Sensor Instruments
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発光とは?


 
現代の物理学上、光は2つの性質に分けられます:波動性と粒子性です。粒子性は、光が特定のエネルギーパッケージ、光量子(光子)で構成されていることを意味します。これら光子に含まれているエネルギーは、波長の高低差を表す物理的距離である波長内で反射します。短い波長はエネルギーが高く、長い波長はエネルギーが低くなります。
光が物体にぶつかると、様々な現象が発生します:
  • 光子が障害なく、動方向に対して物質を透過します(透過:、例:ガラスに光が当たる)
  • 光子が原子にぶつかり、同じエネルギーで原子から別方向に跳ね返されます(反射、例:鏡に光が当たる)
  • 光子に物体が吸収されます。この場合、光子のエネルギーがその物質に移動し、物質のエネルギー量を増加させる、もしくは物体に加熱/電気励起を発生させます。
Luminescence(発光)は、電子が励起状態の物体からそれよりも低いエネルギー状態の物体へと戻るときに発生する、光子(光)の放射現象を指します。 i.
電子は次のような場合に、励起を異なる方法で“恒久的に”維持することがあります。
  • 電流 (エレクトロルミネッセンス) 例) LED: 荷電子帯から伝導帯への変化
  • 電子との衝撃 (カソードルミネッセンス) 例) ブラウン管
  • 光子との衝撃 (ホトルミネッセンス) この場合、燐光と発光は区別されます。
  • 発光は励起の終了後に、励起物質による光子の放出が即座に、または数ナノ秒後に停止します。
燐光は、光の放出が数ナノ秒後にも続き、数ミリ秒または数秒に及んで拡大します。

熱負荷 (熱ルミネッセンス)


“ストークス効果”とは?
(紫外線から赤外線までの光である)電磁放射線が物体に当たった時、その光の一部が吸収されます。吸収された光のほとんどは、熱に変換されます(白い表面と比較して黒い表面の方がより多くの光を吸収し、それに応じて光に放射されるとより温かくなります)。
 
光は基本的に分子によって吸収されます。この負荷エネルギーは分子を励起し、活発にします。分子は細かく振動し温度が上昇します。
 
(レアアースと呼ばれる) 物体では、(光子の)光エネルギーを使い、電子を動かして核周囲を回転させることが出来ます。低エネルギーを使用すると非常に安定した半径(内部電子半径)に作用し、高エネルギーを使用すると不安定な半径(外部電子半径)に作用します。
 
 
 
電子は中間半径を通過するまでの短い間、外部半径に留まり、その後初期の安定状態へと戻ります。この過程で、解き放たれたエネルギーが電磁放射線(光子=光)として放出され、(レアアースなどの場合)結晶がフォノン(格子振動)と呼ばれる形状の水晶に運ばれ、結晶はさらに集的に振動するよう励起されます。この工程で発生した光子(二次光子)は、励起に使用した光子(一次光子)よりも低いエネルギーを有しています。
高エネルギー(短い波長を持つ光)を持つ光子(一次光子)には、物体を“光らせる”働きがあります。物体によって放出された光子(二次光子)には、一次光子よりも低いエネルギーが含まれます。つまり、放射光の波長は長いことがわかります。

 
放射物から放出された波長が照射に使用した波長よりも長い場合、これが“ストークス効果”と呼ばれます。二次放射は、不安定な電子半径に電子が留まる時間に応じて、遅れて放出されます。

l1 (一次波長)が、照射物から放出された波長l2 (l3) (二次波長)よりも短い場合、ストークス効果が現れます。
 


 
“反ストークス効果”とは?
物体にぶつかり、その物体に吸収された電磁放射線の波長は、物体から放出された電磁放射線よりも長くなり、これが“反ストークス効果”と呼ばれます。

 
ポンピング工程と電子が書くエネルギーレベルに留まる時間が短いことから、“反ストークス効果”の能率が“ストークス効果”よりもずっと低くなります。つまり、“反ストークス効果”で発生する二次光子は、少ないということです。
 
