Luminiscencia, fluorescencia y fosforescencia

Introduccion

Se denomina luminiscencia al conjunto de fenómenos producidos en multitud de sustancias que se caracterizan por la emisión durante un tiempo determinado de radiación visible como consecuencia de la acción de determinados agentes externos ya sean campos eléctricos, reacciones químicas o radiación. Deben distinguirse estos procesos de la incandescencia que es la emisión de radiación visible como consecuencia de la alta temperatura que tiene un cuerpo (generalmente mayor de 500 ºC).

Dentro de los fenómenos luminiscentes se engloban la fosforescencia, la fluorescencia, sonoluminiscencia, triboluminiscencia, quimióluminiscencia etc. De estos fenómenos trataremos aquí de la fosforescencia y la fluorescencia. La quimioluminiscencia se ha tratado someramente en un experimento con luminol.

Historia de la luminiscencia

Fluorescencia.

En 1565, Nicolás Monarde describió el extraordinario color azul intenso de un extracto acuoso de una madera al ser iluminada con luz solar mientras que era casi transparente al ser observada con la luz de una lámpara. Este fenómeno se puede observar en los extractos de la corteza del castaño de indias.

Aunque el fenómeno se estudio por varios científicos, no fue hasta 1852, en que el físico inglés Sir George Stokes usando filtros y prismas para separar las diversas longitudes de onda de la luz demostró que una parte del espectro de la luz incidente era absorbida, transformada y emitida por la solución en forma de una luz azul de mayor longitud de onda.

Demostró además que si colocaba un cristal ordinario en el paso de la luz incidente el efecto se amortiguaba, lo que no ocurría si se ponía un cristal de cuarzo, por lo cual dedujo que el efecto se debía a la intervención de una parte invisible del espectro. De aquí también dedujo que el cuarzo era transparente a estas radiaciones mientras que el cristal ordinario no lo era. Y que la emisión luminiscente desaparecía aparentemente de forma instantánea cuando se apagaba la luz incidente. Comprobó además que algunos ejemplares del mineral fluorita brillaban con color violáceo cuando se iluminaban con esta luz invisible y por ello denomino a este efecto fluorescencia.

Fosforescencia.

La luminiscencia de los sólidos fue señalada por primera vez en 1603 por Vicenzo Cascariolo de Bolonia, quien calentó polvos de barita natural (BaSO4) con carbón y encontró que la mezcla resultante en forma de torta brillaba en la noche. La luz emitida por la torta se apagaba con el tiempo pero observó que aparentemente la torta se cargaba al exponerla de nuevo a la luz solar. Por esto se le llamó Piedra de Bolonia, “Piedra del Sol” y por su aspecto poroso también la denominaron “esponja solar. Cascariolo designó como fosforescentes a las sustancias que presentaban la propiedad de brillar durante largo tiempo después de excitadas

En 1652, Nicolás Zucchi demostró, que la luz que emitía la piedra era siempre de color amarillento independientemente de que la piedra se cargase con luz blanca, azul o verde. Por tanto no era un mero almacenamiento de luz en si, sino que en ello intervenían procesos de transformación de las sustancias, inexplicables en esos momentos.

De manera simplificada el fenómeno se desarrolla cuando un material absorbe energía por impacto de una radiación. La energía absorbida hace que los electrones de los átomos del material absorbente se exciten y salten de las órbitas de reposo a órbitas mas energéticas inestables. Cuando estos electrones inestables vuelven a sus órbitas de reposo emiten un fotón de luz.

Diferencia entre fluorescencia y fosforescencia.

Si el intervalo entre absorción y emisión es corto (menos de 0,0001 segundos) al fenómenos se le denomina fluorescencia. Si el intervalo es largo, el proceso se llama fosforescencia. En ambos casos, la radiación emitida es de longitud de onda mas larga (de menos energía) que la radiación de excitación. No existe una clara diferencia entre ambos fenómenos ya que algunas sustancias que parecen fluorescentes siguen dando luz durante una fracción de segundo después de haber cesado la excitación excitación. Igualmente pequeñas variaciones en la composición química de algunas sustancias pueden hacer que la emisión de luz dure desde pocos microsegundos a varias horas.

A las sustancias que presentan estas propiedades se las denomina fósforos, aunque químicamente no tengan ninguna relación con el elemento químico fósforo. La razón es que el termino fósforo viene del griego y significa portador de luz, por ello se llaman fosforescentes y fósforos a sustancias que emiten luz. Por ello cuando en 1669 Henning descubrió el fósforo le puso ese nombre por la propiedad que este tenia de emitir luz al oxidarse lentamente.

