СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО СВЕТОФИЛЬТРА Российский патент 2008 года по МПК F21V9/04 

Изобретение относится к области светотехники и интегральной оптики, связанной с созданием инфракрасных светофильтров отрезающего и полосового типа, поглощающих видимое излучение и пропускающих коротковолновое и длинноволновое ближнее инфракрасное излучение и предназначенных для защиты инфракрасных датчиков видеоконтрольных устройств и приборов ночного видения от паразитных помех, связанных с воздействием света видимого диапазона, а также для использования в оптических системах контроля подлинности документов, в системах охранной и пожарной сигнализации, в том числе в системах контроля и разграничения доступа и охраны периметра объектов, в видеодомофонах, видеоглазках и тому подобных устройствах.

Известен способ изготовления ИК-светофильтра (патент США №2579513, кл. F21V 9/04, 1970), заключающийся во введении органических красителей в резину и нанесении резинового покрытия с органическими красителями на стеклянную подложку. Недостатком ИК-светофильтров, полученных известным способом, является их низкая термическая устойчивость (из-за базового покрытия на основе резины), а также повышенные потери полезного длинноволнового излучения ближнего (в области 3-12 мкм) ИК-диапазона, являющегося частью активного рабочего ИК-диапазона видеоконтрольных устройств.

Известен способ получения ИК-светофильтров на основе полистирола или полиметилметакрилата (Лаборатория физики полимеров Санкт-Петербургского технологического института (технического университета), интернет-сайт www.epoxv.newmail.ru) в виде пластин окрашенных органических стекол с глянцевыми (полированными) или шероховатыми (матовыми) поверхностями путем заливки в соответствующие формы оптически прозрачных эпоксидных композиций с внедренными органическими красителями и последующего отверждения с границей пропускания 0,66-0,75 мкм. Однако получаемые по такому способу ИК-светофильтры имеют низкую термическую устойчивость и большие потери полезного длинноволнового ИК-излучения в области 3-12 мкм, что снижает чувствительность видеоконтрольных ПК-устройств (в частности, на основе кремния) в активной части их рабочего ИК-диапазона.

Известен способ изготовления инфракрасного светофильтра (патент РФ №2269802, опубл. 10.02.2006, бюл. №4, МПК G01T 1/00, 3/00, F21V 9/04) на основе фторидов элементов I группы таблицы Менделеева (фторида натрия) с использованием корпускулярного излучения (циклотронных пучков ионов Не⁺) до доз (флюенса) ˜10¹⁶ см^-2. Однако получаемые известным способом фильтры из-за низкой проникающей способности ионных пучков имеют малую толщину активного слоя поглощения (несколько микрон), что снижает надежность эксплутационных характеристик ИК-светофильтров при ударных нагрузках из-за возможности скола фильтрующего слоя и полной деструкции ИК-светофильтра. Недостатком ИК-светофильтров, получаемых по известному способу, является также характерное для них частичное пропускание света видимого диапазона, поскольку для них характерно поглощение света видимого диапазона в виде отдельных полос с максимумами при 310 нм (F полос центров окраски), при 442 и 518 нм (F₂ и F⁺ ₃ полос), так что сплошного поглощения света видимого диапазона не происходит.

