Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
A foszforeszkáló cinkszulfidtól a TL-dózismérőkig
Gündischné Gajzágó Mária
Széchenyi I. Közgazdasági Szakközépiskola, Hatvan
A középiskolai szertárakban általában megtalálható a foszforeszkálás bemutatására szolgáló eszköz: körülbelül 10 cm átmérőjű és 1,2 cm magasságú fekete ebonithenger lecsavarható fedéllel, melynek 3 ovális ablaka különböző színűt foszforeszkáló anyagot (rézzel aktivált cinkszulfidot, jelölése: ZnS:Cu, kadmiumszulfidot stb.) tartalmaz. Az 1. kép erről az eszközről készült (az ablakokra lakatkulcsokat helyeztünk).
Ezzel az eszközzel könnyen elvégezhetünk néhány látványos kísérletet, melyeknek magyarázata a kristályok energia-sávelméletével adható meg. E kísérletek elvégzésének az ad különös aktualitást, hogy a széleskörben használt TL-dózismérőkben ehhez hasonló jelenségek játszódnak le. (Megjegyzendő, hogy a KFKI-ban kifejlesztett termolumineszcens sugárzásmérő műszer nemzetközi elismerésnek örvend.) Így tanulmányozhatjuk e modern sugárzásmérők működési elvét fizikaórákon.
Az eszközt kísérő tanszerismertető a foszforeszkálás, esetleg az árnyékkép bemutatását javasolja. Valóban szép látványt nyújt sötét teremben az előzőleg 0,5-1 percen át erős, lehetőleg ultraibolya fényt is sugárzó, lámpával megvilágított doboz 3 ovális ablaka: ezek különböző színű, fokozatosan gyengülő fényt bocsátanak ki. Két ablaknál csak másodpercekig, esetleg egy percig tart az utóvilágítás, a harmadiknál viszont 20 perc múlva is érzékelhető, ha a sötétítés megfelelő. A leghosszabb ideig világító ablak elég erős zöldes-sárga fényt bocsát ki - ez a cinkszulfidos ablak.
Még érdekesebb a látvány, ha a sötétben kinyitott doboz cinkszulfidos ablakára egy lakatkulcsot helyezünk a gerjesztés előtt, így 10-20 percig látható az "árnyékkép" a megvilágított részek utóvilágítása miatt.
Ezentúl azonban az is bemutatható, hogy az utóvilágítás időtartama jelentős mértékben lerövidíthető melegítéssel vagy vörös színű lézerfénnyel. Ezt fogjuk vizsgálni a következőkben:
- A cinkszulfidos ablakot jól megvilágítjuk, majd sötétben, vízfürdőn felmelegített lakatkulcsot vagy más lapos tárgyat teszünk rá, amit 4-5 másodperc után le is emelünk. Nagyon rövid időre megjelenik a forró kulcs világos képe, majd ezt követően a sötét kép, amely még percekig megfigyelhető. Erről készült a 2. kép.
- Az előzőleg megvilágított cinkszulfidos ablakra, sötétben, lézermutató vörös fényével - lassú mozdulatokkal - egy M betűt "írunk". Néhány másodperc múlva a világító, foszforeszkáló ablakon leolvasható a sötét M betű (3. kép).
A következő képek (4.,5.,6.) nem az eddigi 3 ablakos eszközről, hanem egy levelezőlap-nagyságú cinkszulfidos ernyőről készültek. (Ez az ernyő egy üveglemez, melyre kötőanyaggal ZnS:Cu port rétegeztünk.) Ez is zöldes-sárga fényt ad gerjesztésre és 20-25 perc utóvilágítást mutat.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- A megvilágított ernyőt, (sötétben) ezúttal egy biciklikulcsra helyeztük és rögtön ezután, illetve 40 másodperc múlva lefényképeztük. Így kaptuk a biciklikulcs világos, illetve sötét alakját mutató 4. és 5. képeket. Megjegyzendő, hogy "világos" kép a tanszer ovális ablakán nem készíthető, mert a forró kulcs leemelésével az érintett helyek fénykibocsátása megszűnik
A 6. kép úgy készült, hogy a megvilágított ernyőre lézermutatóval ráírtuk a "Laser" szót, és exponáltunk.- Az előbbi módszerekkel előállított "sötét kép" (a 2., 3., 5., 6. képek) bármelyike konzerválható 2-3 órára, ha a lezárt ebonitdobozt illetve a gondosan becsomagolt cinkszulfidos ernyőt azonnal mélyhűtőbe helyezzük. Amikor a fagyasztóból kivesszük és a cinkszulfidos ablak, illetve az ernyő 1-2 perc alatt szobahőmérsékletre melegszik, a kép újra látható lesz.