Sustancias fosforescentes y fluorescentes.

Existen multitud de sustancias sólidas y liquidas que presentan estos fenómenos, algunas de ellas aparecen de forma natural en formas de minerales y otras se han sintetizado en el laboratorio. Las aplicaciones de estas sustancias son numerosas, por ejemplo, la fabricación de tubos y lámparas fluorescentes, tubos de televisión, láseres sólidos y líquidos, detectores de partículas, pantallas de refuerzo de rayos X, sustancias luminosas en la oscuridad, etc. Hay numerosísimas sustancias tanto de composición orgánica como inorgánica que producen fluorescencia,. La quinina, la fluoresceína sódica, la rodamina, el antraceno y muchos compuestos aromáticos son ejemplo de sustancias fluorescentes orgánicas y el wolframato calcio el sulfuro de zinc entre las inorgánicas.

Algunas sustancias son intrínsecamente fluorescentes, esto es, presentan siempre el fenómeno de la fluorescencia y otras sin embargo solo lo hacen cuando la sustancia se haya ligeramente contaminada con pequeñas proporciones de otros elementos llamados activadores. Las sales que contienen el ion uranilo, y algunos wolframatos como el de calcico o magnesio son intrínsecamente fluorescentes. Sin embargo el sulfuro de zinc y el carbonato cálcico son ejemplo de sustancias que no son fluorescentes sin la presencia de un activador. A veces un segundo elemento en proporciones de traza influye sobre el activador para cambiar el color o la intensidad de la luminiscencia.

Los iones de los metales de transición son activadores eficaces, aunque también hay algunos elementos que incluso en proporciones pequeñísimas actúan impidiendo estos fenómenos. A estos elementos se denominan venenos y el hierro es uno de los mas activos venenos de los efectos luminiscentes. La plata por ejemplo actúa como activador del sulfuro de zinc, haciendo que este fluorezca con color blanco azulado. El manganeso actuá de la misma manera sobre el silicato de zinc haciendo que este emita luz verde.

El interior de las lámparas fluorescentes tiene recubrimientos con fósforos, que absorben las invisibles, pero intensas, componentes ultravioletas producida en la descarga gaseosa y emiten luz visible. Algunos tubos se fabrican especialmente para la producción de radiaciones ultravioleta como las lamparas germicidas o de luz negra que producen un suave brillo azuloso sobre algunas sustancias y que se usan en teatros y espectáculos para lograr efectos luminosos y en la detección de minerales.

Cabe decir que la fluorescencia es una propiedad imprevisible ya que mientras algunas muestras de un mineral la presentan, otros aparentemente semejantes no la presentan. Así sólo ciertas fluoritas, mineral que da nombre a esta propiedad fluorescen. Su fluorescencia azul normal puede proceder de la presencia de materia orgánica o de iones e tierras raras.

Espectro de excitación y de emisión.

La luminiscencia se fundamenta en la excitación de los electrones de una sustancia al absorber fotones y su posterior emisión de esa energía en forma de radiación. Cabe el caso de que los fotones de la radiación emitida sean de la misma energía (y longitud de onda) que la absorbida, este caso se conoce como de fluorescencia de resonancia. Poro lo mas habitual es que la radiación emitida sea de longitud de onda mas larga (y por lo tanto de menor energía) que la absorbida. A este desplazamiento hacia longitudes de onda más larga se denomina desplazamiento de Stokes. Los electrones excitados por la radiación corta invisible pasan a niveles de mayor energía. Cuando vuelven a su estado inicial emiten luz visible de la misma longitud de onda este es el caso de la fluorecencia de resonancia. Sin embargo, estos electrones excitados pueden recaer a un nivel energético intermedio, entonces emiten un fotón luminoso de menor energía que la proporcionada por la excitación original. Si ésta se realiza con luz ultravioleta, la fluorescencia se verifica comúnmente en el intervalo visible. En las sustancias fosforescentes existe un tiempo de retardo entre la excitación de los electrones a un nivel de mayor energía y su retorno al estado fundamental..

