Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Применение красителей и пигментов. Учебное пособие
.pdf
сцинтилляторы). Они менее эффективны, чем неорганические сцинтилляторы: при регистрации γ-лучей и тяжелых частиц имеют меньшие амплитуды импульсов и худшее энергетическое разрешение. В
то же время их важным достоинством является малое время высвечивания5 (~10-9 с) по сравнению с наблюдаемым у неорганических
сцинтилляторов (≥10-8 с) [6].
Все это обусловливает большое значение, которое приобрели органические сцинтилляторы в геологических поисках, в ядерных и
космических исследованиях, в медицине, биологии и в других областях науки и техники. С их помощью удается решать ряд важных задач, к числу которых, прежде всего, относится регистрация β-частиц
низких энергий. Вследствие большого содержания атомов водорода
они эффективно регистрируют быстрые нейтроны, которые выбивают
из них протоны, вызывающие затем световые вспышки [9]. При введении в сцинтилляторы некоторых элементоорганических добавок
падающие на них медленные нейтроны могут вызывать ядерные реакции, также сопровождающиеся сцинтилляциями.
Органические сцинтилляторы позволяют измерять времена распада нестабильных частиц и исследовать излучения короткоживущих
ядерных изотопов [3]. Их можно использовать для регистрации
α-частиц, рентгеновских и γ-лучей, тяжелых ионов.
Кристаллические сцинтилляторы обычно применяют в виде
специально выращенных монокристаллов. Их основными техническими характеристиками, как и других органических сцинтилляторов,
являются, наряду со световыходом (сцинтилляционной эффективностью), время высвечивания, спектр флуоресценции и прозрачность к
собственному излучению. При определении возможности практического использования органических кристаллов в качестве сцинтилляторов очень важна их доступность, легкость очистки от тушащих
примесей и легкость превращения в монокристаллы. Общий метод
5
Время высвечивания – 1) время, в течение которого поглощённая в сцинтиллято-
ре, возбуждённом прохождением быстрой заряженной частицы, энергия преобразуется в световое излучение; 2) длительность световой вспышки.
61
выращивания монокристаллов заключается в медленном, обычно
направленном, охлаждении расплава [9].
Монокристаллы антрацена обладают высоким световыходом и
часто служат эталоном при определении световыхода органических
сцинтилляторов. Максимум их спектра испускания лежит при 434 нм
– в области максимальной чувствительности большинства приборов;
время высвечивания 3 · 10-8 с. Однако существенным недостатком
кристаллических сцинтилляторов на основе монокристаллов антрацена является легкость их химических превращений, приводящих к
образованию различных продуктов на поверхности монокристаллов,
особенно при экспозиции на свету. Эти продукты отрицательно влияют на световыход и другие параметры сцинтилляторов.
Практическое применение в сцинтилляционной технике, наряду с
монокристаллами антрацена, нашли монокристаллы толана, трансстильбена и, в меньшей степени, п-кватерфенила, п-терфенила и
1,4-дифенилбутадиена [9, 19].
Из них наибольшую значимость имеют монокристаллы трансстильбена, световыход которых составляет 62-78 % по отношению к
монокристаллам антрацена и колеблется в довольно широких пределах.
В России за стандарт световыхода сцинтилляторов принят световыход детектора на основе стильбена [9]. Выбор продиктован высокой устойчивостью стильбена при хранении в нормальных условиях.
Органические кристаллы-сцинтилляторы используют главным
образом для регистрации и спектрометрии электронов, детектирования и спектрометрии β- и нейтронного излучений.
Жидкие сцинтилляторы. Световыход жидких сцинтилляторов
ниже, чем у лучших кристаллических сцинтилляторов, но, тем не менее, достигает >70 % от световыхода монокристаллов антрацена.
Лучшие жидкие сцинтилляторы обладают коротким временем
высвечивания – (3 ÷ 5) · 10-9 с и меньше; у них выше прозрачность к
собственному излучению, чем у кристаллических и пластмассовых;
их можно применять в сколь угодно больших объемах, им легко придать любую форму в зависимости от формы детектора; источник из-
62
лучения можно ввести внутрь сцинтиллятора [4, 22]. В процессе работы с ними путем введения соответствующих люминофоров,
уменьшения или увеличения концентрации последних можно существенно изменять свойства сцинтиллятора. Однако подбор компонентов, позволяющий получать эффективные жидкие сцинтилляторы,
часто представляет собой довольно сложную задачу.
