Лабораторная работа N3.1 - Белорусский государственный

Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники
Кафедра физики
Лабораторная работа № 3.1
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ВЫСВЕЧИВАНИЯ
ФОТОЛЮМИНИСЦЕНЦИИ КРИСТАЛЛОФОСФОРОВ
Минск 2015
1
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ВЫСВЕЧИВАНИЯ ФОТОЛЮМИНИСЦЕНЦИИ
КРИСТАЛЛОФОСФОРОВ1
М. А. Иванов
Цель работы:
1) Ознакомиться с разновидностями люминисценнции.
2) Изучить закономерности фотолюминисценции кристаллофосфóров.
3) Измерить кривую высвечивания фотолюминисценции кристаллофосфора и
оценить ее параметры.
1. Виды люминесценции
Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после
поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII
веке. Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении
светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфóров.
Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды в
зависимости от того, как происходит возбуждение люминесценции.
Фотолюминесценция.
Фотолюминесценцией
называется
излучение
электромагнитной энергии, возбуждаемое в веществе под действием оптического
излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов, избыточное по сравнению с
тепловым излучением. Если облучить вещество (люминофор) в любом агрегатном
состоянии ультрафиолетовым или видимым электромагнитным излучением, то
возможно появление задержанного не менее чем на 10 -12 - 10-10 с люминесцентного
излучения. Максимум спектра этого излучения сдвинут относительно максимума
спектра возбуждающего излучения в сторону меньших частот. Спектры
возбуждающего и фотолюминесцентного излучения могут частично перекрываться.
Различают фотолюминесценцию с коротким послесвечением (~10-10 секунд),
называемую флуоресценцией, и с длительным послесвечением (секунды, минуты,
часы), называемую фосфоресценцией.
При поглощении света молекулами вещества молекула переходит из основного
(невозбужденного) в возбужденное состояние. По существу, это означает переброс
одного из двух p-электронов с низкой энергетической орбиты на более высокую без
изменения спина. Каждый поглощенный молекулой квант света переводит электрон
из основного состояния в возбужденное, причем вся энергия кванта поглощается в
этом процессе электроном. Флуоресценция — испускание света веществом после
поглощения им излучения — обусловлено переходом молекул из возбужденного
синглетного состояния в основное состояние в течение короткого времени после
прекращения возбуждения. На Рис. 1 показана флуоресценция взвесей квантовых
точек разного размера при облучении ультрафиолетом. Квантовые точки —
полупроводниковые кристаллы, которые из-за малого размера проявляют квантовые
Схему лабораторной установки и макет разработал студент гр.162901 ФТК
Иван Кирилко.
1
2
свойства, характерные для отдельных молекул и не присущие объемным
полупроводникам. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х
годов.
Рис. 1. Флуоресценция взвесей квантовых точек разного размера при облучении
ультрафиолетом; цвет свечения зависит от размера точек (РОСНАНО).
В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает
поглощённую энергию не сразу. Большее время ре-эмиссии связано с
«запрещёнными» энергетическими переходами в квантовой механике. Поскольку
такие переходы наблюдаются реже в обычных материалах, ре-эмиссия поглощенного
излучения проходит с более низкой интенсивностью, и в течение длительного
времени — до нескольких часов.
Электролюминесценция. Это люминесценция, возбуждаемая постоянным или
переменным электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах. При
электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное
состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического
разряда. Из различных типов электролюминесценции твердых тел наиболее важны
инжекционная и предпробойная. Инжекционная электролюминесценция характерна
для р-n -перехода в некоторых полупроводниках, например в SiС или GaP, в
постоянном электрическом поле, включенном в пропускном направлении. В nобласть инжектируются избыточные дырки, а в р-область — электроны (или те и
другие в тонкий слой между р- и n- областями). Свечение возникает при
рекомбинации электронов и дырок в р-n слое. Предпробойная электролюминесценция
наблюдается, например, в порошкообразном ZnS, активированном Cu, Al и др.,
3
помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается
переменное напряжение звуковой частоты. При максимальном напряжении на
Рис. 2. Фосфоресценция алмаза.