Una sustancia dada no se excita por cualquier longitud de onda sino que suele haber una correlación entre la longitud de onda de la excitación y la amplitud de la emisión. A esa correlación se denomina espectro de excitación. De la misma manera existe una correlación entre la amplitud y la longitud de onda de la radiación emitida. Esta relación se denomina espectro de emisión. En primera medida la longitud de onda de la emisión no es función de la longitud de onda de la excitación salvo en sustancias que tengan varios mecanismos de luminiscencia asociados. Por ello los minerales varían en su capacidad de absorción de luz ultravioleta a una determinada longitud de onda y así, algunos fluorescen con rayos ultravioleta de corta longitud de onda, otros de larga longitud de onda y otros indistintamente. El color de la luz emitida suele variar considerablemente con las diferentes longitudes de onda de excitación.

Estos fenomenos no se dan exclusivamente al emplear radiación ultravioleta sino que la excitación en cuestión puede realizarse con cualquier radiación de suficiente energía. Así por ejemplo los rayos X producen florescencia en multitud de sustancias algunas de ellas también sensibles a otras radiaciones. Por ejemplo el wolframato de magnesio es sensible prácticamente a todas las radiaciones de longitud de onda inferior a los 300 nm desde el ultravioleta al los rayos X. Otras sustancias son fácilmente excitables con electrones, como los fósforos que se emplean en los tubos de televisión.

Algunas sustancias que absorben fotones de rayos X y producen fluorescencia en el ultravioleta, como el poliestireno y otros plásticos. Otras sustancias como el yoduro de sodio dopado con talio transforman los fotones de la radiación gamma en destellos de luz visible. Este es el fundamento de los centelladores de los detectores de partículas.

Sustancias fluorescentes y su relacion con los minerales.

El descubrimiento de que algunos minerales podían ser fluorescentes con radiación artificial se produjo a principios del siglo 20 con la introducción de la energía eléctrica en las minas. A veces al producirse chispazos en el interior de las minas como consecuencia de una mala conexión se veían brillar las pareces de la mina. Los geologos analizaron el proceso y atribuyeron al hecho de que las chispas eléctricas producían radiación que excitaba algunos minerales de las paredes de las minas. Por ello construyeron maquinas especiales basadas en el arco voltaico que generan abundantes radiaciones ultravioleta. A partir de 1920 se aplicaron filtros para eliminar el espectro visible de la radiación del arco mejorando la visibilidad de la fluorescencia.

Como se ha dicho hay miles de fósforos de fabricación industrial con diferentes propiedades, muchos de estos fósforos no tienen relación con los minerales que frecuentemente se encuentran en la naturaleza pero algunos si. Reseñamos los mas importantes.

Sulfuro de zinc (blenda). Solo algunos ejemplares aislados de los que se encuentran en la naturaleza son fluorescentes porque a menudo contienen trazas de hierro que actúa como un veneno para la fluorescencia. Sin embargo el sulfuro de zinc en laboratorio se puede dopar con plata resultando un excelente fósforo sensible al ultravioleta a los rayos X y gamma a los electrones y a las partículas cargadas. La esfalerita contiene proporciones de hierro mucho mayores y por tanto no es fosforescente.

Silicato de zinc (williemita). Dopado con manganeso. Zn2SiO4:Mn2+. Es un fósforo muy importante de color verde con un pico de emision en 525 nm. Puede encontrarse natural con una brillante fluorescencia o fabricarse en laboratorio.

Wolframato de calcio. En la naturaleza se encuentra como el mineral llamado sheelita. Es un fósforo intrínseco, es decir no necesita activador. Es sensible a las radiaciones de onda de longitud de onda inferior a los 300 nm. Se emplea como reforzador en las pantallas de RX por su alta densidad.

Radiaciones ultravioleta.

Los rayos ultravioletas fueron descubiertos por el físico alemán J. W. Ritter hacia 1800. Haciendo experimentos con el espectro luminoso que emerge de la dispersión de un rayo solar por un prisma, se percató del ennegrecimiento de una emulsión de nitrato de plata expuesta a una zona del espectro luminoso más allá del violeta.

Regiones Ultravioleta.

La luz ultravioleta (UV) tiene una longitud de onda mas corta que la de la luz visible. El color violeta tiene longitudes de onda más corta que otros colores de luz, y la luz ultravioleta tiene longitudes de ondas aún más cortas que la violeta, pero como nuestro ojos solo pueden apreciar el violeta esta radiación resulta invisible para nuestros ojos.