Лучшими активаторами для жидких сцинтилляторов являются
полифенильные углеводороды [9]. Имеются данные о высокой сцинтилляционной эффективности растворов 2,5-дифенилзамещенных
фурана и пиррола, 2-фенилиндола и 2-фенилбензоксазола, 4-циано-птерфенила и многих других соединений.
Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмассовые органические
сцинтилляторы состоят из растворителя (полистирол, поливинилтолуол и др.), активаторов и сместителя спектра (n-терфенил, РОРОР,
тетрафенилбутадиен и др.).
Главным отличием сцинтилляционных пластмасс от других органических сцинтилляторов является высокая стабильность при изменении температурных условий, что позволяет использовать их в
более широком интервале температур. Путем механической обработки им можно придать необходимые формы и размеры. Полировка после механической обработки уменьшает потери света при отражении.
Они обладают большой радиационной устойчивостью, не требуют
специальной защиты от внешней среды; их можно использовать
внутри вакуумированных установок [9].
Пластмассовые сцинтилляторы могут быть изготовлены полимеризацией растворов активирующих добавок в мономерах или введением добавок в расплавленные полимеры [22, 23].
Как и в жидких сцинтилляторах, наиболее распространенными
люминофорами, применяемыми в пластмассовых сцинтилляторах,
являются полифенильные углеводороды и 2,5-диарилзамещенные оксазола и 1,3,4-оксадиазола. В качестве активаторов пластмассовых
сцинтилляторов используют 9,10-дифенилантрацен, 1,3,5-триарил-2пиразолины и соединения других классов [9].
63
Мономерами при изготовлении пластмассовых сцинтилляторов
обычно служат стирол и винилированные алкилбензолы, чаще всего –
винилтолуол. Еще больше световыход у сцинтилляторов из поливинилксилола.
Время высвечивания пластмассовых сцинтилляторов менее
5 · 10-9 с и может быть снижено до 1 · 10-9 с.
Пластмассовые сцинтилляторы широко применяют при исследовании космических лучей, излучений малой активности, для регистрации короткоживущих частиц, в дозиметрии рентгеновского и
γ-излучений, как детекторы нейтронов и для других целей [9].
16. ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Значительный интерес представляет использование органических
люминофоров в методе дозиметрии ионизирующих излучений, основанном на зависимости степени повреждения люминофора от поглощенной дозы радиации.
Из таких люминофоров, обладающих высокой радиационной
стойкостью, изготавливают дозиметры, служащие для измерения
больших и сверхбольших доз излучений электронных ускорителей,
гамма-излучателей и атомных реакторов [12, 22].
В основе действия дозиметров лежат изменения люминесцентных
свойств некоторых полиядерных ароматических соединений
(п-терфенила, флуорена) под влиянием электронов и γ-лучей. Однако
из-за структурной неоднородности образцов эти дозиметры дают недостаточную воспроизводимость метода при измерении люминесцентных характеристик до и после облучения, они малотермостойки,
механическая прочность пластинок и таблеток невелика, порошки
необходимо упаковывать в капсулы.
Показано, что перспективными материалами для дозиметрии являются соединения с арилэтиленовыми группировками –
1,2-диарилэтилены, 1,4-дистирилбензол и его метоксизамещенные
64
производные [9]. Преимуществом этих соединений, используемых в
качестве дозиметрических материалов, является высокая радиационная стойкость, сравнительно большая термоустойчивость (до 120 °С),
на них не влияет мощность дозы в пределах 1 ÷ 102 Вт/кг. Диапазон
доз, регистрируемых с помощью комбинации соединений этого ряда,
составляет 10 ÷ 105 кДж/кг.
В качестве дозиметров предложены и твердые растворы органических люминофоров в полистироле [9, 32]. Для регистрации поглощенной дозы γ-излучения области 50-5 · 103 кДж/кг рекомендовано
использование пленочных полистирольных сцинтилляторов.
