Результат интеллектуальной деятельности: ФОТОХРОМНОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ СТЕКЛО

Изобретение относится к области материалов для твердотельных индикаторов ультрафиолетового (УФ) излучения.

Фотохромные стекла, изменяющие цвет под воздействием УФ-излучения, известны достаточно давно. Обычно они имеют неяркую окраску и, в зависимости от состава, затемняются или просветляются при увеличении интенсивности УФ-излучения.

Стекла, люминесцирующие при воздействии электромагнитного излучения, также известны.

Представляется важным создание материала, в котором под воздействием УФ-излучения возбуждается люминесценция видимого диапазона спектра, а при изменении интенсивности УФ-излучения плавно меняется окраска. При ярком насыщенном цвете такой материал может быть использован в качестве простого индикатора УФ-излучения и изменения его интенсивности.

Наибольший интерес представляет разработка фотохромного люминесцентного материала для применения в ближнем и среднем УФ-диапазонах, т.е. в области длин волн 280-400 нм. Такое УФ-излучение широко распространено в повседневной жизни, т.к. присутствует в спектре многих светоизлучающих приборов, в т.ч. бытовых, косметических и медицинских. УФ-излучение ближнего и среднего диапазона, при повышенной интенсивности, может представлять опасность для здоровья человека даже на удалении от источника, т.к. оно слабо поглощается атмосферой. Человеческий глаз не может определить наличие УФ-излучения среднего и большей части ближнего УФ-диапазонов, что является дополнительным фактором риска.

Предлагаемое фотохромное люминесцентное стекло представляет собой материал, позволяющий мгновенно определять наличие и оценивать интенсивность УФ-излучения ближнего и среднего диапазонов визуально, без использования преобразования оптического сигнала в электрический и без измерительных приборов для количественной оценки интенсивности сигнала.

Известно люминесцентное силикатное стекло, легированное одним элементом из набора Y, La, Gd, Lu и одним элементом из ряда Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb [Y. Yasuhiro, S. Kenzou. Glass scintillator. Pat. JP 4640176, 02.03.2011] - аналог. При определенных комбинациях легирующих элементов это стекло преобразует УФ-излучение в свет видимого диапазона. Основным недостатком материала является то, что он предназначен для детектирования жесткого УФ-излучения с длинами волн менее 100 нм и не может быть эффективно использован для работы с УФ-излучением ближнего и среднего диапазонов.

Известно фотохромное боросиликатное стекло, содержащее SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, Li₂O, Na₂O, K₂O, Ag, CuO и NiO, просветляющееся практически до полной прозрачности при увеличении интенсивности УФ-излучения [J.C. Mauro, L.M. Thirion. Reverse photochromic borosilicate glasses. US patent application publication Pub. N20150099130 A1, 09.04.2015] - аналог. Основной недостаток такого стекла - отсутствие люминесценции под воздействием УФ-излучения. Существенным недостатком является необходимость термообработки для повторного затемнения стекла. Кроме того, этот материал-аналог имеет сложный состав.

Известно люминесцентное литий-боратное стекло для преобразования УФ-излучения в белый свет, содержащее оксид туллия Tm₂O₃ в концентрации 0,38-0,40% (мас.), оксид тербия Tb₂O₃ в концентрации 0,38-0,40% (мас.), оксид европия Eu₂O₃ в концентрации 0,08-0,09% (мас.) и тетраборат лития Li₂B₄O₇ (остальное) [Редькин B.C., Синицын В.В., Колесников Н.Н. Люминесцентное литий-боратное стекло. Патент РФ 2544940, 20.03.2015] - прототип. Основной недостаток этого люминесцентного стекла состоит в том, что оно не является фотохромным, т.е. его цвет не меняется при изменении интенсивности излучения ближнего и среднего УФ-диапазонов. Кроме того, состав известного люминесцентного стекла сложен за счет того, что оно содержит три легирующие добавки.

Задачей настоящего изобретения является создание фотохромного люминесцентного стекла, имеющего яркую окраску и позволяющего определять наличие и оценивать интенсивность УФ-излучения ближнего и среднего диапазонов визуально, без использования преобразования оптического сигнала в электрический и без измерительных приборов для количественной оценки интенсивности сигнала, при одновременном упрощении состава стекла.

Поставленная задача решается тем, что литий-боратное стекло на основе тетрабората лития Li₂B₄O₇ имеет состав, содержащий оксид европия Eu₂O₃ в концентрации 0,43-0,49% (мас.) и тетраборат лития Li₂B₄O₇ (остальное).

При практически полном отсутствии УФ-компоненты в освещении предлагаемое фотохромное люминесцентное стекло является почти бесцветным, с незначительным малиновым нацветом, что иллюстрируется фотографией на Фиг. 1, где показан образец стекла при рассеянном дневном свете в помещении.