конденсатора в люминофоре происходят процессы, близкие к электрическому
пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрическое
поле, которое ускоряет свободные электроны. Эти электроны могут ионизировать
атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на которых
рекомбинируют электроны при изменении направления поля. Типичный источник
света с порошкообразным люминофором (например, ZnS-Сu) состоит из стеклянной
пластинки с прозрачным проводящим слоем двуокиси олова на ней, слоя (толщиной
~ 50 мкм) порошкообразного люминофора со средним размером частиц ~10 мкм,
который распределен в диэлектрике (полимеризующаяся смола, легкоплавкое
стекло), изолирующего слоя и металлического электрода (слой алюминия). Подобные
электролюминесцентные конденсаторы могут иметь площадь в десятки и даже сотни
квадратных сантиметров и светиться при подведении к ним переменного напряжения
величиной около 100 В.
Индикаторы, в которых используется явление электролюминесценции,
называются электролюминесцентными. Их основные достоинства: высокая
надежность и долговечность; большой срок службы; малое потребление мощности
при относительно высокой ярости свечения; большой угол обзора, обеспечивающий
наблюдения в широком диапазоне углов без искажения и существенной потери
яркости; возможность получения различного цвета свечения за счет использования
люминофоров различного типа, а для люминофора одного типа — за счет изменения
частоты питающего напряжения. Все это создает хорошие возможности для создания
систем цветового кодирования информации, управления яркостью свечения путем
изменения величины подводимого напряжения, выбора размеров, плотности
расположения и формы светящихся знаков (последняя определяется формой одного
из электродов индикатора).
4
В природе примером электролюминесценции является Северное сияние, в
котором заряженные частицы, испускаемые Солнцем, захватываются магнитным
полем Земли и возбуждают свечение в верхних слоях атмосферы.
Рис. 3. Северное сияние — пример электролюминесценции.
Катодолюминесценция — люминесценция, возникающая при возбуждении
люминофора электронным пучком (катодными лучами). Способностью к
катодолюминесценции
обладают
газы,
некоторые кристаллы,
органические люминофоры, кристаллофосфоры, однако только кристаллофосфоры
стойки к действию электронного пучка и дают достаточную яркость свечения и
поэтому применяются в качестве катодолюминофоров.
Хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций.
Хемилюминесценция сопровождает газофазные, жидкофазные, гетерогенные
реакции; её спектр может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой
областях. Она наблюдается в реакциях, идущих самопроизвольно, а также в
реакциях, происходящих под воздействием различных факторов: электрического
разряда, электролиза (электрохемилюминесценция), света, ионизирующего излучения
и т.д.
Биолюминесценция — процесс, в котором химическая энергия в живом
организме превращается в световую. В ходе реакции субстрат (люциферин)
окисляется под действием фермента (люциферазы). Люциферины и люциферазы у
разных организмов химически различаются, однако все хемилюминесцентные
реакции требуют молекулярного кислорода и протекают с образованием
промежуточных комплексов – органических пероксидных соединений. При распаде
этих комплексов высвобождается энергия, возбуждающая молекулы вещества,
ответственного за светоизлучение. Самым частым примером биолюминесценции в
наших широтах являются светлячки (Рис. 4). Свечение у них используется в качестве
языка общения между представителями своего вида. Некоторые тропические
5
светляки замечательны тем, что все их особи, слетевшиеся вместе, вспыхивают и
гаснут одновременно.
Рис. 4. Светлячок
Эффективность хемилюминесценция приближается к 100% в случае
биолюминесценции некоторых светляков и к 25% при реакциях окисления перекисью
водорода эфиров щавелевой кислоты; в некоторых («ярких») реакциях она составляет
около 1%, в остальных случаях — гораздо ниже. Исследование хемилюминесценции
позволяет решать тонкие вопросы теории элементарного акта химического
превращения, перераспределения энергии в продуктах реакции, строения молекул,
измерять скорости реакций или концентрации веществ. Реакции с яркой
хемилюминесценцией используют в хемилюминесцентных источниках света,
«включаются» смешиванием реагентов и дают световые потоки хемилюминесценции
0,1 люмен из 1 мл раствора.