Известен способ окрашивания кристаллов фторида лития LiF путем их облучения нейтронами до высоких флюенсов ˜10¹⁶-10¹⁹ см^-2 в ядерном реакторе (Б.В.Будылин, А.А.Воробьев. Действие излучения на ионные структуры. М.: Госатомиздат. 1962, 168 с.). Установлена зависимость изменения плотности кристаллов LiF от флюенса облучения нейтронами. При флюенсе 10¹⁶ см^-2 плотность меняется незначительно, всего на 0,4%, при флюенсе 10¹⁷ см^-2 на 1,5%, а при флюенсах 6·10¹⁷-10¹⁸ см^-2 плотность изменялась на 23%. Эти сведения известны для неактивированных образцов LiF. Однако способ облучения активированных образцов LiF, в частности таких как LiF:U, и влияние облучения на радиационную чувствительность и возможность изготовления светофильтров путем облучения нейтронами активированных примесями кристаллов LiF в известной работе не описаны.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения ИК-светофильтров на основе кристаллов LiF путем окрашивания кристаллов LiF реакторным нейтронным излучением (К.К.Шварц, Я.Ж.Кристапсон, Д.Ю.Лусис, А.В.Подинь. Фтористый литий: оптические свойства и применение в термолюминесцентной дозиметрии. В сб. Радиационная физика V. Люминесценция и дефекты ионных кристаллов. Зинатне. Рига. 1967. С.179-235). Под действием реакторного излучения в кристаллах LiF образуются простые и агрегатные центры окраски при флюенсах ˜10¹⁶ см^-2 и выше. Окрашенные нейтронами кристаллы LiF, согласно известному источнику, имеют серию полос поглощения с максимумами при 275, 518, 530, 540, 780 и 950 нм. В известной работе установлено, что чистые неактивированные кристаллы LiF являются достаточно устойчивыми к нейтронной радиации, в том смысле, что действие реакторного излучения (флюенс 10¹⁶-10¹⁷ см^-2) на кристаллы LiF приводит лишь к образованию отдельных полос поглощения в видимой области спектра, а не к сплошному поглощению во всем видимом диапазоне. Однако сведения об облучении нейтронами кристаллов фторида лития, предварительно активированных ураном (LiF:U), в известной работе отсутствуют; о влиянии урановой примеси на радиационную чувствительность кристаллов и о возможности получения ИК-светофильтров на основе LiF:U в известной работе сведений также нет.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления инфракрасного светофильтра на основе кристаллов фторида лития с повышенной термической устойчивостью и повышенного оптического качества, обладающего сплошным спектром поглощения в видимой области спектра.

Сущность предлагаемого способа изготовления инфракрасного светофильтра на основе кристаллов LiF с использованием эффекта радиационного окрашивания при облучении реакторными нейтронами заключается в том, что в качестве основы светофильтра используют предварительно активированные кристаллы LiF:U, которые вначале облучают в реакторе нейтронами до флюенса 1,2·10¹⁶-3·10¹⁶ см^-2, затем выдерживают облученные кристаллы LiF:U на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 месяцев для снятия остаточной радиоактивности, после чего кристаллы LiF:U отжигают на воздухе при 250-300°С в течение 0,5-1,5 часов.

Под действием нейтронов при флюенсах (1,2÷3)·10¹⁶ см^-2 во всем объеме облученного кристалла LiF:U (толщиной 0,8-1 мм и более) образуется большое количество дефектов, представляющих собой прежде всего дефекты Френкеля (анионные V_a и катионные V_с вакансии и междоузельные атомы), а также дефекты в виде электронных и дырочных центров окраски, в частности центры окраски типа О^--V_a (кислород-вакансия), простые F-центры и агрегатные F₂, F₃ ⁺ F₃(R₁), F₃(R₂) - центры и, наконец, коллоидальные частицы лития, различных размеров. Образование таких дефектов, являющихся центрами окраски в сочетании с дефектами в виде коллоидального лития, делает кристаллы LiF:U непрозрачными для ультрафиолетового и видимого света в диапазоне 190-700 нм, чертеж, кривая 1 (измерение проведено с помощью спектрофотометра фирмы Гелиос-Альфа). Процедура отжига (0,5-1,5 часа) при температурах 100, 200 и 300°С (чертеж, кривые 2, 3 и 4 соответственно) приводит к образованию за счет агрегатных центров еще более сложных агрегатных центров, что вызывает сдвиг края поглощения с 700 до 800 нм (чертеж). Отжиг кристаллов LiF:U при более высоких температурах 460-500°С приводит к просветлению и обесцвечиванию кристаллов (чертеж, кривая 5). Наблюдаемое формирование повышенной концентрации дефектов зависит от наличия в кристаллах LiF примеси урана, который обеспечивает повышенную радиационную чувствительность материала-заготовки для светофильтра ИК-диапазона. Кристаллы LiF с другими, отличными от урана примесями, например с примесью скандия, LiF:Sc, будучи облученными нейтронами в реакторе не обеспечивают сплошного поглощения в диапазоне 190-750 нм (последнее характерно для кристаллов LiF:U), даже при флюенсе 3·10¹⁶ см^-2. Поглощение для кристаллов LiF:Sc наблюдается в виде перекрывающихся полос, что снижает качество светофильтров.