 
 
l = (光の)電磁放射線の波長。 波長は波列、つまり2つの隣接した最大値または最小値の物理的距離を表します。
 
可視域の電磁放射線の波長は、およそ400mmから700mmです。
ストークス効果とは対照的に反ストークス効果では、電子を励起させるために一次放射の沢山の光子を必要とします。たとえば、1つの光子が電子を最初の中間半径へと動かす時、その他の光子が電子をそれよりも大きな中間半径へと移動させ、3つ目の光子が電子を最終的に外部半径へと移動させます。
 
中間半径と外側の半径が不安定なことから、電子が元の状態へ戻る前に電子はこれらの半径に相対的に短い時間しか留まりません。これらのいわゆる再結合は、一般的にナノ-、マイクロ-、ミリ秒の範囲で発生します。
 


“光ポンピング”とは?
“反ストークス効果”では、電子を外部の電子半径へと移動させるために多くの光子が必要であるため、これをポンピングプロセスと呼びます。

“ポンピング”中、一次光子が中間半径から次の半径へと電子を繰り返し持ち上げることから、電子を外部の電子半径にくみ上げるとも言えます。電子が外側に位置するほど、電子のポテンシャルエネルギーがより高くなります。電子が高いエネルギーレベルにあります。2つのエネルギーレベルの差が大きいほど、電子が安定レベルに戻った時に発生する光子のエネルギーが大きくなります。

 

“レアアースメタル”とは?
レアアースメタルとは、周期表の第三グループの化学物質です;(17元素である)ランタナイドもレアアースに属します。

(レアアースは永久磁石などに必要とされますが)中でも、レアアースメタルには特別な分光学的性質を持っています。(バンドギャップ、つまり温度や半導体結晶によって放出される波長に応じて異なる、伝導帯の価電子帯と伝導帯のエネルギー差と)半導体とは異なり、レアアースはその固体(水晶)に、分散型のエネルギースペクトル(つまり、電気殻内の一定レベル)を含みます。つまりは、電磁放射の吸収には、エネルギーレベルに応じて異なる特定の波長が必要ということです。光学的な(外に向けた)エネルギー放出も、水晶から決定した分散型の波長内で行われます。
 
以下のレアアースは、光学的性質から非常に重要です:
Y 39      イットリウム          
(中でも発光材料とLEDに使用)
  
また、以下のランタノイドも同様です:
Pm 61 プロメチウム (発光文字盤に使用)
Eu 63 ユーロピウム (LEDと発光材料に使用)
Gd 64 ガドリニウム (緑色の発光材料に使用)
TB 65 テルビウム (発光材料に使用)
Tm 69 ツリウム (テレビの発光材料)
Yb 70 イッテルビウム
(テレビの発光材料)
             
レアアース結晶の対象ドーピングから、光学的性質は相応して影響を受け、はっきりと変化します。たとえばエルビウムは活性剤とも呼ばれます。この活性剤はいわば“触媒”として機能します。
 
レアアース結晶を用いて、赤外線範囲(IR)における電磁放射が検出に頻繁に使用されます。吸収線はおもに980nmから940nmとなりますが、可視域(640nm)やUV域(365nmまたは385nm)でも位置可能です。
 

実際に、光子が放出されると“ストークス効果”と“反ストークス効果”が頻繁に現れます。

 
通常、プロセスの励起に必要な光学的パワーと実際に結晶から放出される光学的パワーには、数十年の差があります。IR域での励起に必要な光学的パワーはおよそ10mW(980nm)で、放出は数µWの可視波長域にとどまります(反ストークス)。しかし、IR域では、放出はmW範囲にも接近します(ストークス)。一次放射の一部は結晶の励起に使用され、光子が格子振動(結晶)を増加させるフォノンの発生に使用されます)。以下の手順から、光子(光)をフォノン(格子振動)によって光子(光)を生成できます。
 

 


“アップコンバーター”とは?
光学的な意味として、“アップコンバーター”は(UV域からIR域へ)、(低エネルギー光子を伴う)長い波長の光を短い波長の光へと変換します(これで光子により高いエネルギーが含まれます)。このエネルギー増加は、“光ポンピング”によって実現します。二次光子を放出するには、二次光子のエネルギーレベルに達するために必要な数の一次光子をアップコンバーターが吸収しなければなりません(電子が外側の電子核に移動するまで)。これも、反ストークス効果と呼ばれます。
 