Наибольшее применение в фотонике нашли источники и преобразователи
светового излучения, в которых используется электролюминесценция (светодиоды,
инжекционные полупроводниковые лазеры и усилители) и фотолюминесценция
(люминесцентные покрытия, лазеры и усилители на основе редкоземельных
элементов и т. д.). Явление люминесценции используется в люминесцентных лампах
«дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. Свечение экранов
телевизоров, мониторов, дисплеев – это также люминесценция. Люминесценция
находит применение при изготовлении светящихся шкал (кристаллофосфоры), в
люминесцентном анализе (люминесцентные реагенты), микробиологии и медицине
(микробиологические
люминесцентные
индикаторы),
в
машиностроении
(люминесцентная дефектоскопия), в строительстве (люминесцирующие меченые
пески).
6
2. Фотолюминесценция кристаллофосфоров
Кристаллофосфоры — это неорганические кристаллические люминофоры. Они
люминесцируют под действием света, потока электронов, проникающей радиации,
электрического тока и т. д. Способность люминесцировать обусловлена у них
наличием запрещенной зоны в энергетическом спектре кристалла, поэтому
кристаллофосфорами могут быть только полупроводники и диэлектрики. В состав
кристаллофосфоров входят в малых концентрациях примеси — активаторы.
Активаторы и дефекты решётки кристалла (вакансии, междуузельные атомы и т. п.)
образуют центры свечения. Механизм свечения кристаллофосфоров в основном
рекомбинационный. Люминесцировать кристаллофосфоры могут как в результате
возбуждения непосредственно центров свечения, так и при поглощении энергии
возбуждения кристаллической решёткой и передаче её (через электроны и дырки,
экситоны и др.) центрам свечения. Непосредственная рекомбинация электронов и
дырок в кристаллофосфорах также сопровождается свечением (излучательная
рекомбинация). Длительность послесвечения кристаллофосфоров колеблется в
широких пределах — от 10-9 сек до нескольких часов. В зависимости от активатора
спектр люминесценции может меняться от ультрафиолетового до инфракрасного.
Простейшая модель кристаллофосфора включает в себя 2 уровня в запрещённой
зоне. Уровень ловушки для электронов ближе к зоне проводимости, а уровень центра
свечения ближе к валентной зоне. При возбуждении кристаллофосфора различными
видами ионизирующего излучения в нем возникают дырки (в валентной зоне) и
электроны (в зоне проводимости). Двигаясь по зоне проводимости, электроны могут
быть захвачены в ловушку. Для освобождения таких электронов требуется
приложить дополнительную энергию — это либо нагрев (термолюминесценция),
либо
облучение
ИК-светом
(вспышечные
кристаллофосфоры).
Метод
термовысвечивания используют для определения энергетического спектра уровней
захвата. Вспышечные кристаллофосфоры применяют в ИК-приборах ночного
видения, для визуализации распределения ИК-излучения.
При поглощении кванта света электрон из валентной зоны переходит в зону
проводимости, оставляя в заполненной зоне положительный заряд — «дырку». За
время около 10-8 секунд электрон переходит на самый низкий из подуровней зоны
проводимости, а «дырка» переходит на самый верхний подуровень валентной зоны.
Возможны рекомбинация «дырки» с электроном активатора и переход электрона из
валентной зоны на вакантный уровень образовавшегося центра свечения
(флуоресценция кристаллофосфора). При наличии потенциальных ям электрон
может задержаться в них на значительное время, пока за счёт термического или иного
возбуждения не будет вынесен вновь в зону проводимости и не перейдёт на
вакантный уровень центра свечения с излучением кванта света (фосфоресценция
кристаллофосфора).
3. Кристаллофосфоры
Кристаллофосфоры обычно представляют собой бесцветные или слабо
окрашенные порошкообразные материалы. Типичные кристаллофосфоры —
полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ и низким значением
7
темновой (т. е. без освещения) проводимости. Кристаллофосфоры могут быть только
полупроводниками
и
диэлектриками.