Предлагаемый способ изготовления инфракрасных светофильтров обеспечивает расширение зоны поглощения кристаллов (в диапазоне 190-800 нм) и их термоустойчивость до температур 200-300°С. Кроме вышеназванных преимуществ предлагаемый способ обеспечивает еще ряд дополнительных преимуществ. Получаемые по предлагаемому способу ИК-светофильтры негигроскопичны и химически инертны. Кроме того, они обладают повышенной радиационной стойкостью к нейтронам, поскольку именно нейтроны являются необходимым условием для окрашивания кристаллов LiF:U, именно они обеспечивают их функциональные рабочие характеристики полного поглощения светового излучения во всем видимом диапазоне. ИК-светофильтры на основе кристаллов LiF:U, полученные по предлагаемому способу, устойчивы к радиационным ударам и долговременным радиационным воздействиям не только нейтронных потоков, но и к воздействию фотонных(гамма-излучения), электронных и ионных пучков до флюенса 10¹⁷ см^-2 и выше, поскольку последние могут только увеличить в приповерхностных слоях (ионные пучки) и в объеме (фотонные и электронные пучки) концентрацию агрегатных центров окраски, то есть усилить (путем дополнительного окрашивания) эффект фильтрации.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность выполнения получаемыми ИК-светофильтрами не только функции фильтрации видимого света, но и функции линза-фильтр для ИК-излучения. Последнее достигается, если кристалл фторида лития LiF:U изготовляют изначально в форме линзы.

Примеры осуществления способа

Во всех приведенных ниже примерах после процедуры облучения (окрашивания) кристаллов LiF:U нейтронами в ядерном реакторе кристаллы подвергают выдержке на воздухе в течение 10-12 месяцев для полного снятия радиоактивности, после чего приступают к процедуре отжига кристаллов.

Пример 1. Светофильтр на основе кристалла LiF:U получают путем облучения этих кристаллов нейтронами в ядерном реакторе до флюенса 1,1·10¹⁶ см^-2. Спектр поглощения светофильтра в диапазоне 190-1100 им (измеренный до процедуры отжига) показан на чертеже, кривая 1. Отжиг при температуре 200°С в течение 1,0 часа приводит к тому, что интенсивное поглощение света начинает происходить в расширенном (в ИК-область) диапазоне, чертеж, кривая 2; вплоть до 0,8 мкм, далее, начиная с 0,8 мкм, поглощение вплоть до 10 мкм отсутствует.

Пример 2. Светофильтр на основе кристалла LiF:U получают путем облучения этих кристаллов нейтронами в ядерном реакторе до флюенса 1,2·10¹⁶ см^-2. Спектр поглощения светофильтра в диапазоне 190-1100 нм до процедуры отжига показан на чертеже, кривая 1. Отжиг при температуре 300°С в течение 0,5 часа приводит к тому, что интенсивное поглощение света начинает происходить в расширенном (в ИК-область) диапазоне, чертеж, кривая 4; начиная с 0,8 мкм, поглощение вплоть до 10 мкм отсутствует.

