Ионолюминесценция – свечение возникающее при бомбардировке люминофора пучком ионов.
При ионолюминесценции, также как при катодолюминесценци, энергия возбуждения поглощается в тонком приповерхностном слое люминофора, поэтому здесь оказывает состояние поверхности, в частности, хемосорбция различных газов.

Элементарный акт любой люминисценции состоит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) из основного состояния 1 (рис. 1) в возбуждённое состояние 3, безызлучательного перехода на уровень 2 и излучательного перехода в основное состояние 1. В частном случае излучение люминисценции может происходить при переходе атома (молекулы) с уровня 3 на уровень 1. В этом случае люминесценция называют резонансной. Резонансная люминесценция наблюдается чаще всего в атомных парах (Hg, Cd, Na и др.), в некоторых простых молекулах, примесных кристаллах.

В большинстве случаев вероятность перехода атома (молекулы) с уровня 3 на уровень 2 больше вероятности прямого перехода на основной уровень 1. Уровень 2 чаще всего лежит ниже уровня поглощения 3, поэтому часть энергии теряется на тепло (возбуждаются колебания атомов) и квант света люминисценции имеет меньшую энергию (и большую длину волны), чем кванты возбуждающего света (правило Стокса). Однако возможно наблюдение антистоксовой люминисценции. В этом случае за счёт поглощения колебательной энергии молекула переходит на более высокий относительно уровня 3 излучающий уровень 2; энергия испущенного кванта при антистоксовой люминисценции больше энергии возбуждающего кванта, её интенсивность мала.

Уровень излучения 2 может принадлежать как тому же атому (молекуле), который поглотил энергию возбуждения (в таком случае атом называется центром свечения, а переход внутрицентровым), так и другим атомам. В простейшем случае, когда энергия возбуждения остаётся в том же атоме, люминесценция называется спонтанной.

В некоторых случаях атом (молекула), прежде чем перейти на уровень излучения 2 (рис. 2), оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 и для перехода на уровень излучения ему необходимо сообщить дополнительную энергию, например энергию теплового движения или инфракрасного света. Люминесценция, возникающая при таких процессах, называется метастабильной (стимулированной).

Процесс люминесценции в различных веществах отличается в основном механизмом перехода частицы с уровня поглощения 3 на уровень излучения 2. Передача энергии другим атомам (молекулам) осуществляется электронами при электронно-ионных ударах и при процессах ионизации и рекомбинации или обменным путём при непосредственном столкновении возбуждённого атома с невозбуждённым. Из-за малой концентрации атомов в газах процессы резонансной и обменной передачи энергии играют малую роль. Они становятся существенными в конденсированных средах. В них энергия возбуждения может передаваться также с помощью колебаний ядер. И, наконец, в кристаллах определяющей становится передача энергии с помощью электронов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар (экситонов). Если заключительным актом передачи энергии является рекомбинация (восстановление частиц, например электронов и ионов или электронов и дырок), то сопровождающая этот процесс люминесценция называется рекомбинационной.

Кинетика Люминесценция, то есть зависимость свечения от времени, интенсивности излучения I, от интенсивности возбуждения, а также зависимость люминисценции от различных факторов (например, температуры) служит важной характеристикой люминисценции. Кинетика люминисценции в сильной степени зависит от элементарного процесса. Кинетика затухания резонансной люминисценции при малой плотности возбуждения и малой концентрации возбуждённых атомов носит экспоненциальный характер:

,

где t характеризует время жизни на уровне возбуждения и равно обратной величине вероятности спонтанного перехода в единицу времени, t - длительность свечения. При большой плотности возбуждения наблюдается отклонение от экспоненциального закона затухания, вызванное процессами вынужденного излучения. Квантовый выход резонансной люминесценции обычно близок к 1. Кинетика затухания спонтанной люминесценции также обычно носит экспоненциальный характер. Кинетика рекомбинационной люминесценции сложна и определяется вероятностями рекомбинации, захвата и освобождения электронов ловушками, зависящими от температуры.

Наиболее часто встречается гиперболический закон затухания:

р – постоянная величина; a обычно принимает значение от 1 до 2.
Время затухания люминисценции изменяется в широких пределах – от 10^-8 сек до нескольких часов.