Ezen jelenségek a ZnS:Cu sávszerkezetével magyarázhatók (7. ábra)
A kristályban jelenlévő szennyező - többnyire Na-atomok - a vezetési sáv alatt úgynevezett "csapda-szintet" hoznak létre (d), az aktiváló Cu-atomok a vegyértéksáv fölött alakítanak ki energiaszintet (a).
A ZnS:Cu-ban végbemenő folyamatok a következő szakaszokra tagolhatók: I. A vegyértéksáv egy elektronja elnyeli a gerjesztő fény hf1 energiakvantumát és a vezetési sávba emelkedik. Ezzel egyidejűleg a vegyértéksávban lyuknak nevezett elektronhiány jelenik meg, amely a vegyértéksáv felső részébe emelkedik, mivel ezen sáv elektronjai az energiában szegényebb állapotokat igyekeznek elfoglalni. A lyukak hőmozgást végeznek a vegyértéksávban. II. A vezetési sáv energiában gazdag elektronja már nem "találja" el a lyukat, annak hőmozgása miatt, így a vezetési sávból a vegyértéksávba történő direkt átmenet valószínűtlenné válik. Így magyarázható az, hogy gerjesztés után a vezetési sávban sok elektron tartózkodik. A vezetési sáv elektronjai ennek alsó részét igyekeznek elfoglalni, miközben energiát adnak le a kristályrácsnak. III. Az elektroncsapdák, (amelyek közvetlenül a vezetési sáv alatt találhatók,) elektronokat "fognak be"
IV. Ha az elektron d V. Az aktiváló Cu+ ionok, melyek a rács Zn2+ ionjait helyettesítik, -1 effektív töltést képviselnek. Ezen lokalizált Cu+ ionok vonzzák a lyukakat, így minden aktiváló atom leköt egy lyukat. Ezen lyukak állapota így jól meghatározott lesz. A vezetési sáv elektronjai
rekombinálódnak a lyukakkal (c A fentiekből nyilvánvaló, hogy az utóvilágítás időtartamát az határozza meg, mennyi ideig tart az elektronoknak a csapdaszintről vezetési sávba történő felemelése (a
d Mi a TL kristály, és miért használható a dózismérőkben? A TL anyagok széles tiltott sávval rendelkező szigetelő kristályok, melyek nagyon kis mennyiségben másféle úgynevezett aktivátor - anyagot is tartalmaznak. Például: LiF:Mg (magnéziummal aktivált lítiumfluorid), CaF2:Mn, CaSO4:Dy stb.. Ha a TL kristályt ionizáló sugárzás: béta-, Röntgen-, gamma- vagy neutronsugárzás éri, annak nagyszámú atomja ionizálódik: pozitív és negatív ionra esik szét. A rekombináció és az azzal együttjáró fénykibocsátás csak nagyon kis valószínűséggel következik be, ugyanis az elektronok magasabb energiájú rácshelyekre (szennyező atomok hatása) kerülnek, amelyek csapdát jelentenek számukra. A kiszabadulás valószínűsége a csapda mélységétől és a hőmozgás hevességétől függ. De szobahőmérsékleten vagy kis melegítéskor (60-70 °C fokon) ez nem következik be úgy, mint az általunk vizsgált foszforeszkáló ZnS:Cu-nál. Ha viszont a TL kristályt kellő mértékben felfűtjük, esetleg több száz °C fokra, az elektronok kiszabadulnak, a csapdák kiürülnek, a kristály fényt bocsát ki. A kibocsátott fényenergia értéke az elnyelt ionizációs energia nagyságától függ. Ez teszi alkalmassá a TL kristályokat az ionizációs energia, a sugárdózis mérésére. A dózismérő felépítése és használata? A dózismérő golyóstoll méretű tokba zárt TL anyag, néhány milliméteres rudacska formájában vagy por alakban. Ezt az űrhajós, sugárlaboratóriumban vagy erőműben dolgozó ruhájára tűzik, vagy elhelyezik a szabadban, aszerint hogy az ember vagy a környezet sugárterhelését akarják mérni. A besugárzás és a kiértékelés közti időben a spontán információveszteség csökkentése érdekében a dózismérőt óvni kell a melegtől és a napfénytől. A