 
 
 
ダウンコンバーター”とは?
光学的には、“ダウンコンバーター”とはより小さいエネルギーを持つ一次光子によって生成された二次光子を指します。つまり、二次光子を生成するにはたった1つの一次光子のみが必要であるということです。たとえば、エネルギー差がダウンコンバーター結晶の光子に放出されます(格子振動の光子増加として)。ダウンコンバーターのプロセスは、ストークス効果の例とともに説明できます。



 
 
“緩和時間”と“時定数”とは?
光学的に、緩和時間とは励起状態から初期の状態に戻るために必要な時間を指します。時定数tは緩和時間の物指しとして機能します。このプロセスが-励起時間から始まり-因数のおよそ1/2.71、または1/e(e=オイラー定数)まで弱まるためにかかった時間を、時定数tが表します。 時定数は通常、指数関数的に薄れていくプロセスに使用されます。実験により、ストークス効果と反ストークス効果を伴った励起プロセスは、おおよそ指数的に薄れていくことがわかります。


 
“安全顔料”とは?
安全顔料は、無機物で、蛍光な(燐光性、つまり残光)顔料で、主にレアアースクリスタルが使用されますが、硫化亜鉛も使用され、それぞれ対応するドーピングを使うことで特異性の高い光学的性質を有します。この“光学的な指紋”を安全特性として使用できます。
 
“粒度”とは?
レアアースクリスタルと関連して、粒度は(粉砕または凝縮)処理後の結晶の大きさです。粒度の直径は通常、300 nmから 20 µmの大きさになります。反ストークスとストークス効果に対して、粒度が小さければ効果の能率が低くなります。1 µm 以下の粒度を生成するには大きな労力が必要となり、結果として費用も高くなります。(場合によっては1µm以下にもなる)非常に小さな粒度によることから、このように処理されたレアアースクリスタルはLNP、つまり蛍光なナノ粒子と呼ばれます。
 
 
“製品認証”とは?
(
安全顔料の検出)
永久磁石、X線装置、TV画面、LED、LCDスクリーンや蛍光管などに使用されるレアアースクリスタの標準的アプリケーションに加えて、一部のランタノイドとイットリウムも製品の認証に使用されます。そのためには、必要に応じて(エルビウム活性剤などと共に)レアアースクリスタルを加えることで、それに対応する光学的性質が修正されます。該当する光学的反応は製品特有となり、それぞれの“製法”が入手できない限り、ある意味では再現が困難な“光学的指紋”としての役割を果たします。
レアメタルクリスタルを加えることで励起波長、放出スペクトル、時定数つまり初期リフト(光学的励起インパルス)の遅延反応に影響を当てることが出来ます。
これに関連して、通常レアアールクリスタルには800℃までの温度に耐えられるという重要な特徴があります。クリスタルは無害なため、幅広いアプリケーションに適応できます。これらの無機顔料はさらに高い対光性を持っているため、蛍光特性を長い期間維持することが出来ます。
今日では、レアアースクリスタルの検出装置が幅広い種類で入手でき、インラインで検査できるLUMI-INLINEシリーズ、オフラインで使用するLUMI-MOBILEシリーズ、そして研究所で使用可能なLUMI-LABシリーズをご用意しています。キャリア材料(ホスト)に関連するレアアースクリスタルの濃度はppmの範囲にまで及びます(レアアースクリスタルのタイプによって異なります)。
 
レアアースクリスタルを検出するには?
レアアースクリスタルがアップコンバーターとダウンコンバーターの両方と作用することから、検出には二次スペクトルを使用できます。二次放射の減衰時間(緩和)も、検出にしよう出来ます。これら(二次スペクトルと緩和状態)の効果を組み合わせることで濃度が非常に低い場合でも確実な検出を行うことが出来ます。