Наиболее
распространенные
кристаллофосфоры - сульфиды, селениды и теллуриды Zn и Cd, оксиды Са и Мn,
оксисульфиды In и La (In2O2S, La2O2S), галогениды щелочных металлов.
Применяются также соли кислородсодержащих кислот, соединения типа гранатов и
т. д. В качестве активаторов используются примеси Ag, Cu, Mg, редкоземельных и
некоторых др. элементов. Кристаллофосфоры обозначают хим. символами вещества,
образующего кристаллическую структуру, и активатора, например ZnS*CdS : Ag, Cu;
иногда символ активатора указывают в скобках: ZnS(Cu).
Люминесцировать кристаллофосфоры могут как в результате возбуждения
непосредственно центров свечения, так и при поглощении энергии возбуждения
кристаллической решёткой кристаллофосфоров и передаче её (через электроны и
дырки, экситоны и др.) центрам свечения.
Люминесценция кристаллофосфоров обусловлена наличием активатора или
дефекта решетки (вакансии, междуузельные атомы и т. п.). Активаторами обычно
служат ионы металлов (Сu, Со, Mn, Ag, Еu и др.). Механизм свечения
кристаллофосфоров в основном рекомбинационный. Т.е. в процессе возбуждения
создаются носители заряда (электроны в зоне проводимости и дырки в валентной
зоне). Часть этих носителей рекомбинируeт на центрах свечения, что сопровождается
переходом их в возбужденные состояния с последующим испусканием квантов
видимого света. В результате диффузии носители заряда могут рекомбинировать не
только с тем центром, из которого были высвобождены, но и с другим
ионизованным центром. Отличительная особенность такого свечения - не
экспоненциальный, а гиперболический закон убывания яркости свечения после
прекращения возбуждения.
При наличии так называемых ловушек — центров захвата неравновесных
носителей заряда, послесвечение кристаллофосфоров колеблется в широких
пределах — от 10-9 с до нескольких часов, причем его интенсивность обычно резко
увеличивается при повышении температуры (явление термовысвечивания).
Основные параметры кристаллофосфоров - выход люминесценции, её спектр и
время затухания.
Выход люминесценции для кристаллофосфоров может достигать десятков
процентов и сильно зависит от концентрации активатора и неконтролируемых
примесей. Поэтому технология создания кристаллофосфоров
требует особой
чистоты исходных веществ. Выход люминесценции кристаллофосфоров зависит от
температуры и может резко меняться при изменении температуры даже на несколько
градусов.
Другой важный параметр кристаллофосфоров — время затухания
люминесценции. Так, в качестве сцинтилляторов, где необходимо хорошее
временнóе разрешение, применяют кристаллофосфоры со временем затухания в
несколько наносекунд (ZnS : Ag, щёлочногалоидные кристаллы типа CsI : Tl, NaI : Т1
и др.), для экранов электронно-лучевых трубок — кристаллофосфоры со временем
послесвечения от микросекунд до нескольких секунд (ZnS*CdS : Cu и др.), для
индикации стрелок приборов, часов и т. д. — так называемые составы временного
действия с длительностью послесвечения до нескольких часов (светосоставы на
основе ZnSi : Cu, SrS : Сu, Bi. В середине 1990-х было открыто новое химическое
8
соединение на основе алюмината стронция. Изделия на его основе светят примерно в
20 раз ярче изделий с применением сульфида цинка, а длительность свечения может
достигать 48-50 часов. Это открытие дало возможность рассматривать
фотолюминесценцию как альтернативный источник для системы аварийного
освещения.
Спектр люминесценции кристаллофосфоров определяется в основном типами
центров люминесценции, т. е. видом активатора. В люминесцентных лампах
подбираются кристаллофосфоры, позволяющие получить источники света с
различной цветовой температурой (чаще всего 3Са3 (P04)2Ca(F, Cl)2: Sb, Mn). В
телевизионных трубках используют кристаллофосфоры с повышенной стойкостью к
облучению электронами; белый цвет свечения экрана обеспечивают смешением
жёлтого свечения ZnS CdS: Ag и голубого ZnS: Ag. В цветных телевизорах
применяют кристаллофосфоры трёх цветов: ZnS: Ag — голубой, Zn2SiO4: Mn —
зелёный, Zn3(P04)2: Mn (или YV04: Eu) — красный.