dózisleolvasás céljára szolgáló készülék a TL anyagok gyors felmelegítésére alkalmas egységből és a kibocsátott fénymennyiség mérésére szolgáló mérőberendezésből áll. A mérőberendezés fő része a számítógéphez kapcsolt fotoelektronsokszorozó. A felmelegítés a kívánt felfűtési sebességgel történik. A mérőberendezés a dózismérő TL kristálya által a felfűtés idején kibocsátott fényenergiát méri meg, ami arányos az elnyelt sugárdózissal. A Paksi Atomerőmű Környezetellenőrző Laboratóriuma az úgynevezett KÁSA-port (CaSO4:Tm) használja dozimetriai célra. Ez a TL por 0,05 %-ban tartalmazza az aktiváló anyagot, a Tm-ot, és 1-2 %-ban a szennyező Na-atomokat. A CaSO4:Tm dózismérő néhány jellemző paramétere: egy méréshez használt tömeg körülbelül 40 mg, a legkisebb mérhető dózis 1,7 m
Gy, a használat előtti hőkezelés 500 °C fokon 20-30 percig történik, a felfűtési sebesség 5-12 °C/s, a kifűtési hőmérsékleti tartomány 160-220 °C fok közé esik. (Ezen adatokat néhány évvel ezelőtt bocsátotta rendelkezésemre Rósa Géza a Paksi Atomerőműtől.) A TL dózismérők előnyei: a kis méret, környezeti hatásokra nem túl érzékeny, hosszú élettartamú, széles dózistartományban mér, így alkalmas a gyenge háttérsugárzás mérésére is, de technikai dózismérésre is. Összehasonlítva a TL kristályok és az ZnS:Cu fénykibocsátását; észrevehető a folyamatok hasonlósága, de alapvető különbségek is. A TL kristályokat 200-300 °C fokra kell felmelegíteni ahhoz, hogy a bennük tárolt energiát kibocsáthassák, a ZnS:Cu-nál viszont ez már 100 °C fok alatt, sőt szobahőmérsékleten is bekövetkezik. Továbbá megállapítható, hogy a TL kristályok a környezet hőmérsékletén nagyon hosszít ideig: hónapokig, évekig képesek tárolni a bennük felhalmozott energiát, információt, míg a ZnS:Cu erre csak 10-20 percig képes. Szaknyelven ezt úgy mondhatnánk, hogy szobahőmérsékleten a "felejtés" (= "fadding") TL kristályoknál nagyon kicsi, a cinkszulfidnál nagy érték. Természetesen, egy pillanatra sem felejthetjük el, hogy a gerjesztés is egészen másként történt: a TL kristályoknál ionizáló sugárzással, a cinkszulfidnál látható vagy UV-fénnyel. Irodalom 
7. ábra. A ZnS:Cu energiasávjának szerkezete.
(c 
d). Innen az elektronok nem szabadulhatnak spontán módon,
mivel a d v átmenet kvantummechanikailag tiltott. c átmenethez szükséges (hf2) energiát a rácstól (fononok), hősugárzás vagy vörös lézerfény formájában megkapja, kiszabadul a
potenciálgödörből
és a vezetési sávba jut. Ezzel a dinamikus egyensúllyal magyarázható a foszforeszkálás, melynek időtartama a hőmérséklet és a hősugárzás függvénye. v átmenet), miközben energiát adnak át az aktíváló atomoknak. Az aktiváló atomok pedig rájuk jellemző zöldes-sárga fényt (hf3) bocsátanak ki. c átmenet).
Melegítéskor, vagy lézerfénnyel való
megvilágításkor ez nagyon gyorsan bekövetkezik, de ezt követően az
elektron-lyuk rekombináció (c v átmenet) és a Cu-atomok zöldes-sárga fénykibocsátása néhány másodperc alatt lezajlik. Ahol hősugárzás vagy vörös lézerfény nem éri foszforeszcens anyagot, ott a csapdaszintről csak véletlenszerűen szabadul ki egy-egy elektron és az utóvilágítás 20 percig is eltart. -20-(-30)
°C fokon az elektronok mintegy "befagynak" a csapdákba. Szobahőmérsékleten
azután újra "felélednek" és a hőmérséklet által megszabott ütemben rendre
mind kiszabadulnak a csapdaszintről, miközben a zöldes-sárga fény fokozatosan
gyengül.