Пример 3. Светофильтр на основе кристалла LiF:U получают путем облучения этих кристаллов нейтронами в ядерном реакторе до флюенса 3·10¹⁶ см^-2. Спектр поглощения светофильтра в диапазоне 190-1100 нм до процедуры отжига показан на чертеже, кривая 1. Отжиг при температуре 250°С в течение 1,5 часа приводит к тому, что интенсивное поглощение света начинает происходить в расширенном (в ИК-область) диапазоне, чертеж, кривая 3; начиная с 0,8 мкм, поглощение вплоть до 10 мкм отсутствует. Свет, соответствующий спектру солнца и спектру дневного неба, практически полностью поглощается в светофильтре.

Пример 4. Светофильтр на основе кристалла LiF:U получают путем облучения этих кристаллов нейтронами в ядерном реакторе до флюенса 10¹⁴ см^-2. В спектре поглощения светофильтра в диапазоне 190-1100 нм имеется слабое поглощение излучения в диапазоне 190-700 нм, в виде отдельных полос, в основном в виде F полосы при 242 нм, наблюдаются также полосы поглощения агрегатных центров. Однако поглощение слабое, так что функции фильтрации видимого света не выполняются. Отжиг при температуре 500°С в течение 2,0 часа приводит к полному обесцвечиванию кристаллов LiF:U.

Пример 5. Светофильтр на основе кристалла LiF:U получают путем облучения до флюенса 5,1·10 см^-2 с последующим отжигом при 300°С в течение 1 часа. Светофильтр прозрачен для ИК-излучения в диапазоне длин волн 0,8-12 мкм, в области длин 190-750 нм происходит практически полное поглощение излучения. Коэффициент поглощения не ниже 5·10⁵-10⁶ см^-1. Излучение, соответствующее спектру солнца и спектру дневного неба, практически полностью поглощается. Однако преимуществ перед примерами 1-3 этот пример не имеет. Связано это с тем, что возрастает время облучения, что ведет к некоторому удорожанию изготовления светофильтров. Недостатком высокого 10¹⁸ см^-2 (и выше) флюенса является снижение прочности кристалла, возможно самопроизвольное раскалывание кристалла на слои или кусочки. Кроме того, повышенный флюенс требует повышенного времени остывания кристалла для снижения радиоактивности до фонового уровня.

Изобретение относится к области светотехники и интегральной оптики, связанной с созданием инфракрасных светофильтров отрезающего и полосового типа, поглощающих видимое излучение и пропускающих коротковолновое и длинноволновое ближнее инфракрасное излучение и предназначенных для защиты инфракрасных датчиков видеоконтрольных устройств и приборов ночного видения от паразитных помех, связанных с воздействием света видимого диапазона, а также для использования в оптических системах контроля подлинности документов, в системах охранной и пожарной сигнализации, в том числе в системах контроля и разграничения доступа и охраны периметра объектов, в видеодомофонах, видеоглазках и подобных устройствах. Суть изобретения заключается в том, что в качестве материала для ИК-светофильтра используют предварительно активированные кристаллы LiF:U и облучают их нейтронами до флюенса 1,2·10¹⁶÷3·10¹⁶ см^-2. Облученные кристаллы выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 месяцев, а затем подвергают их отжигу на воздухе при температуре 200-300°С в течение 0,5-1,5 часов. Технический результат: обеспечение сплошного поглощения света в видимом диапазоне и повышение термической и радиационной устойчивости. 1 ил.

Способ изготовления инфракрасного светофильтра на основе кристаллов фторида лития, включающий их облучение нейтронами в ядерном реакторе до высоких флюенсов, отличающийся тем, что в качестве материала для ИК светофильтра используют предварительно активированные кристаллы LiF:U и облучают их нейтронами до флюенса 1,2·10¹⁶÷3·10¹⁶ см^-2, после облучения выдерживают их на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 месяцев, а затем подвергают их отжигу на воздухе при температуре 200-300°С в течение 0,5-1,5 ч.