心) )，可以作为电子，可以作为电子和空穴的陷阱。陷阱的能级深度适当。既要保证俘获和空穴的陷阱。陷阱的能级深度适当。既要保证俘获态载流子在室温下稳定存在，又能用红光将其激励出态载流子在室温下稳定存在，又能用红光将其激励出陷阱。陷阱。n n晶体的激励光谱波长应位于红光或红外区，其激励晶体的激励光谱波长应位于红光或红外区，其激励发光光谱波长应在蓝绿色光区。二者峰值波长应相距发光光谱波长应在蓝绿色光区。二
52、者峰值波长应相距较远，以避免强的激励光干扰发光的接收，同时也可较远，以避免强的激励光干扰发光的接收，同时也可以适宜选用轻便的半导体固体激光器做激励光源。以适宜选用轻便的半导体固体激光器做激励光源。n n发光的衰减时间应短于发光的衰减时间应短于1s1s，以利于激励光束快速，以利于激励光束快速行帧扫描，避免相邻扫描点发光重叠行帧扫描，避免相邻扫描点发光重叠( (造成影像模糊造成影像模糊不清不清) )。n n晶体发光随晶体发光随X X射线辐照剂量的改变呈宽的线性关系。射线辐照剂量的改变呈宽的线性关系。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n目前商业使用发光材料BaFBr:EuBaFBr
53、:Eu2+2+ ;BaFBr ;BaFBr0.850.85I I0.150.15:Eu:Eu2+ 2+ 发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n nX射线存储及光激励发光的机理模型一发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用模型二模型二n n发光过程中电子是通过发光过程中电子是通过隧道效应近距离地与空隧道效应近距离地与空穴复合，而不是先经过穴复合，而不是先经过导带后再与空穴复合。导带后再与空穴复合。n nBaFBr:EuBaFBr:Eu2+2+的的X X射线激射线激发和光激励发光的过程发和光激励发光的过程机理还有待更深入的研机理还有待更深入的研究探讨，这也有益于新究探讨，这也有
54、益于新的光激励发光材料的发的光激励发光材料的发现和开发应用。现和开发应用。光激励电导随温度升高而增加，光激励发光不变。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用热释光剂量探测热释光剂量探测n n高能粒子和电离辐射线包括带电的高能粒子和电离辐射线包括带电的 、 辐射辐射和不带电的和不带电的Y. XY. X光子以及中子光子以及中子(n)(n)。它们中有。它们中有的来自天然放射性物质、宇宙射线，但大量的来自天然放射性物质、宇宙射线，但大量来自人造辐射源。如核反应装置、高能加速来自人造辐射源。如核反应装置、高能加速器，各类放射性医疗设备、核医学成像仪以器，各类放射性医疗设备、核医学成像仪以及海关
55、大型货物监测设备等。及海关大型货物监测设备等。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n 利用发光现象设计的辐射剂量计辐射剂量计有两类:一是一是射线发光剂量计射线发光剂量计: : 直接利用射线辐照直接利用射线辐照时产生的闪烁光强标定剂量大小；时产生的闪烁光强标定剂量大小；二是二是热释光剂量计热释光剂量计: : 后者是在射线辐照停后者是在射线辐照停止后，发光体受热而产生的热释光光强作止后，发光体受热而产生的热释光光强作剂量的标定。剂量的标定。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用何谓热释光何谓热释光?n n发光体受射线辐照(激发)后，通过加热升温而释放其储蓄能所产生的发光叫
56、热释光(thermo luminescence，TL)或热激励光发(thermal stimulated luminescence, TSL)。它与白炽灯灯丝的高温炽热发光(热平衡辐射)有本质区别，热释光是发光体在加热过程中以光的形式释放出激发时储存的能量(非平衡辐射)。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n发光中激发能的存储与释放激发过程激发过程 I()I()恒定激发下的定态发光强度恒定激发下的定态发光强度I I0 0激发时储存的能量（光和）激发时储存的能量（光和）S S发光衰减曲线发光衰减曲线I(tI(t）面积面积S S 为激发停止后为激发停止后释放的大部分储能释放的大部分
57、储能S S 总是小于总是小于S S发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n差额中的一部分损失于猝灭中心，永不发光。另一部差额中的一部分损失于猝灭中心，永不发光。另一部分存储于深陷阱中，需加热升温才能释放出来，这就分存储于深陷阱中，需加热升温才能释放出来，这就是热释光。是热释光。n nI(t)I(t)曲线的主要成分曲线的主要成分: : 定态发光的快速衰减部分定态发光的快速衰减部分( (衰减时间衰减时间: 10: 10-8-8s s的荧光的荧光) )，直接，直接来自激发态返回基态的发射。来自激发态返回基态的发射。 来自浅陷阱态的发光来自浅陷阱态的发光(10(10-8-8 10 10
58、10-4-4 s ) s )。 而来自深陷阱而来自深陷阱( (室温以上室温以上) )载流子产生的发光都具有长余辉。载流子产生的发光都具有长余辉。n n长余辉材料的最佳陷阱深度相应的热释光峰温为长余辉材料的最佳陷阱深度相应的热释光峰温为50150 50150 。而热释光剂量计材料具有的热释光峰温。而热释光剂量计材料具有的热释光峰温为为100100350350，如此深的陷阱可保存被陷的载流子，如此深的陷阱可保存被陷的载流子成百上千年。这就是成百上千年。这就是利用热释光进行考古研究利用热释光进行考古研究的基础。的基础。发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n n热释光热释光(TL)(TL)
59、的强弱直接依赖的强弱直接依赖于吸收剂量的大小和陷阱储于吸收剂量的大小和陷阱储存光和的能力。热释光强度存光和的能力。热释光强度随线性升温时温度的变化关随线性升温时温度的变化关系就是系就是热释光曲线热释光曲线热释光曲线热释光曲线I(T)I(T)。如。如图图9-359-35所示，是所示，是LiF : CuLiF : Cu单单晶经晶经 射线辐照射线辐照(36Gy)(36Gy)后以后以3/s3/s的速率加热升温时测的速率加热升温时测得。有两个分立的热释光峰，得。有两个分立的热释光峰，峰值温度分别为峰值温度分别为150,300150,300。表明有两种。表明有两种深度不同的陷阱存在。深度不同的陷阱存在。戈
60、瑞（gray，用符号Gy表示）是电离辐射吸收剂量的标准单位，相当于1焦耳每千克（1 J kg -1）。 发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用热释光机理热释光机理n n能带模型（二能级模型）不足：不足：无法解释低温热释光无法解释低温热释光储存光和的非正常衰退储存光和的非正常衰退发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用热释光机理热释光机理n n隧穿模型热激励下被俘的陷阱电子可以隧穿到发光热激励下被俘的陷阱电子可以隧穿到发光中心；中心；全程隧穿全程隧穿半程隧穿半程隧穿发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用n nTunneling model无机材料学报，2004，19（5），961发光在照明和探测中的应用发光在照明和探测中的应用
