К радиолюминофорам относятся вещества, обладающие способностью к радиолюминесценции, т.е. к свечению, которое возбуждается ионизирующим излучением. Возбудителями радиолюминесценции могут быть альфа- и бета-частицы, гамма- и рентгеновские лучи, быстрые электроны.
Радиолюминофоры находят применение в тех областях техники, где требуется высокая автономность источника света (морские бакены, осветители для работы в шахтах и на рудниках, источники света для циферблатов приборов, подсветки оружейных прицелов и т.д.).
Для создания самосветящихся красок длительного действия, не нуждающихся в источниках внешнего возбуждения, в люминофоры вводят радиоактивные изотопы, продукты распада которых (например, альфа- и бета-частиц) вызывают в нем свечение. При этом время, в течение которого люминофоры излучают свет, определяется периодом полураспада изотопа (десятки лет). С 1910-х до 1950-х годов в качестве источника ионизирующей радиации при создании радиолюминофоров использовался в основном радий-226, а со второй половины ХХ века – также прометий-147 и криптон-85. В настоящее время в радиолюминесцентных источниках света для бытовых приборов применяется тритий (радиоактивный изотоп водорода) (рис. 1).
Рис. 1. Брелок с радиолюминесцентной (тритиевой) подсветкой
Его радиоактивность вызвана бетачастицами, которые в силу малой энергии почти полностью поглощаются защитным стеклом источников света.
Люминофоры, возбуждаемые гамма- и рентгеновскими лучами, называются рентгенолюминофорами. Наиболее важное их применение связано с получением изображений на рентгеновских экранах.
В медицине особое место отводится рентгенодиагностике – исследованию внутренней структуры органов тела человека при помощи рентгеновских лучей. Из-за различий в структуре ткани органы поразному поглощают рентгеновские лучи, поэтому при просвечивании их рентгеновским излучением возникает теневое изображение органов, которое проецируется на люминесцирующем экране (рентгеноскопия) или фиксируется на фотопленке (рентгенография) (рис. 2).
Рис. 2. Рентгеновское изображение кисти руки, наблюдаемое при рентгеноскопии: более плотным тканям соответствуют более темные участки изображения
Медицинские фотопленки, как правило, используются в комбинации с усиливающими экранами, содержащими в своем составе рентгенолюминофоры, которые, возбуждаясь под действием рентгеновского излучения, засвечивают светочувствительную фотоэмульсию.
Рентгенолюминофоры применяют для изготовления экранов не только в медицинской диагностике, но и в промышленной дефектоскопии. Рентгеновский контроль качества различных технических материалов основан на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности химического состава материалов.
Рис. 3. Схема рентгеновской дефектоскопии скрытых дефектов сварных швов
Наличие таких дефектов, как трещины, раковины или инородные включения, приводит к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей материала (рис. 3).
Рентгеновские экраны изготавливают из рентгенолюминофоров на основе сернокислого бария (BaSO4:Pb), фтористохлористого бария (BaFCl:Eu), сульфида цинка (ZnS:Ag) и других веществ.
Люминофоры, возбуждаемые быстрыми электронами (т.е. электронами, ускоренными внешним электрическим полем), называются катодолюминофорами.
Катодолюминесценция была обнаружена в середине XIX века до открытия электронов. Пучки электронов, вызывавших свечение стеклянных стенок вакуумированных трубок, называли катодными лучами (поскольку они испускались катодом), поэтому само свечение было названо катодолюминесценцией. Значительный вклад в исследование закономерностей этого явления внес английский физик У. Крукс в 70-е годы XIX века.
Способностью к катодолюминесценции в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра обладают многие природные и специально синтезированные вещества, однако только некоторые виды кристаллофосфоров, проявляющие стойкость к действию электронного пучка и дающие достаточную яркость свечения, служат в качестве катодолюминофоров.
Механизм катодолюминесценции связан с взаимодействием обладающих высокой энергией электронов с атомами люминофора. При этом происходит ионизация атомов и создается второе поколение электронов, которые, в свою очередь, ионизуют другие атомы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия вырванных из атома электронов достаточна для ионизации. Образовавшиеся в результате ионизации электроны и дырки захватываются центрами свечения, роль которых играют активаторы или дефекты кристаллической решётки (вакансии, междуузельные атомы). На этих центрах происходит рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся излучением.
Катодолюминесцентные экраны в виде тонких (5–20 мкм) слоев, осажденных на металлические или стеклянные подложки, используются для визуализации потоков электронов и создаваемых ими изображений в электронно-лучевых трубках, которые до последнего времени были основной деталью телевизоров, осциллографов, электронно-оптических преобразователей. Для получения таких слоев чаще всего применяется ZnCdS:Cu,Ag, а также некоторые другие вещества.
Особой разновидностью радиолюминофоров являются сцинтилляторы – вещества, в которых под действием ионизирующего излучения возникают кратковременные (~10-4-10-9 с) световые вспышки (сцинтилляции).
Впервые сцинтилляции визуально наблюдал У. Крукс в 1903 г. при облучении альфа-частицами экрана из ZnS. Механизм сцинтилляции, её спектр и длительность зависят от природы люминесцирующего вещества. Яркость сцинтилляции зависит от природы заряженных частиц и от энергии частицы, передаваемой при её пробеге в веществе (например, альфа-частицы вызывают более яркие сцинтилляции, чем бета-частицы). Каждая сцинтилляция является результатом действия одной частицы. Данное обстоятельство используется в сцинтилляционных счетчиках для регистрации элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, альфа-частиц, гамма-квантов и др.).
Схема сцинтилляционного счетчика показана на рис. 4. Свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике – фотоэлектронном умножителе (ФЭУ), который преобразует вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливает этот сигнал. Основными элементами ФЭУ являются фотокатод и система динодов – электродов, служащих для усиления электронного потока за счёт вторичной эмиссии электронов. Кванты света (фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода. Двигаясь от динода к диноду, электронная лавина размножается.
Рис. 4. Схема сцинтилляционного счетчика
Сцинтилляторами могут служить кристаллофосфоры (NaI:Tl, CsI:Tl, LiI:Sn, LiI:Eu, ZnS:Ag, CdS:Ag), органические кристаллы (антрацен C14H10, стильбен C14H12, нафталин C10H8), а также растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачных растворителях и инертные газы.