Se denominan ultravioleta a la radiaciones electromagnéticas de longitud de onda comprendida entre los 400 nm y lo 40 nm, aunque a efectos prácticos debemos restringir el ultravioleta de los 400 a los 160 nm ya pe por debajo de los 160 nm son pocas las sustancias se dejan atravesar por esta luz. De hecho el aire especialmente el oxigeno es opaco a la radiación por debajo de 160 nm. Por ello a la radiaciones entre 160 nm y 40 nm se las suele denominar como ultravioleta de vacío ( UVV).

El rango entre los 400 y los 160 nm se divide en tres regiones:

Ultravioleta A. UVA o de larga longitud de onda ( LW) de 400 nm a 315 nm, se encuentra en la la luz del sol que llega a la superficie de la tierra y es la responsable del bronceado de la piel.

Ultravioleta B. UVB o de media longitud de onda ( MW) de 315 a 280 nm. Aunque llega a la Tierra procedente del Sol su intensidad esta muy atenuada por la capa de ozono ya que representa sólo el 5% de la UV y el 0.25% de toda la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra.

También se le llama Ultravioleta biológico y es muy agresiva para la vida en general. En caso de exposiciones prolongadas puede producir cáncer de piel, melanoma, cataratas, debilitamiento del sistema inmunológico, etc.


Ultravioleta C. UVC, o de corta longitud de onda (SW) desde 280 a 160 nm. Es en teoría la más peligrosa para el hombre, pero afortunadamente es absorbida totalmente por estratosfera a 35 km de altura. Tiene un efecto fuertemente germicida y sus rayos se emplean para desinfectar. La luz ultravioleta de longitud de onda inferior a los 200 nm es capaz de romper las moléculas de oxigeno y formar ozono a partir del aire.


Ultravioleta V. UVV, o de longitud de orden ultracorta (VSW) entre 200 y 40 nm. Se llama V porque solo se propaga en el vacío. No se propaga en el aire especialmente porque el el oxigeno tiene una banda de absorción muy fuerte en la banda de 160 nm. Es capaz de romper las moléculas de oxigeno y la subsiguiente formación de ozono. La mayoría de los vidrios son opacos a este ultravioleta. Solo materiales especiales como el fluoruro de magnesio son transparentes a este material en algunas longitudes de onda.




Espectro de la radiación electromagnética


Fuentes de luz ultravioleta.


Lamparas de descarga en gas.

Básicamente es una ampolla de vidrio, cuarzo u otro material adecuado lleno de un gas o una mezcla de gases que en sus extremos tiene dos electrodos generalmente de wolframio. Al aplicar una tensión eléctrica entre sus electrodos el gas se ioniza y conduce. El gas ionizado al ser atravesado por la corriente emite radiación con longitudes de onda características de su composición. La radiación emitida por el gas tiene forzosamente las lineas espectrales correspondientes a los átomos ionizados, que generalmente tienen componentes en el infrarrojo cercano, visible y ultravioleta. La amplitud de estas lineas espectrales (el porcentaje de radiación emitida en cada linea espectral) depende de las condiciones de presión y temperatura de la lampara.


En un alto porcentaje esas lamparas están llenas de argón y unas gotitas de mercurio. Cuando la lampara esta fría el mercurio esta en fase liquida. Al encenderse la lampara primero se ioniza el argón emitiendo una luz violácea de baja intensidad, poco a poco la temperatura del gas interior aumenta y el mercurio pasa a fase gaseosa. Entonces la conducción de la corriente se va haciendo paulatinamente mayor a través de los vapores de mercurio perdiendo importancia la conducción a través del argón.

Cuando la lampara esta suficientemente caliente, en vez del color violaceo, estas lamparas dan una luz verdosa.

Aunque en un porcentaje muy alto las lamparas tienen la composición señalada, hay otras lamparas que en vez de mercurio contienen sodio (emiten una luz amarilla y son muy empleadas en iluminación de exteriores), halogenuros metálicos, xenón, o deuterio.


Espectro de emisión de mercurio.

El mercurio tiene infinidad de rayas espectrales de emisión, de las cuales las mas importantes son las de 1014, 615, 546, 436, 405, 365, 312, 297, 253, y 185 nanómetros. Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura se favorece la emisión en unas rayas u otras, aunque la raya de mayor importancia es la de 253 nm.


Lamparas de baja presión (tubos fluorescentes).