Наряду с твердыми растворами для дозиметрии предложены
жидкие сцинтилляторы [6]. Известна раздельная дозиметрия смешанного излучения атомного реактора, основанная на зависимости повреждения сцинтилляционных активаторов от вида излучения (γ-лучи
или нейтроны).
17. ЛАЗЕРЫ НА ОРГАНИЧЕСКИХ ЛЮМИНОФОРАХ
Широкое применение в большинстве современных технологий
находят лазеры на органических люминофорах, важной особенностью которых является возможность перестройки частоты излучения
в широком диапазоне длин волн.
Органические люминофоры в лазерах используют в разных агрегатных состояниях, но обычно используют их растворы. Подбирая
соответствующим образом оптические характеристики люминофоров, удается получить когерентное излучение6 любой длины волны в
области 327 ÷ 1175 нм. Изменяя параметры раствора (концентрацию,
рН, природу растворителя) и характеристики применяемой аппаратуры, можно плавно перестраивать длину волны генерации на одном и
том же веществе в пределах нескольких десятков нанометров. Это да-
6
Когерентным излучением называется излучение, частота и фаза которого в
любой точке пространства и в любой момент времени строго определены. Частным случаем когерентного излучения является монохроматическое излучение.
65
ет возможность использовать лазеры на органических люминофорах
как источники когерентного излучения с непрерывно перестраиваемой частотой [9].
Для коротких длин волн (до 470 нм) применяют ароматические
углеводороды: стильбены, оксазолы, кумарины, карбостирилы, реже
– антрацены. Например, производные бензимидазолила (Кумарин 7)
пригодны для использования в диапазоне 470 ÷ 550 нм, в то время как
ксантеновые производные (Родамин 6G) проявляет высокую эффективность действия лазера в диапазоне 510 ÷ 700 нм.
Наиболее подходящими для работы на более длинных волнах (в
ближней инфракрасной области) являются оксазиновые и полиметиновые красители. Так, максимальную генерацию лазерного излучения
на длине волны 950 нм обеспечивает полиметиновый краситель следующего строения:
Лазеры на красителях используются в широком спектре приложений, включая коммуникационные технологии, микрохирургии,
спектроскопии, фотохимии, исследования кинетики реакций, разделение изотопов в обогащении ядерного топлива и микроанализа.
Особенности лазеров на люминофорах открывают широкие возможности для их применения в фотофизике, спектроскопии, фотохи-
66
мии, медицине, биологии и других областях науки и техники. Их используют для обнаружения следовых примесей загрязняющих веществ в атмосфере, в лабораторном микроанализе редких элементов и
при разделении изотопов, инициирования фотохимических реакций, в
системах дальней связи, для спектрального анализа биологических
объектов, в голографии [6].
В промышленности лазерные установки используют при высокоточном сверлении отверстий для создания микроскопической по сечению проволоки, изготовлении керамических плат и чипов.
Важным аспектом использования лазеров на люминофорах является медицина [14]. Ввиду широкого применения лазеров на органических красителях стало возможным проведение высокоточных хирургических операций с малой кровопотерей и кратковременным периодом реабилитации пациента. В косметологии эти аппараты позволяют проводить сложные восстановительные операции с достижением отличного косметического и эстетического результата.
В настоящий момент ведутся исследования в области лазерной
технологии, направленные, в первую очередь, на поиск и анализ новых органических полимерных материалов, которые действуют в качестве «хозяев» для флуоресцентных красителей, с целью улучшения
эксплуатационных характеристик активной среды и увеличения срока
службы лазерных устройств.
18. ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Одной из важных областей применения органических люминофоров является дефектоскопия изделий из различных материалов, которая относится к методам неразрушающего контроля [9].
Появляющиеся трещины часто затруднительно обнаружить невооруженным глазом, а использование оптических приборов недостаточно надежно, так как с одной стороны, нет необходимого контраста
между дефектом и фоном, на котором он находится, а с другой – с
67
помощью этих приборов возможно видеть только небольшую поверхность обследуемого участка изделия. К тому же, данный метод
нельзя применять при массовом производстве изделий. Использование разнообразных методов люминесцентной дефектоскопии позволяет существенно увеличить контрастность трещин, обнаружить дефекты по яркому свечению индикаторного вещества на фоне нелюминесцирующей поверхности детали.
