ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 2, с. 32-35
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ПОЛЕЙ И СРЕДЫ ^^^^^^ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
УДК 535.379:004.33.08
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ НА СТЕКЛЕ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ СПОСОБОМ
© 2007 г. К. Ю. Фроленков, Г. С. Паршин*, С. И. Матшхин, Л. Ю. Фроленкова
Орловский государственный технический университет *Орловский государственный институт экономики и торговли Поступила в редакцию 29.11.2005
В работе рассмотрены вопросы, связанные с использованием силикатных стекол в качестве регистрирующих сред при записи и хранении информации. Обнаружено явление усиления интенсивности хемилюминесценции при воздействии ИК-излучения на предварительно облученные УФ-светом образцы стекол, диспергированных в щелочном растворе люминола. Предложена схема возможных квантовых переходов при элементарных процессах образования и возбуждения приповерхностных центров окраски в исследуемых стеклах. Полученные данные свидетельствуют о возможности детектирования информации на стекле хемилюминесцентным способом.
Совершенствование регистрирующих сред, используемых во внешних запоминающих устройствах ПЭВМ и устройствах массовой памяти, на современном этапе идет по следующим направлениям: повышение чувствительности регистрирующего слоя и предельной плотности записи информации; повышение скорости передачи данных и снижение времени доступа к информации; увеличение срока хранения записанной информации; снижение уровня дефектности и повышение достоверности записанной информации; увеличение возможного числа циклов перезаписи; снижение энергопотребления при записи и воспроизведении информации; энергонезависимое хранение информации [1]. При этом научный поиск идет как по пути исследования уже широко используемых физических принципов и материалов, например, магнитных, оптических, магнитооптических, так и по пути изучения нетрадиционных физических эффектов и материалов, таких как фото-хромные, сегнетоэлектрические, электрооптические, жидкокристаллические и т.д. [2].
Несомненный интерес для записи информации могут представлять фотохимические процессы, протекающие в неорганических стеклах при их облучении. Возможность записи трехмерных голограмм путем оптического обесцвечивания предварительно облученного у- или ультрафиолетовыми (УФ) лучами щелочно-боратного стекла показана в работе [3]. Записанная голограмма сохранялась в темноте при комнатной температуре в течение нескольких десятков часов. Полученные результаты были объяснены образованием при облучении поверхности стекла так называемых центров окраски (ЦО), распадающихся при термическом воздействии [3-5]. Основные проблемы данного метода записи информации - от-
носительно малый срок жизни этих ЦО и низкая дифракционная эффективность метода (0.02% для УФ-излучения) [3].
Одной из главных причин малого срока жизни поверхностных ЦО является их разрушение вследствие адсорбции воды и газов из окружающей среды [4, 6, 7]. В этой связи представляет интерес изучение возможности использования в целях регистрации информации приповерхностных ЦО, которые изолированы от окружающей среды и, следовательно, могут находиться в несвязанном состоянии значительно дольше поверхностных ЦО [4].
Для решения второй проблемы необходимо разработать достаточно чувствительный и селективный метод детектирования записанной информации. Таким методом может быть хемилю-минесцентный, поскольку с его помощью можно регистрировать буквально элементарные акты химических превращений. Выбор хемилюминес-центных систем для решения поставленной задачи должен опираться на участие образующихся при УФ-облучении поверхности стекла ЦО в хе-милюминесцентных реакциях. Кроме того, требуется, чтобы эти реакции были достаточно яркими.
В работе [8] для регистрации дефектов различного происхождения в неорганических (щелочно-галоидных) кристаллах использовалась известная реакция окисления щелочного раствора люминола (5-амино-2,3-дигидро-1,4-фталазиндион) кислородом воздуха. В этой реакции хемилюминес-центные стадии обладают достаточной яркостью и свечение можно наблюдать визуально в затемненном месте.
Цель настоящей работы -экспериментальное исследование влияния предварительного УФ-об-
лучения образца натриевого боросиликатного стекла, помещенного в щелочной раствор люми-нола, на кинетические закономерности окисления последнего кислородом воздуха, а также изучение возможности детектирования записанной путем экспонирования поверхности стекла УФ-излучением информации при воздействии на него импульсов инфракрасного (ИК) излучения с длиной волны X = 820 нм.
В соответствии с рекомендациями, приведенными в работе [9], для увеличения реакционной поверхности образцы стекла измельчали до размера зерна 0.2 мм. Хемилюминесценцию регистрировали на установке, описанной в работах [6, 7, 10]. Исследуемые образцы измельченного стекла, предварительно облученные ртутной лампой типа ПРК-100 или необлученные, помещали в реакционный сосуд с щелочным раствором люми-нола - термостатируемую кювету с плоским оптически прозрачным дном, устанавливаемую на фотокатод фотоумножителя (ФЭУ-97), находящегося в светонепроницаемой камере установки. Во время измерений реакционную смесь перемешивали с помощью стеклянной мешалки. В светонепроницаемой камере установки была предусмотрена возможность крепления полупроводникового лазера ИЛПН-212.