К другим параметрам кристаллофосфоров относятся их стойкость к различным
облучениям и атмосферному воздействию, яркость свечения, зависимость выхода
люминесценции от возбуждения и т. д.
4. Кинетика люминесценции кристаллофосфоров
Одной из важнейших проблем люминесценции кристаллофосфоров является
изучение законов изменения интенсивности люминесценции во времени после
прекращения возбуждения (законов затухания люминесценции).
Теоретическое рассмотрение законов затухания люминесценции основывается
на предположении о мономолекулярном или бимолекулярном характере свечения.
Рассмотрим закон затухания внутрицентровой люминесценции, имеющей
мономолекулярный характер. Покажем, что этот закон является экспоненциальным.
Пусть N0 - число возбужденных центров свечения в момент прекращения
возбуждения, N — число возбужденных центров свечения в некоторый момент
времени t, α — вероятность излучательного перехода возбужденного центра свечения
в основное состояние. Если в кристалле отсутствует тушение люминесценции,
вероятность безызлучательных переходов полагают равной нулю. Тогда число
возбужденных центров свечения в некоторый момент времени t будет равно:
.
Интенсивность люминесценции I(t) пропорциональна числу возбужденных
центров свечения в единицу времени, поэтому:
,
(1)
где
— интенсивность люминесценции в момент прекращения возбуждения, τ —
время затухания (постоянная времени) люминесценции, т.е. время, за которое
начальная интенсивность уменьшается в e раз. Время затухания люминесценции τ
равно среднему времени жизни центра свечения в возбужденном состоянии.
9
В данной лабораторной установке используется кристаллофосфор ZnS: Cu
(сернистый цинк, активированный медью), включенный в пластмассовую матрицу.
Закон затухания свечения для этого люминофора может быть описан функцией:
,
(2)
где А и В — амплитуды двух экспоненциальных компонент высвечивания, и —
их постоянные времени, причем << ; постоянная С связана не с высвечиванием
люминофора, а с темновым током фотоумножителя и фоновой засветкой фотокатода
через щели в корпусе макета.
5. Лабораторная установка для измерения кривой высвечивания
люминесценции
Для измерения кривой высвечивания люминесценции используется установка на
основе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), схема которой показана на рисунке 5.
ФЭУ – это прибор для преобразования слабых световых сигналов в электрические.
ФЭУ представляет собой фотоэлемент с многократным усилением, основанным на
явлении вторичной электронной эмиссии. Он содержит фотокатод, систему
ускоряющих электродов (динодов) и анод, расположенные внутри вакуумной колбы.
Фотоны видимого излучения, испускаемые люминофором, попадая на
фотокатод, выбивают из него фотоэлектроны, которые ускоряются и фокусируются
электрическим полем на первый динод. Каждый фотоэлектрон выбивает из первого
динода несколько вторичных электронов за счет явления вторичной электронной
эмиссии, которые, в свою очередь, ускоряются и направляются на второй динод,
также являющийся эмиттером вторичных электронов. Для обеспечения усиления на
диноды относительно фотокатода подается высокое напряжение, которое делится
между отдельными динодами с помощью делителя напряжения
3 (цепочки
резисторов), подключенного к источнику высокого напряжения. Напряжение на
каждом диноде относительно фотокатода на 50-100 В выше, чем у предыдущего
динода. Коэффициент усиления ФЭУ будет равен , где k – среднее число выбитых
вторичных электронов, долетающих до следующего динода, N – число динодов.
Обычно в ФЭУ устанавливаются 10-14 динодов, что позволяет усиливать поток
электронов в 106 – 109 раз, так что даже при световом потоке не очень большой
интенсивности суммарный анодный ток создает на сопротивлении анодной нагрузки
Rанода легко регистрируемое цифровым вольтметром напряжение. При очень малых
интенсивностях световых потоков выходное напряжение усиливают с помощью
дополнительного электронного усилителя.