En condiciones de baja presión como las de un tubo fluorescente el 35 % de la energia se pierde en forma de calor de conducción. Del resto el 60% se emite en forma de radiación de 254 nm, el 5% en 195 nm otro 10% en otras radiaciones de UV y solo un 25 % en forma de radiación visible. Por ello emplear estas lamparas tal cual seria un desaprovechamiento de la energía suministrada.

Por ello en los tubos fluorescentes de uso común, las paredes interiores del tubo están recubiertas de un material fluorescente que transforma la radiación ultravioleta en visible. Como lo que se pretende es producir una luz lo mas parecida a la natural se emplean mezclas de diferentes fósforos de manera que se consiga la máxima naturalidad de color. Esto resulta prácticamente imposible, porque seria necesario mezclar infinidad de fósforos para que reprodujesen todo el espectro. De hecho al observar con un espectroscopio una lampara fluorescente se observa un espectro mas o menos continuo sobre el que destacan notablemente rayas espectrales mucho mas intensas, en contra de lo que ocurre con las luces incandescentes o solar. Para satisfacer los gustos de los usuarios en la actualidad se fabrican lamparas con luces frias (predomina el azul) o cálida, predomina el rojo, con distintas composiciones de fósforos.

En las lamparas ordinarias de iluminación, es necesario ademas evitar que dañina radiación ultravioleta salga al exterior, para lo cual las envueltas se hacen con un vidrio que bloquea estas radiaciones.

Sin embargo si el propósito es la producción de radiación ultravioleta la envoltura deberá fabricarse con un material que permita el paso de estas longitudes de onda, vidrios especiales, cuarzo fundido, o vidrios con ventanas que permitan el paso de la radiación. De esta manera se consigue que pase la radiación. Pero si ademas se desea que se bloqueen otras radiaciones, como por ejemplo el visible deberán ademas fabricarse con vidrios especiales como el cristal de Wood o colocarse filtros externos.


Tubos de luz negra. Es un tubo fluorescente, que emite ultravioleta en la banda A, y una pequeña proporción de luz visible. La construcción es idéntica a como se ha descrito anteriormente salvo que parte de la envuelta de vidrio esta fabricada con un vidrio de color violáceo oscuro llamado cristal de Wood, que bloquea casi toda la radiación visible de longitud de onda mas larga de 400 nm. Interiormente el tubo tiene un fósforo que absorbe la radiación de 365 nm ( la mas intensa del mercurio) y emite radiación con pico entre 350 a 370 nm.

Si se emplea como fósforo el fluoborato de estroncio dopado con europio (SrB4O7F:Eu2+), el tubo emite radiación en 360 nm. Si se emplea el borato de estroncio dopado con europio (SrB4O7:Eu2+), tiene el pico de emisión en 350 nm, pero si se emplea el silicato de bario dopado con plomo (BaSi2O5:Pb+) el tubo emite radiación un poco mas larga, con un pico en 365 nm.

Estos tubos se conocen como BLB ( Black Ligh Bulb) lamparas de rayos UVA, y también como lamparas de ultravioleta LW ( Long Wavelengt).

Las lamparas atraeinsectos, son tubos de luz negra en los cuales no se incorpora el filtro de cristal de Wood, producen por lo tanto radiación LW, y la radiación visible residual.

Lamparas de onda media ( LW). Son una variante de las anteriores. Un tubo de baja presión recubierto de un fósforo que absorbe la emisión de 253 nm y tiene el pico de emisión en 313 nm. Uno de los fósforos mas empleados en estas lamparas es el fosfato de calcio dopado con talio Ca3(PO4)2:Tl+ , parte del calcio se sustituye por cinc. Al contrario que los tubos de luz negra , estos no incorporan el filtro de cristal de Wood, ya que este no permite la transmisión de longitudes de onda tan cortas, por ello ademas de la radiación ultravioleta emite una cantidad apreciable de luz visible que es necesario eliminar si se pretende la observación de fluorescencia.