Интерес к изучению люминесцентных свойств анион-дефектных кристаллов α-Аl₂0₃ обусловлен созданием на их основе высокочувствительных детекторов ионизирующих излучений. При экспериментальном исследовании термостимулированной люминесценции (ТЛ) номинально чистых анион-дефектных монокристаллов α-Аl₂0₃ обнаруживается несколько особенностей, не следующих из известных моделей описания кинетики ТЛ в твердых телах. Главными из них являются существенное падение величины средней энергии активации ((E)(T)) в пределах основного (дозиметрического) пика при 450 К, выявляемое с помощью техники фракционного термовысвечивания (ФТВ), а также зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева кристаллов Достоверность указанных экспериментально наблюдаемых результатов не вызывает сомнения, поскольку на протяжении последних нескольких лет они неоднократно подтверждались в независимых измерениях
Исследование температурных зависимостей радио- и фотолюминесценции в основной полосе свечения кристаллов (410 нм) позволило связать наблюдаемые особенности ТЛ с температурным тушением, наиболее эффективно протекающим в области основного пика. Установление такой связи позволило формально описать зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева и аномальное поведение (E)(T) кинетическим уравнением, модифицированным множителем Мотта, учитывающим процесс температурного тушения. Однако микромеханизм наблюдаемых особенностей ТЛ оставался неясным, а тот факт, что они одинаковым образом проявлялись и в других характерных полосах свечения (330, 690 нм) кристаллов, не находил объяснения. В связи с этим представлялось целесообразным рассмотреть роль иных процессов, активно влияющих на кинетику люминесценции, в частности захвата носителей на глубокие ловушки. До сих пор из-за методических трудностей присутствие глубоких ловушек в номинально чистых аниондефектных кристаллах корунда обнаруживалось по ряду косвенных признаков. В частности, с их конкурирующей ролью в захвате носителей зарядов связывалось изменение дозиметрической чувствительности, если кристалл предварительно подвергался высокодозному облучению. ТЛ этих же кристаллов, облученных видимым или ультрафиолетовым (УФ) светом, объяснялась перезаселением зарядов с глубоких ловушек на более мелкие, обусловливающие пик при 450 К .

Если происходят процессы тушения, то сокращаются выход люминесцеции и время её затухания. Исследование кинетики тушения люминисценции даёт важные сведения о процессах взаимодействия молекул и миграции энергии.
Изучение спектра, кинетики и поляризации излучения люминисценции позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии. Для исследования люминисценции применяются приборы, регистрирующие свечение и его распределение по спектру, – спектрофотометры. Для измерения времён затухания применяются тауметры и флуорометры. Люминесцентные методы являются одними из наиболее важных в физике твёрдого тела.

Люминесценция (от латинского lumen – свет и escent – суффикс, означающий слабое действие), излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет люминисценцию от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие люминисценция применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному, так как при сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или люминисценция не имеет смысла. Тепловое излучение в видимой области спектра заметно только при температуре тела в несколько сотен или тысяч градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой температуре. Люминисценция поэтому часто называется холодным свечением. Вторая часть определения (признак длительности) была введена С.И. Вавиловым, чтобы отделить люминисценцию от различных видов рассеяния света, отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и Черенкова – Вавилова излучения. От различных видов рассеяния люминисценцию отличается тем, что при люминисценции между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность которых больше периода световой волны. В результате этого при люминисценции теряется корреляция между фазами колебаний поглощённого и излученного света.
Первоначально понятие люминисценции относилось только к излучению видимого света, в настоящее время оно применяется и к излучению в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Люминисценцию можно классифицировать по типу возбуждения, механизму преобразования энергии, временным характеристикам свечения. По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом); радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией), частными случаями которой являются рентгенолюминесценция (возбуждение рентгеновскими лучами), катодолюминесценция (возбуждение электронным пучком), ионолюминесценция (возбуждение ускоренными ионами), альфа-люминесценция (возбуждение альфа-частицами) и так далее; электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем); триболюминесценцию (возбуждение механическими деформациями); хемилюминесценцию (возбуждение в результате химических реакций); кандолюминесценцию (возбуждение при рекомбинации радикалов на поверхности).

Люминофоры (от латинского lumen — свет и греческого phoros — несущий), твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений. По типу возбуждения различают фотолюминофоры, рентгенолюминофоры, радиолюминофоры, катодолюминофоры, электролюминофоры. Некоторые люминофоры могут выступать в качестве люминофоров смешанных типов (например, ZnS·Cu является фото-, катодо- и электролюминофором). По химической природе различают органические люминофоры — органолюминофоры, и неорганические — фосфоры. Фосфоры, имеющие кристаллическую структуру, называются кристаллофосфорами.

Свечение люминофора может быть обусловлено как свойствами основного вещества, так и наличием примеси — активатора. Активатор образует в основном веществе (основании) центры свечения. Название активированных люминофоров складывается из названия основания и названия активаторов, например: ZnS·Cu, Co обозначает люминофоры ZnS, активированный Cu и Со. Если основание смешанное, то перечисляют сначала названия оснований, а затем активаторов (например, ZnS, CdS·Cu, Со).