В качестве люминофора в установке используется ZnS: Cu — сернистый цинк,
активированный атомами меди. Люминофор в виде мелких кристаллов включен в
прозрачную пластмассовую матрицу. Пластмассовая пластина с люминофором
установлена перед фотокатодом ФЭУ. Фотовозбуждение люминофора производится
светом лампы накаливания малой мощности, включаемой на малое время с помощью
кнопки “засветка” (на схеме кнопка К1).
10
Для исключения влияния внешней подсветки вся система помещается в
светонепроницаемый корпус.
При включении кнопки «засветка» (кнопка К1) на лампу накаливания 1
подается напряжение 220 В. При включении данной кнопки ключ К2 размыкается,
тем самым исключая подачу высокого напряжения на ФЭУ во время засветки. Свет
лампы попадает на пластинку с люминофором 2. По истечении времени засветки
ключ К1 размыкается. С помощью отдельного переключателя «1,2 кВ» (ключ К3)
подается напряжение 1,2 кВ на ФЭУ. Цепь резисторов 3 образует делитель
напряжения, которое обеспечивает ускорение электронов внутри ФЭУ. Выходное
напряжение фотоумножителя на анодном резисторе измеряется с помощью
вольтметра.
Рис. 5. Схема лабораторной установки.
1
2
11
Рис. 6. Передняя панель источника высокого напряжения УПУ – 22
лабораторной установки; переключатели рода работы установлены в нужном
положении. 1 – переключатели рода работы, 2 – большая рукоятка регулировки рода
работы.
6. Порядок проведения измерений
1.
Кнопку «засветка» не нажимать до тех пор, пока это не
понадобится по ходу измерения.
2.
Включить тумблеры «Сеть» на макете и высоковольтном источнике.
3.
На электронном вольтметре установить предел измерения «200 В».
4.
На высоковольтном источнике УПУ – 22 выставить положение трех
рычагов: рычаг «вид испытаний» — вольты, «вид измерения» — постоянный ток (=),
«предел напряжения» — 2 кВ.
5.
Большую рукоятку «выход» повернуть влево до щелчка; вращать ее по
часовой стрелке и выставить напряжение 1.6 кВ на холостом ходу (без нажатия этой
рукоятки).
6.
Включить тумблер «1,2 кВ» на макете.
7.
Нажать на большую рукоятку «выход», теперь высокое напряжение будет
подано на макет. Если источник нагружен, то напряжение будет равно 1,2 кВ. С
интервалом 1 минута измерить выходное напряжение ФЭУ с помощью цифрового
вольтметра 5 раз. Эти измерения усреднить и принять, что постоянная С в формуле
(2) равна этому среднему.
8.
Выключить тумблер «1,2 кВ» на макете.
9.
Нажать на кнопку «засветка», держать нажатой 1 секунду; при нажатии
кнопки запустить секундомер и не выключать его в течение всех измерений.
10.
После того, как отключена кнопка «засветка», включите тумблер «1,2
кВ». На этом макете засветка люминофора и фотоумножителя не может
производиться при поданном высоком напряжении.
11.
Через 10 сек снимите первое показание цифрового вольтметра Uвых. Для
этого нажмите на большую рукоятку «выход» за несколько секунд до нужного
момента времени. Результат измерений занесите в таблицу 1.
12.
Такие измерения напряжения Uвых с интервалом 3 минуты после
первого измерения повторяйте в течение 1 часа. Данные заносите в таблицу 1.
13.
После окончания измерений тумблерами «сеть» выключите макет и
высоковольтный источник, отключите все приборы от сети.
14.
По результатам измерений постройте график зависимости Uвых (t).
Таблица 1
t, мин
Uвых, В
15.
По результатам измерений оцените параметры кривой высвечивания
люминесценции, описываемой функцией
. Алгоритм оценки параметров кривой
описан в разделе 7.
12
7. Алгоритм нахождения параметров τ1 , τ2, А, В, С
Будем осуществлять подгонку экспериментальных данных функцией (2),
которая представляет собой сумму двух экспонент и константы:
.