 
検出に使用可能な装置は?
一番シンプルで安価な装置はレーザーペン(タイプLUMI-LP-IRL/UV/VIS-3B)と呼ばれる装置で、980nmの波長と数10mWの電力を備えています。レーザー放射はペンの口径から10mmから20mm離れた距離で焦点が合わせられます。レアアースクリスタルがある場合には(また、980nm放射がクリスタルによって吸収される場合)、IR光が可視域に変換され、混ざった量に応じて青色、緑色、黄色、オレンジ色、赤色の光が放出されます。
この検査で使用する初期放射線はレーザークラス3Bに分類されているため注意が必要です。このレーザーペンはレーザークラス3Bの製品です。
このレーザークラス3B製品は、適切なレーザー保護グラス(タイプLUMI-SG-IRL-3Bなど)を装着して、警告サインと警告灯を備えた外からの侵入を防ぐ対策を行った部屋で使用してください。このレーザーペンは、およそ50ppmまでのレアアースクリスタルの濃度を検出します(各検査クリスタルによって異なります)。
LUMI-MOBILE装置は全ての障害を取り除くことで、レアアースクリスタルの検出を容易にします。本装置は、(中心波長が)およそ940nmの波長のIR LEDを使用しており、人の目にまったく無害です(TVやオーディオシステムのリモコンと同様のLEDです)。LUMI-MOBILE装置は、レアアースクリスタルの緩和カーブの時定数を検出基準として使用します。1ppm単位までの濃度を検出することが出来ます。
レアアースクリスタルを含む材料の製造では、レアアースクリスタルの濃度をモニタリングする必要があります。このモニタリングには、時定数に加えて強度(と濃度)も検出可能なLUMI-INLINEシリーズの装置が使用できます。検出装置はアナログ信号とデジタル信号の両方が使用でき、シリアルインターフェース(RS232、USB、Ethernet)への接続が可能です。測定データを記録するための特殊なモニタリングソフトウェアを使用できます。
研究所での検出を行う場合、(IR域で)緩和状態と(可視域で)放出スペクトルを記録する装置LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1と、(IR域で)緩和状態と(700nmから1100nmの波長域で)強度を記録する装置LUMI-LAB-IRL/IR-CL1(特許取得済)が使用できます。両検出装置は、特殊な特許取得済みプロセスによってレーザークラス1に分類されます。
 

 

携帯型検出装置

LUMI-MOBILE装置は、光学的に励起した物体の緩和状態を評価します。IRパルス、またはUBパルスが検査対象に向けられます。励起パルス後、緩和カーブが記録、評価されます。緩和パルスの初期強度が決定します。
 
LUMI-MOBILE-LAB-IR/IR
LUMI-MOBILE-LAB-UV/VIS


最大31製品までの時定数と強度のパラメーター化が可能です。パラメーターはPCファイルに保存され、LUMI-MOBILE-QC(Quick Check)装置からパラメーターとして使用されます。また、LUMI-MOBILE-PT (Pocket Tester) 装置からは製品パラメーターとして使用されます。
 
 
ユーザーインターフェースWindows®ソフトウェアLUMI-MOBILE-LAB-Scope:

 
LUMI-MOBILE-QC-IR/IR
LUMI-MOBILE-QC-UV/VIS

(LUMI-MOBILE-LAB装置から決定し、すでにファイルに保存されている製品の)ファイルから読み取り可能な製品を、最大で31まで保存できます。製品の検出は聴覚的、光学的にグラフィックディスプレイで表示されます。装置はレアアースクリスタルの緩和状態をチェックします。


ユーザーインターフェースWindows®ソフトウェアLUMI-MOBILE-QC-Scope:

 
LUMI-MOBILE-PT-IR/IR
LUMI-MOBILE-PT-UV/VIS


LUMI-MOBILE-QC装置とは異なり、この検出装置は1つのパラメーターセットを使用して作動します。
 
ユーザーインターフェースWindows®ソフトウェアLUMI-MOBILE-PT-Scope:

 
LUMI-MOBILE-DA-IR/IR
LUMI-MOBILE-DA-UV/VIS


LUMI-MOBILE-QCとLUMI-MOBILE-PT装置とは異なり、この検出装置はLUMI-MOBILE-LAB装置から先に設定された特定の製品を検査しません。この装置は、通常時定数とレアアースクリスタルの濃度を検査し、この検査は全体的なダイナミックレンジ、つまりppm単位の非常に低い濃度から非常に高い濃度までを検査します。