Tubos germicidas. Son tubos fluorescentes normales, llenos de argón a baja presión y un poco de mercurio. La envuelta es de cuarzo fundido o vidrios especiales para permitir la trasmisión de la bandas de 253,7 nm del mercurio y bloquear la radiación de 185 nm. No necesitan emplear fósforos ya que la radiación que se utiliza es precisamente la raya mas importante del mercurio. Se llaman germicidas porque la radiación de 253,7 nm tiene efectos sobre el material biológico y destruye el material orgánico y con ello los germenes. De la misma manera produce efectos nocivos sobre la piel y mucho mas fuerte sobre los ojos. Al ser esta radiación invisible, sin querelo podemos exponemos a ella no solo como radiación incidente sino también reflejada. Por tanto se deben extremar las precauciones al operar con estas lamparas. Aunque el espectro principal de emisión es de 253,7 nm. Estas lamparas emiten radiación UV en otras lineas y también radiación visible, cuando se emplean como germicidas estas radiaciones no producen efectos indeseados, sin embargo cuando se emplean para excitar la fluorescencia en materiales la radiación visible puede fácilmente enmascarar la fluorescencia. Por ello para esta aplicación es conveniente colocar un filtro que bloquee las radiaciones indeseadas. En este caso no sirve el vidrio de Wood porque bloquea esta banda. Filtros recomendables pueden ser el Hoya 330, por ejemplo.

A estas lamparas se las denomina de UVB y tambien SW ( Sort Waveleng).

Lamparas generadoras de ozono. Son idénticas a las lamparas germicidas, pero se construyen con cuarzo fundido o vidrios especiales para permitir la transmisión de la banda de 185 nm, radiación que es capaz de romper las moléculas de oxigeno del aire y permitir la formación de ozono. Algunos tipos de estas lamparas llamado de amalgamas en vez de mercurio tienen electrodos con una amalgama de indio resultado mas eficientes en la generación de radiación de 185 nm. Típicamente una lampara de este tipo puede tener una eficiencia del 40% en la generación de 253 nm y un 6% en 185 nm. Como puede suponerse, los efectos biológicos de estas lamparas son aun mas severos, por lo que deben extremarse las precauciones sobre los ojos y la piel durante su manejo.

http://www.heraeus-noblelight.com/en/uv-disinfection-oxidation/products-for-disinfection-and-oxidation/amalgam-lamps.html

Lamparas de media y alta presión. De construcción mas o menos idénticas a los fluorescentes, trabajan con presiones interiores mas altas y necesitan un periodo de calentamiento superior hasta que la presión interior del mercurio alcanza el régimen de funcionamiento. La construcción mecánica de estas lamparas es ligeramente diferente. La ampolla donde se produce el arco es de unos 12 mm de diámetro y de unos 80 mm de largo. Esta construida en cuarzo fundido para que soporte la elevada temperatura que alcanza. Este bulbo a su vez esta rodeado de una envoltura exterior con la forma clásica de la bombilla, aunque mas grande que puede estar o no recubierta de fósforos. El objeto de esta cubierta es aislar la lampara del ambiente exterior y también de soportar a los fósforos. Este tipo de lampara se emplea mucho en iluminación urbana, pero produce una luz blanca verdosa en vez de la amarillenta típica de las lamparas de sodio. Si se mira estas lamparas con un espectroscopio se ven claramente las rayas verdes del vapor de mercurio.

Debido a las condiciones de presión del mercurio, generan radiación con mas lineas espectrales, pero emiten muy poca radiación en 253 nm y longitudes de onda mas cortas. Sin la aplicación de fósforos, las longitudes de onda preferentes se centran entre 365 y 400 nm, por tanto se limitan prácticamente a la zona UVA o LW.

Industrialmente estas lamparas se emplean fundamentalmente en el curado de adhesivos, en el curado de tinta en las artes gráficas, en iluminación urbana y de grandes superficies.

Una variante de estas lamparas son las lamparas de halogenuros metálicos. En las que en vez de mercurio se emplean halogenuros de galio plomo, y hiero entre otros.

http://www.heraeus-noblelight.com/fileadmin/user_upload/PDF/curing/MH_emitters_e.pdf

Lamparas lapicero. Son tubos de baja presión de vapor de mercurio con electrodos únicamente en un extremo. Se aplica radiofrecuencia. Emiten las rayas del mercurio, especialmente la de 253,7 nm y se emplean casi exclusivamente como fuente de calibración espectral

Lamparas halogenas. Bien conocidas por su uso domestico, aunque las que se emplean con este fin tienen una cubierta que bloquea la emisión ultravioleta. Las concebidas especialmente para la producción ultravioleta están construidas con envuelta de cuarzo fundido y generalmente sobrevoltadas para aumentar la producción ultravioleta. Por supuesto que estas lampara generan mucha radiación dentro del espectro visible y también en el infrarrojo. El espectro ultravioleta es continuo decreciente y no va mas allá de los 340 nm. Su aplicación mas importante es el curado de adhesivos, por ejemplo el curado de materiales empleados en odontología para sellar caries dentales.