Значение константы С определяется темновым током ФЭУ и фоновой засветкой
фотокатода (свет проникает на фотокатод через щели в корпусе).
1) Построить график зависимости Uвых (t)=f (t).
2) Выбрать два интервала I и II: I – от 0 до 30 мин, II – от 30 до 60 мин.
3) Так как
<< , то на интервале II первое слагаемое
примерно равно
нулю. По найденным ранее точкам оценим С. Тогда функция имеет вид:
f(t) B
. На данном интервале выбираются две точки t1 и t2 и находится
отношение
. Тогда
. Все времена измеряются в
минутах.
4) Для того чтобы найти константу В, необходимо подставить
и C в выражение
для функции
в точке t2 данного интервала, т. е.
.
В итоге мы нашли три параметра функции: С,
и В.
5) Общий вид функции на интервале I:
где два
последних слагаемых с параметрами С,
и В известны, и у нас остается два
неизвестных параметра —
и А. Для того, чтобы найти
, выбираются две
точки t3 и t4 на интервале I и находится отношение
Следовательно,
.
.
6) Для того чтобы найти константу A, в выражение (2) необходимо подставить
, B, C в точке t3 данного интервала, т. е.
.
7) Построить на одном графике теоретическую кривую с найденными значениями
параметров и экспериментальные точки. Точки должны быть близки к кривой.
8) Так как значения А и В зависят от длительности импульса засветки и яркости
лампочки, то физический смысл имеет только их отношение А/В; вычислите его.
8. Контрольные вопросы
1. Назовите виды люминесценции; чем возбуждается каждый вид свечения?
2. Приведите примеры применения электролюминесценции; фотолюминесценции;
катодолюминесценции.
3. Чем отличаются флуоресценция от фосфоресценции?
4. Опишите особенности кристаллофосфоров.
5. Зачем на стенку колбы люминесцентной лампы наносят белый порошок?
6. Как работает лабораторная установка?
13
7. Какие физические эффекты обеспечивают работу ФЭУ?
8. Опишите алгоритм нахождения параметров кривой затухания фосфоресценции.
9. Зависит ли вид измеряемой кривой затухания фосфоресценции от длительности
импульса
засветки?
14
Краткая инструкция по выполнению лабораторной работы № 3.1
Схема лабораторной установки: 1 – лампа накаливания, 2 – пластинка с
люминофором, 3 – цепь резисторов.
Порядок выполнения работы
1.
Кнопку «подсветка» не нажимать до тех пор, пока это
не понадобится по ходу измерения.
2.
Включить тумблеры «Сеть» на макете и высоковольтном источнике.
3.
На электронном вольтметре установить предел измерения «200 В».
4.
На высоковольтном источнике УПУ – 22 выставить положение 3 рычагов.
5.
Большую рукоятку «выход» повернуть влево до щелчка; вращать ее по
часовой стрелке и выставить напряжение 1.6 кВ на холостом ходу.
6.
Включить тумблер «1,2 кВ» на макете.
7.
Подать напряжение на макет. С интервалом 1 минута измерить выходное
напряжение ФЭУ с помощью цифрового вольтметра 5 раз. Вычислить С.
8.
Выключить тумблер «1,2 кВ» на макете.
9.
Нажать на кнопку «засветка», держать нажатой 1 секунду; при нажатии
кнопки запустить секундомер и не выключать его в течение всех измерений.
10.
Включить тумблер «1,2 кВ».
11.
Через 10 сек снять первое показание цифрового вольтметра Uвых.
Результат измерений занести в таблицу 1.
12.
Измерять напряжение Uвых с интервалом 3 минуты после запуска
секундомера в течение 1 часа. Данные также занести в таблицу 1.
13.
После окончания измерений отключить все приборы от сети.
14.
По результатам измерений оценить параметры кривой высвечивания
люминесценции по алгоритму, описанному в разделе 7.
15.
По результатам измерений построить график зависимости Uвых(t) (точки).
Нанести на этот график кривую f(t) с найденными параметрами.
15