Под воздействием интенсивного УФ-излучения предлагаемое фотохромное люминесцентное стекло приобретает интенсивный малиновый цвет, что иллюстрируется фотографией на Фиг. 2, где показан тот же образец стекла при воздействии излучения светодиода, максимальная интенсивность которого соответствует длине волны 365 нм. В условиях этого эксперимента диод располагался на расстоянии 200 мм, а световой поток излучения составлял 4 лм.

Реагирует предлагаемое фотохромное люминесцентное стекло и на наличие в освещении слабой УФ-компоненты, что иллюстрируется фотографией на Фиг. 3, где показан тот же образец стекла, освещенный галогенной лампой НЕ51-50, предназначенной для использования в бытовых точечных источниках света в помещениях. В условиях эксперимента расстояние до галогенной лампы составляло 1480 мм. Сравнение фотографий Фиг. 1 и 3 показывает, что, даже при слабом вкладе УФ-излучения в освещение, интенсивность окраски стекла усиливается, т.е. предлагаемое стекло является надежным индикатором излучения ближнего и среднего УФ-диапазонов.

Приведенная ниже Таблица иллюстрирует изменение окраски предлагаемого фотохромного люминесцентного стекла с содержанием оксида европия 0,45% (мас.) в зависимости от относительной интенсивности излучения с длиной волны 365 нм, указанной в строке 1. В использованной шкале за 100% принята интенсивность излучения светоизлучающего диода 3WUF на длине волны 365 нм при световом потоке 4 лм. Нулевой интенсивности соответствует рассеянный дневной свет в помещении. В строках 2 и 3 Таблицы приводятся некоторые экспериментально наблюдаемые окраски предлагаемого стекла в шестнадцатеричных кодах и в системе RGB («красный-синий-зеленый»), соответственно. В строке 4 Таблицы представлены соответствующие образцы цвета стекла.

Важным достоинством предлагаемого фотохромного люминесцентного стекла является полная обратимость окраски без специальной обработки материала. Еще более существенное преимущество - практически мгновенное изменение окраски стекла при изменении интенсивности УФ-излучения.

Приведенный на Фиг. 4 спектр люминесценции подтверждает интенсивное свечение предлагаемого стекла при воздействии УФ-излучения, которое также хорошо заметно на фотографии Фиг. 2.

При этом состав стекла несложен, так как оно содержит всего одну легирующую добавку - оксид европия.

Таким образом, достигнута заявленная цель настоящего изобретения - создание фотохромного люминесцентного стекла, имеющего яркую окраску и позволяющего определять наличие и оценивать интенсивность УФ-излучения ближнего и среднего диапазонов визуально, без использования преобразования оптического сигнала в электрический и без измерительных приборов для количественной оценки интенсивности сигнала, при одновременном упрощении состава стекла.

Предлагаемое фотохромное люминесцентное стекло может быть использовано в простых индикаторах излучения ближнего и среднего УФ-диапазона, а также при выборе бытовых и производственных источников освещения.

Заявляемый интервал концентраций Eu₂O₃ выбран экспериментально.

При содержании оксида европия в предлагаемом стекле менее 0,43% (мас.) насыщенность окраски материала, наблюдаемая под воздействием УФ-излучения, заметно снижается, а изменение цвета при изменении интенсивности УФ-излучения становится плохо различимым визуально.

При концентрации оксида европия в предлагаемом стекле свыше 0,49% (мас.) в стекле появляются включения Eu₂O₃ в виде второй фазы. Однородность и прозрачность стекла при этом снижается.

Пример 1.

Приготовлено литий-боратное стекло, содержащее Eu₂O₃ в концентрации 0,42% (мас.), (остальное - тетраборат лития Li₂B₄O₇). Полученное стекло является фотохромным и люминесцирует под воздействием УФ-излучения. Однако окраска стекла блеклая, неяркая, а при изменении интенсивности УФ-излучения не происходит явно выраженного изменения цвета стекла.

Пример 2.

Приготовлено литий-боратное стекло, содержащее Eu₂O₃ в концентрации 0,45% (мас.), (остальное - тетраборат лития Li₂B₄O₇). Полученное стекло является фотохромным и люминесцирует под воздействием УФ-излучения. Цвет стекла при облучении яркий, при изменении интенсивности УФ-излучения происходит практически мгновенная смена окраски стекла, как показано в Таблице.

Пример 3.

Приготовлено литий-боратное стекло, содержащее Eu₂O₃ в концентрации 0,50% (масс.), (остальное тетраборат лития Li₂B₄O₇). Полученное стекло содержит включения оксида европия, из-за которых заметно падает прозрачность материала.