Lamparas de hidrógeno y deuterio. Similares al tubos fluorescentes de baja presión aunque suelen ser mas gruesas ( unos 25 mm de diámetro) y mas cortas (unos 150 mm de longitud. Se emplean con corrientes mucho mas intensas que los tubos fluorescentes, por lo que la envoltura exterior alcanza una temperatura de mas de 100 ºC. Por ello y para permitir la transmisible de la radiación generada deben de fabricarse de cuarzo y a veces con ventanas de fluoruro de magnesio. Necesitan una tensión de encendido de 300 a 500 v, que baja a 100 a 200 v durante el funcionamiento.

Estas lamparas emiten radiación de 112 nm a 900 nm, pero la razon por las que se utilizan es que de 150 a 370 nm tienen un espectro de emisión continuo, lo cual las hace especialmente indicadas como fuente de UV para espectroscopia UV.

Una variante de estas lamparas empleada especialmente en espectroscopia se conoce como lampara de cátodo hueco.

Los espectros de emisión del hidrógeno y el deuterio son prácticamente idénticos, pero se suele emplear mas el deuterio porque el hidrógeno es mas fácilmente absorbible por las paredes de vidrio limitando la vida de la lampara.


LEDs.

Es innecesario comentar las ventajas de los LEDs, y poco a poco podemos ver como sustituyen a muchos otros dispositivos luminosos. Si bien en aplicaciones de infrarrojo y visible van ganando espacio por momentos, todavía no son soluciones adecuadas para aplicaciones en UV.

Algunos hemos tenido la suerte o la desgracia de ver aparecer los primeros LEDs de color rojo, luego fueron apareciendo los naranja, amarillos despues los verdes y por ultimo los azules. Después aparecieron los LEDs multicolor, los blancos y por ultimo los ultravioleta.

Lo que no es tan conocido es que la mayor parte de los LEDs que producen luz blanca son en realidad LEDs de ultravioleta ( fabricados generalmente con nitruro de aluminio) que llevan encima del chip productor de radiación una fina capa de fósforos. Por tanto se asemejan mas a los fluorescentes de baja presión mencionados anteriormente. Un LED de alta eficiencia generando radiación de 410a 390 nm excita un conjunto de fósforos con este espectro de excitación y emite radiación mas o menos continua en el espectro visible.

De igual manera que los tubos, estos leds no producen un espectro continuo como la luz del sol o las lamparas de incandescencia. Aunque la luz parezca blanca en realidad si se observa con un espectroscopio se pueden apreciar diferentes densidades de zonas de emisión. Al igual que los tubos fluorescentes se fabrican leds de luz blanca con respuestas mas o menos frías o cálidas. La calidad del LED sera tanta como su curva de emisión se asemeje al espectro solar.

La fabricación de este tipo de LEDs, destinados a señalización e iluminación es lo que ha motivado la aparición de LEDs en la zona ultravioleta del espectro a bajo precio.


Pero no todo son noticias buenas, ya que la mayor parte de los LEDs de UV que se comercializan a bajo precio, tienen picos de emisión entre 380 y 400 nm, justo en la frontera entre el espectro visible y el ultravioleta. Ademas la curva de emisión tiene forma de campana, por lo que buena parte del espectro cae en la parte visible. Por tanto estos LEDs, tienen longitudes de onda demasiado largas para excitar muchos materiales fluorescentes y ademas la parte visible de su espectro enmascara las fluorescencias excitadas. Estos LEDS se pueden adquirir por 10 $ el ciento incluso mas baratos.


No tan populares, también se pueden encontrar LEDs de pico de emisión en los 365 nm, con precios del orden de 4$ unidad.


El LED de Nichia NCSU033, es de los pocos que puede competir con los tubos de luz negra ya que proporciona un pico de emisión en 365 nm y una potencia de 250 mW. http://www.nichia.co.jp/specification/led_09/NCSU033AT-E.pdf.

No obstante lo comentado, muchos leds baratos de ultravioleta pueden excitar la fluorescencia de algunas sustancias de manera notable, como por ejemplo las sales de uranio y algunos pigmentos fluorescentes. Pero para apreciar la diferencia, analizese las marcas fluorescentes de un billete de 50 euros mediante una lampara de luz negra y un LED de este tipo. Se comprobara que el LED difícilmente estimula la mayoría de las marcas mientras que el tubo si lo hace.