Под действием межмолекулярных сил поверхностные микротрещины, подобно капиллярным сосудам, втягивают в себя смачивающие их жидкости [9]. На этом свойстве основана капиллярнолюминесцентная дефектоскопия, применяемая для выявления, главным образом, поверхностных трещин в изделиях из металлов и их
сплавов, стекла, керамики, пластмасс и других материалов.
Для дефектоскопирования контролируемую деталь, предварительно очищенную от следов грязи, масла и продуктов коррозии, обрабатывают специальной индикаторной жидкостью (пенетрант),
обычно просто погружая в нее деталь. Чувствительность метода повышается, когда заполнение дефектов пенетрантом производится в
вакууме. Вакуум способствует дегазации трещин и лучшему проникновению в них жидкости.
В качестве пенетрантов используют некоторые погоны нефти или
продукты ее переработки, обладающие собственной люминесценцией
в желто-зеленой области спектра, наиболее чувствительной для глаза,
или растворы люминофоров в органических растворителях – ксилоле,
бензоле, керосине, скипидаре, бензине, спирте, диметилформамиде
или в их смесях [9]. Реже применяют щелочные или водные растворы
люминофоров.
Основное требование, предъявляемое к люминофорам, используемым в пенетрантах, – хорошая растворимость в доступных органических растворителях, а к образующимся растворам – интенсивная
люминесценция в тонких слоях, хорошая смачивающая способность
и адсорбируемость распространенными сорбентами, отсутствие токсичности и низкая стоимость.
68
Известно использование в индикаторных жидкостях Родамина С,
Флуоресцеина и некоторых других ксантеновых красителей,
8-гидроксихинолина и антрацена [12, 21].
Особый интерес представляет люминесцентно-цветовой метод
капиллярной дефектоскопии, сочетающий в себе достоинства люминесцентного и цветового методов. В качестве пенетранта используют
насыщенный спиртовой раствор Родамина С с добавками поверхностно-активных веществ. Люминесцентный вариант метода заключается в осмотре дефектоскопируемой детали в УФ-свете, а цветной
вариант – в дневном свете. Таким образом, комбинация обоих вариантов позволяет получить более надежные результаты.
Большое развитие также получил магнитно-люминесцентный метод, используемый для дефектоскопии изделий из ферромагнитных
материалов. Нанесение на деталь магнитно-люминесцентного порошка, его суспензии в воде или органических жидкостях приводит к
притяжению частиц порошка к краям трещин, что, в свою очередь,
предоставляет возможным обнаружить дефекты по свечению под
УФ-светом [9]. Магнитно-люминесцентная дефектоскопия позволяет
выявить тонкие шлифовочные и усталостные трещины, несовершенство сварных швов и другие дефекты.
Различные эффективные магнитно-люминесцентные пасты и порошки на основе магнитного порошка оксидов железа повсеместно
используются в ряде отраслей машиностроения.
Замена в дефектоскопии ферромагнитных материалов черного
магнитного порошка люминесцентными порошками позволила значительно повысить эффективность контроля, так как контраст между
темным фоном поверхности детали и интенсивно светящимся порошком в зонах дефектов гораздо больше, чем при использовании нелюминесцирующего порошка [19].
69
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение терминам «краситель» и «пигмент». В чем заключается
различие между понятиями?
2. Перечислите и охарактеризуйте основные классы красителей, используемых
в текстильной промышленности.
3. Назовите способы крашения кожи. Какие классы красителей используются
в кожевенной промышленности?
4. Перечислите достоинства и недостатки использования «окислительных»
красителей для крашения меха.
5. Требования, предъявляемые к красителям для пластических масс.
6. Что представляют собой пасты для шариковых ручек?
7. Добавки в состав красок (пленкообразующие вещества, пластификаторы,
наполнители, сиккативы) и их роль.
8. Дайте краткую характеристику пищевым красителям.
9. Применение флуоресцентных метчиков в медицине.
10. Особенности строения флуорохромов.
11. Назовите возможные области применения термоиндикаторов.
12. Какие физические процессы лежат в основе явления сцинтилляции? Кратко
охарактеризуйте основные виды органических сцинтилляторов и области их
применения.
13. В чем заключается метод магнитно-люминесцентной дефектоскопии?
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]