対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェアLUMI-MOBILE-DA-Scope

 
LUMI-MOBILE-JR-IR/IR
LUMI-MOBILE-JR-UV/VIS


 
この装置には2色のLEDディスプレイが装置されています。緑色はレアアースクリスタルが検出されたことを表し、赤色は検出されなかったことを表します。光学的信号と共に音響信号が使用されます。
 
LUMI-MOBILE-DA装置と同様に、この装置はダイナミックレンジ全体を検査し、非常に高い濃度から非常に低い濃度(ppm範囲)までを検出します。

対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェア LUMI-MOBILE-JR-Scope


LUMI-MOBILE-FIO-LAB-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-LAB-UV/VIS


LUMI-MOBILE-FIO-LAB 光ファイバー装置は、基本的にLUMI-MOBILE-LAB標準装置と同じです。光ファイバーの接続のためにレンズのみが改造されています。


LUMI-MOBILE-FIO-QC-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-QC-UV/VIS


LUMI-MOBILE-FIO-QC光ファイバーバージョンには、LUMI-MOBILE-QCと同じソフトウェアが備えられていますが、ハードウェアには光ファイバーを接続するための機能があります。
 

LUMI-MOBILE-FIO-PT-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-PT-UV/VIS


LUMI-MOBILE-PTはLUMI-MOBILE-FIO-PTの光ファイバーバージョンとして使用できます。ソフトウェアはLUMI-MOBILE-PTの標準バージョンと同じです。


LUMI-MOBILE-FIO-DA-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-DA-UV/VIS


LUMI-MOBILE-DAはLUMI-MOBILE-FIO-DAの光ファイバーバージョンとして使用できます。ソフトウェアは標準バージョンと同様です。
 
 
LUMI-MOBILE-FIO-JR-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-JR-UV/VIS


LUMI-MOBILE-JRは、LUMI-MOBILE-FIO-JRの光ファイバーバージョンとして使用できます。光ファイバーバージョンのソフトウェアはLUMI-MOBILE-JRの標準バージョンと同様です。

生産ライン用のINLINE検出装置

LUMI-INLINE-IR/IR
LUMI-INLINE-UV/VIS


LUMI-INLINEバージョンには、レアアースクリスタルの濃度情報を届ける2つのアナログ出力と、最大15製品まで保存可能な4つのデジタル出力が装備されています。


LUMI-INLINE-FIO-IR/IR
LUMI-INLINE-FIO-UV/VIS

LUMI-INLINE装置は、LUMI-INLINE-FIOの光ファイバーバージョンとして使用できます。3つの光源:IR域の(IR-LEDとIR-LDタイプの)2バージョンとUVバージョンが使用できます。

対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェアLUMI-INLINE-Scope

 
研究室用検出装置
LUMI-LAB ラボ装置は、二次スペクトルを可視域に表示します。LUMI-LAB-IRL/VISIRはさらにIR域の緩和時間を記録し、LUMI-LAB-UV/VISは可視スペクトル範囲に緩和カーブを表示します。

LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-UV/VIS-CL1

対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェアLUMI-LAB-Scope
 

LUMI-LAB-8-IRL/IR-CL1
LUMI-LAB-8-IR/IR

このバージョンは、IR域の二次スペクトルと緩和状態をチェックします。IR域はこのため、8つの部分に分けられます。二次放射の時定数と強度が部分ごとに決定されます(このプロセスに関しては特許出願中)。



対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェアLUMI-LAB-Scope

測定は、700 nmから1100 nmまでの波長で8つの検出器を使い行われます。各検出器が50 nmの測定ウィンドウをチェックし 、初期強度Cと緩和パルスごとの時定数を決定します。






LUMI-LAB-16-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-16-IR/VISIR
LUMI-LAB-16-UV/VISIR

IRスペクトルに加え、LUMI-LABタイプは可視スペクトルを評価します。そのために400 nm からおよそ1100 nmまでの波長をカバーする、合計14つの検出器を使用します。

対応ソフトウェア:
Windows®ソフトウェアLUMI-LAB-Scope

この装置は波長範囲ごとの強度と時定数を評価します。



 


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