LEDs profesionales de ultravioleta B. La tecnologia actual ya permite la fabricacion de LEDs de ultravioleta de corta longitud de onda. Estos Led pueden competir con las longitudes de onda de los tubos de gas en cuanto a pureza espectral longitud de onda etc. El problema actual es el precio.


Precios a 20/10/2009 para pequeñas cantidades.

355 nm 350 uW 59$

345 nm 400 uW 79$

335 nm 400 uW 99$

315 nm 500 uW129$

300 nm 500 uW 139$

285 nm 500 uW 159$

265 nm 300 uW 229$

255 nm 300 uW 269$

240 nm 200 uW 309 $.


Para tener una idea real de estos precios hay que considerar lo siguiente:

Un tubo de 4 W germicida, genera aproximadamente 1 W en radiacion de 253 nm. Para eliminar las radiaciones visibles es necesario un filtro tal como el Hoya U-330. El coste total del los componentes es de aproximadamente 100 euros. Este sistema incluso con perdidas considerables nos proporcionará 0,5 w de ultravioleta de 252 nm.


Para conseguir una potencia ultravioleta equivalente necesitaríamos 1000 leds, con un coste de 3000 veces mayor.



Filtros.

Muchas de las lamparas anteriormente señaladas no generan una única longitud de onda de radiación. Como es el caso de las lamparas germicidas pueden generar radiación en el visible ademas de la banda de ultravioleta requerida. Algunas aplicaciones no requieren la eliminación de las lineas espectrales no deseadas, como es el caso de la generación de Ozono o la desinfección, sin embargo en análisis de fluorescencia es necesario limitar las bandas indeseadas.

En concreto puede haber minerales o sustancias que presenten diferentes características de emisión frente a diferentes longitudes de onda de excitación. Por ejemplo algunas calcitas presentan colores purpura con longitudes de onda larga y color rojo intenso con radiaciones cortas y solo el filtrado de las radiaciones puede mostrar este fenómeno.

Ademas como la fluorescencia, puede ser muy débil, si el tubo genera luz visible, puede hacer imperceptible ese fenómeno o al menos enmascararlo con un color no real.

Por tanto el empleo de filtros produce, de entrada un mayor contraste en la fluorescencia y luego resultados mas correctos.


La fabricación de filtros para aislar las diferentes longitudes de onda del UV no es tarea fácil, ya que hay pocos materiales o combinaciones de estos que bloqueen la luz visible y sean transparentes al UV. El primero ampliamente conocido es el cristal de Wood. Ademas de este reseñamos algunos de los filtros Hoya para estas aplicaciones.


Vidrio de Wood.

El cristal o vidrio de Wood, es un vidrio formado por silicato de sodio y bario con aproximadamente un 9% de oxido de níquel, aunque erróneamente se suele decir que tiene cobalto ya que el cobalto da color azul intenso a los vidrios. Es de color violáceo intenso, opaco a la mayor parte del espectro visible pero es transparente a radiaciones infrarrojas y especialmente al ultravioleta cercano, entre 320 y 400 nm, con pico de transmisión en 365 nm. Debido a que tiene peores características mecánicas, térmicas y resistencia a los agentes exteriores que los vidrios ordinarios normalmente no se fabrican lamparas con este vidrio, sino que simplemente se deposita una fina capa de unas centésimas de milímetro sobre un vidrio que resulte transparente a estas bandas. Como otros filtros de ultravioleta, el cristal de Wood sufre “solarización” un fenómeno por el cual algunos materiales con el tiempo pierden su transparencia a la radiación ultravioleta. El filtro de Kodak Wratten 18 A esta basado en este vidrio. Este filtro es adecuado para bloquear las radiación visible, pero también bloquea las bandas cortas del ultravioleta.

Filtros Hoya.

A continuacion las curvas de trasmision de los filtros Hoya mas populares.




Filtros Asahi
















Referencias:

Filtros Hoya: http://uvlp.com/hoya_color_filters_main_page.htm

LEDs de ultravioleta. http://www.s-et.com/?gclid=CM6riJ_r0p0CFYwA4wodyQ7crQ

Minerales fluorescentes y lamparas. http://www.minresco.com/uvlamps/uvlamps.htm

Minerales fluorescentes y lamparas de UV. http://www.mineralab.com/UVLights.htm

Esource Opticals, (filtros) http://www.esourceoptics.com/filters220nm.html

Way too col lamps. http://www.polmanminerals.com/html/way_too_cool.html