Кинетические кривые интенсивности I хеми-люминесценции щелочного раствора люминола при введении в него одинаковых порций предварительно УФ-облученного и необлученного стекла и их линейные анаморфозы приведены на рис. 1. Полученные данные показывают, что интенсивность люминесценции раствора люминола зависит от того, был или не был предварительно облучен исследуемый образец стекла. В обоих случаях кинетическая зависимость спада интенсивности свечения подчиняется реакции квазипервого порядка, когда убыль концентрации С промежуточных продуктов окисления люминола, ответственных за излучение света, описывается уравнением
= -кС,
Ж
где к - константа скорости реакции.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Как известно [9], увеличение удельной поверхности измельченного стекла значительно повышает интенсивность хемилю-минесценции. Это свидетельствует о том, что наблюдаемая хемилюминесценция связана с процессами, протекающими прежде всего на границе раздела стекло-раствор люминола. При облучении стекла УФ-излучением концентрация образующихся на поверхности и в приповерхностном слое ЦО будет значительно превышать таковую для необлученного образца [3]. Следовательно, в соответствии с данными, приведенными на рис. 1,
1/1о, отн. ед.
Г
ШДОо)
100 80 60 40 20
0
40
80
120
160 200 ^ с
Рис. 1. Кинетические кривые отношения интенсивности I хемилюминесценции раствора люминола при введении в него порций УФ-облученного (1) и необлученного (2) стекла к спаду интенсивности !0 хемилюминесценции чистого раствора люминола и их линейные анаморфозы (Г и 2' соответственно).
можно предположить, что концентрация ЦО на поверхности стекла напрямую связана с концентрацией промежуточных продуктов окисления люминола, ответственных за излучение света.
Основная причина распада поверхностных ЦО -адсорбция радикалов ОН- из раствора [4, 7]. Высвобождаемая при этом энергия, по-видимому, стимулирует протекание хемилюминесцентных стадий реакции окисления щелочного раствора люминола. А поскольку концентрация радикалов ОН- в щелочном растворе весьма велика, то изложенные соображения и являются наиболее вероятной причиной экспоненциального характера затухания хемилюминесценции, продемонстрированного на рис. 1.
Для проверки предположения о возможности использования для записи и хранения информации тех приповерхностных ЦО, которые не могут распадаться из-за адсорбционных процессов (вследствие их изоляции от окружающей среды), было изучено действие импульсов ИК-излучения на хемилюминесценцию щелочного раствора люминола, содержащего образцы предварительно УФ-облученных и необлученных стекол (рис. 2). Воздействие осуществляли импульсами инжекци-онного излучателя полупроводникового лазера ИЛПН-212 длительностью 10 мс и мощностью 5 мВт. Для исключения влияния на получаемые результаты поверхностных ЦО ИК-облучение исследуемых образцов стекла в растворе люминола осуществляли после того, как поверхностные ЦО практически полностью распались (примерно через 105 с от момента ввода образца стекла в щелочной раствор люминола).
34
ФРОЛЕНКОВ и др.
Щ, отн.ед.
86 84 82 80
8 6 4 2
х;
2
0 20 40 60 80
100 120 140 160 180 200
t, с
Рис. 2. Влияние импульсов ИК-излучения на хемилю-минесценцию щелочного раствора люминола, содержащего образцы предварительно (за одни сутки до опыта) УФ-облученных (1) и необлученных (2) стекол (стрелками указан момент воздействия ИК-им-пульсов).
hv
hv'
1
Рис. 3. Схема возможных квантовых переходов при элементарном процессе образования и возбуждения приповерхностных ЦО: 1 - основной уровень энергии, 2 - уровень ЦО, 3 - метастабильный возбужденный уровень ЦО; а - безызлучательный переход 3-— 2, б - переход 2-— 3 при поглощении энергии кванта ИК-излучения.
2
Из приведенных результатов (рис. 2) видно, что при воздействии импульсов ИК-излучения на предварительно облученные УФ-светом образцы сразу же происходит скачкообразное кратковременное усиление интенсивности хемилюминес-ценции раствора люминола почти до первоначального уровня, в то время как в случае необлученных образцов воздействие импульсов ИК-излучения дает незначительный эффект.
Возникновение ЦО в силикатных стеклах обычно интерпретируется либо захватом электронов на ловушках, либо образованием замороженных свободных радикалов (разрывом валентных связей 81-0 и М-0 в стекле) [3-5], а следовательно, усиление хемилюминесценции раствора люминола на поверхности предварительно УФ-об-лученного стекла при воздействии импульсов ИК-излучения можно объяснить возбуждением этих ЦО. В соответствии с данными, приведенными в работах [3, 8], центр люминесценции может находиться вне ЦО, на расстоянии от него в пределах нескольких десятков ангстрем, т.е. возможно образование ц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.