CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Đèn huỳnh quang
1.1.1. Cấu tạo
Đèn huỳnh quang được biết như là một trong những loại nguồn sáng
quan trọng có sử dụng bột huỳnh quang. Các bóng đèn huỳnh quang ngày nay
có cấu tạo không thay đổi nhiều so với trước đây. Cấu tạo chính của đèn được
mô tả trên hình 1.1. Gồm ống thủy tinh hình trụ (1) có tỷ số chiều dài và
đường kính thích hợp để giảm tổn thất công suất hai đầu, tổn thất công suất
trong vùng catôt và anôt. Quanh thành ống bên trong phủ một hoặc nhiều lớp
bột huỳnh quang có độ dày cỡ 10 μm (10, 11) hai đầu là hai điện cực (3).
Ngoài ra thành ống cũng được phủ lớp Al
2
O
3
, lớp nhôm oxit này vừa có tính
năng bảo vệ không cho các tia phá hủy lớp thủy tinh bên ngoài (lớp thủy tinh
là loại vật liệu rẻ tiền), ngoài ra còn đóng vai trò làm bề mặt phản xạ các tia
254 nm của phát xạ thủy ngân không bị lớp bột huỳnh quang hấp thụ hết và
quay trở lại và làm tăng cường độ phát quang. Mỗi điện cực được cấu tạo bởi
hai hoặc ba lõi vonfram và được bọc ngoài bởi vật liệu phát xạ điện tử như
BaO, SrO và CaO. Môi trường bên trong ống là hơi thủy ngân và argon hoặc
hỗn hợp khí trơ và thủy ngân. Thông thường, áp suất của khí trơ bên trong
ống đạt 0.7 kPa. Áp suất bay hơi của hơi thuỷ ngân trong quá trình hoạt động
của đèn là rất quan trọng và phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của đèn. Áp
suất thông thường của thuỷ ngân trong đèn từ 0,5-1,4 kPa [25].
Hình 1.1. Cấu tạo của đèn huỳnh quang [17].
3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Dưới sự kích thích của các electron được gia tốc bởi điện trường bên
trong thành ống, những nguyên tử thủy ngân bị kích thích. Trong quá trình trở

và Mn
2+
được công bố bởi
Mckeag và cộng sự trong năm 1942. Từ đó bột huỳnh quang halophotphat có
các ion kích hoạt Sb
3+
và Mn
2+
được sử dụng rộng rãi cho sự phát ra ánh sáng
trắng trong bóng đèn huỳnh quang.
1.2.1.1. Cấu trúc mạng nền
Halophotphat với thành phần Ca
5
(PO
4
)
3
X (X = F, Cl) là gần với
hydroxy-apatit, thành phần chính của xương và răng. Apatit có cấu trúc tinh
thể lục giác (hexagonal) và các nguyên tử Ca xuất hiện ở hai vị trí khác nhau.
Các nguyên tử Ca ở vị trí 1 (Ca
I
) có số phối trí 6 và được bao quanh bởi 6
nguyên tử O với độ dài trung bình của liên kết Ca
I
-O là 2,43 Å. Các nguyên
tử Ca ở vị trí 2 (Ca
II
) được bao quanh bởi 6 nguyên tử oxi (độ dài trung bình
của liên kết Ca

5
1.2.1.2. Tính chất phát quang của vật liệu
Bột huỳnh quang halophotphat hoạt hóa bởi Sb
3+
và Mn
2+
hấp thụ bức
xạ tử ngoại từ hơi thủy ngân trong đèn huỳnh quang và phát ra ánh sáng trắng.
Quá trình phát ra ánh sáng trắng được cho rằng có sự hấp thụ bức xạ hơi thủy
ngân ở 254 nm bởi những ion hoạt hóa Sb
3+
và phát ra ánh sáng xanh da trời
(blue). Một phần năng lượng hấp thụ bởi Sb
3+
truyền cho những ion hoạt hóa
Mn
2+
và phát ra ánh sáng đỏ - da cam (red-orange). Những ion Mn
2+
hầu như
không hấp thụ bức xạ của hơi thủy ngân. Sự kết hợp của các ánh sáng xanh da
trời (blue) và đỏ - da cam (red-orange) sinh ra ánh sáng trắng [12].
Hình
1.3. Phổ quang huỳnh quang của canxi halophotphat A: Sb
3+
, B: Mn
2+
, C:
Halophotphat phát ánh sáng trắng [12].
Hình 1.4 cho thấy phổ huỳnh quang của bóng đèn sử dụng bột