Люминофоры применяют для преобразования различных видов энергии в световую. В зависимости от условий применения предъявляются определённые требования к тем или иным параметрам люминофоров: типу возбуждения, спектру возбуждения (для фотолюминофоров), спектру излучения, выходу излучения (отношению излученной энергии к поглощённой), временным характеристикам (времени возбуждения свечения и длительности послесвечения). Наибольшее разнообразие параметров можно получить у кристаллофосфоров, варьируя активаторы (в основном тяжёлые металлы) и состав основания, причём в зависимости от концентрации активаторов свойства люминофора в значительной степени меняются. Например, для ZnS·Cu при концентрации Cu 10^-5 г/г оптимальным является фотовозбуждение, а при концентрации Cu > 10^-4 г/г — электровозбуждение.

Спектр возбуждения различных фотолюминофоров меняется от коротковолнового ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Спектр излучения может лежать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Ширина спектральных полос излучения отдельных люминофоров меняется от тысяч Å (для органолюминофоров) до единиц Å (для кристаллофосфоров, активированных редкоземельными элементами) и сильно зависит от концентрации люминофора и активатора, а также от температуры.

Энергетический выход излучения люминофора зависит от вида возбуждения, его спектра (при фотолюминесценции) и механизма преобразования энергии в световую. Он резко падает при повышении концентрации Люминофоры и активатора (концентрационное тушение) и температуры (температурное тушение). Яркость люминесценции люминофора нарастает с начала возбуждения в течение промежутка времени от 10^-9 сек до нескольких мин. Длительность послесвечения различных люминофоров колеблется от 10^-9 сек до нескольких часов и определяется характером преобразования энергии и временем жизни возбуждённого состояния. Наиболее короткое время послесвечения имеют органолюминофоры, наиболее длительное — кристаллофосфоры. В зависимости от условий применения могут играть существенную роль и другие свойства люминофора — стойкость к действию света, тепла, влаги и так далее.

Основными типами применяемых люминофоров являются кристаллофосфоры, органические люминофоры, люминесцирующие стекла. Наибольшее распространение получили кристаллофосфоры. Значительная часть их представляет собой полупроводниковые соединения с шириной запрещенной зоны 1—10 эв, люминесценция которых обусловлена примесью (активатора) или дефектами решётки. Концентрация активатора варьируется в пределах 10^-3—10^-7 г/г. Некоторые посторонние примеси, например Fe, в концентрациях уже 10^-6 г/г могут уменьшать яркость люминесценции, поэтому приготовление люминофора требует особого контроля чистоты исходных материалов. Такие люминофоры изготовляют путём прокалки шихты. Для улучшения процесса кристаллизации в шихту добавляются плавни — соли типа KCI, LiF, CaCI₂ и тому подобные. Люминесцирующие монокристаллы выращиваются из расплава, раствора или газовой фазы.

В люминесцентных лампах применяются смеси кристаллофосфоров [например, смеси MgWO₄ и (ZnBe)₂ SiO₄·Mn] или однокомпонентные люминофоры, например галофосфат кальция, активированный Sb и Mn. Люминофоры подбираются так, чтобы их свечение имело спектральное распределение, близкое к распределению дневного света. Катодолюминофоры применяют для экранов электронно-лучевых трубок, осциллографов, черно-белых и цветных кинескопов и тому подобное. Для цветных кинескопов разработаны люминофоры, дающие три основных цвета свечения: синий (ZnS·Ag), зелёный (ZnSe·Ag), красный [Zn₃(PO₄)₂·Mn]. Для рентгеноскопии применяются (Zn, Cd) S·Ag и CaWO₄, дающие свечение в области максимальной чувствительности глаза и позволяющие максимально использовать чувствительность рентгеновской плёнки и уменьшить дозу облучения. Электролюминофоры на основе ZnS·Cu используют для создания светящихся индикаторов, табло, панелей.

Органические люминофоры могут люминесцировать в растворах (флуоресцеин, родамин) и твёрдом состоянии (пластические массы и антрацен, стильбен и другие органические кристаллы). Органические Люминофоры могут обладать ярким свечением и очень высоким быстродействием. Цвет люминесценции органических люминофоров может быть подобран для любой части видимой области. Они применяются для люминесцентного анализа, изготовления люминесцирующих красок, указателей, оптического отбеливания тканей и т.д. Многие органические люминофоры (красители цианинового, полиметинового рядов и другие) используют в качестве активных элементов жидкостных лазеров. Кристаллические органические люминофоры применяют в качестве сцинтилляторов для регистрации g-лучей и быстрых частиц (см. Сцинтилляционный счётчик и Люминесцентная камера). Органические люминофоры выпускаются промышленностью СССР под торговым наименованием люминоры.

Люминесцирующие стёкла изготовляют на основе стеклянных матриц различного состава. При варке стекла в шихту добавляют активаторы, чаще всего соли редкоземельных элементов или актиноидов. Выход, спектр и длительность свечения люминесцентных стекол определяются свойствами активатора. Они обладают хорошей оптической прозрачностью и многие из них могут быть использованы в качестве лазерных материалов, а также для визуализации изображений, полученных в ультрафиолетовом излучении.