bột huỳnh quang hoặc hấp thụ một phần bức xạ kích thích 254 nm của hơi
thủy ngân [23].
1.2.2. Bột huỳnh quang ba màu được hoạt hóa bởi các ion đất
hiếm
Các nguyên tố đất hiếm bao gồm Sc, Y, La và các nguyên tố họ
lantanit. Họ lantanit (Ln) gồm 14 nguyên tố 4f có số thứ tự từ 58 đến 71
trong bảng tuần hoàn Menđêleep. Như vậy, các nguyên tố đất hiếm thuộc
nhóm IIIB và chu kỳ 6 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Cấu hình electron của các nguyên tử nguyên tố đất hiếm có thể được
biểu diễn bằng công thức chung:
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
4f
n

Tb Dy Ho Er Tu Yb Lu
4f
7+2
4f
7+3
4f
7+4
4f
7+5
4f
7+6
4f
7+7
4f
7+7
5d
1
Tính chất hoá học của các ion đất hiếm có hoá trị 3 tương tự nhau vì
lớp vỏ điện tử của chúng đều có cấu hình [Xe]4f
N-1
5d
1
6s
2
. Họ Lantanit bắt
đầu từ nguyên tố La
3+
với lớp vỏ 4f hoàn toàn trống (4f
0
), tiếp đó Ce

Độ rộng của mức đặc trưng cho sự tách vạch trong trường tinh thể của chúng.
Sự phân loại cho trong ký hiệu Russell-Sauders, những nửa vòng tròn xác
định những mức phát xạ [25].
Trong vật liệu thủy tinh, tương tác tĩnh điện giữa ion đất hiếm và
mạng nền chiếm ưu thế. Do đó, các mức năng lượng của ion đất hiếm bị
tách theo hiệu ứng Stark. Chính các mức năng lượng tách vạch Stark này
quyết định đến vùng phổ hấp phụ cũng như đặc tính truyền quang của các
ion đất hiếm.
Khi các ion đất hiếm ở trong trường tinh thể tĩnh, sẽ có hiện tượng tách
các mức năng lượng. Sự tách mức năng lượng do nhiều nguyên nhân, hình
1.6 thể hiện sơ đồ tách mức năng lượng theo các nguyên nhân khác nhau.
9
Hình 1.5. Giản đồ Dieke của các ion đất hiếm [5]
Hình 1.5. Giản đồ Dieke của các ion đất hiếm.
10
- Tách mức do lực nguyên tử: theo vật lý chất rắn và cơ học lượng tử,
khi các nguyên tử ở gần nhau thì chúng sẽ tương tác với nhau và dẫn tới sự
tách mức.
- Tách mức do trường vật liệu nền: khi pha các nguyên tố đất hiếm vào
một mạng nền nào đó, có sự tương tác của trường vật liệu nền với các ion đất
hiếm, làm cho hàm sóng của các ion này bị nhiễu loạn và cũng gây ra sự tách
mức.
- Tách mức do tương tác spin: ion đất hiếm có lớp vỏ 4f chưa được
điền đầy điện tử, dẫn tới hình thành cấu hình điện tử khác nhau với các mức
năng lượng khác nhau do tương tác spin-spin và tương tác spin-quỹ đạo.
Hình 1.6. Sơ đồ tách mức năng lượng.
1.2.2.1. Vật liệu huỳnh quang phát quang ánh sáng xanh nước biển
(La,Gd)PO
4
: Ce