FR2769979A1 - UV sensor having a photoluminescent-doped phosphate glass sheet - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un senseur et un dosimètre pour le rayonnement ultraviolet et des verres photoluminescents pour leur fabrication. The invention relates to a sensor and a dosimeter for ultraviolet radiation and to photoluminescent glasses for their manufacture.
Cette invention se rapporte à la dosimétrie des rayonnements ultraviolets pour la protection de la peau. This invention relates to ultraviolet radiation dosimetry for skin protection.
Pour l'homme, l'effet biologique résultant de l'exposition aux rayonnements ultraviolets naturels ou artificiels dépend de la quantité et de la distribution spectrale du rayonnement incident. Pour cette raison, la dose d'exposition au rayonnement engendrant une réponse photobiologique (érythème UV ou "coup de soleil, pigmentation, cancer de la peau,....) peut être déterminée à l'aide d'un dosimètre à usage personnel. Ce dosimètre est calibré sur la sensibilité spectrale caractéristique des processus photobiologiques. For humans, the biological effect resulting from exposure to natural or man-made ultraviolet radiation depends on the amount and spectral distribution of the incident radiation. For this reason, the dose of exposure to radiation causing a photobiological response (UV erythema or "sunburn, pigmentation, skin cancer, etc.) can be determined using a dosimeter for personal use. This dosimeter is calibrated on the spectral sensitivity characteristic of photobiological processes.
D'après le Rapport Technique de la Commission
Internationale de l'Eclairage (CIE), [l], l'irradiation peut être corrélée à l'effet biologique résultant par une équation du type
où
Ee(x) est le spectre d'irradiance de la source,
Eeff est l'irradiance actinique (la puissance de la dose actinique), et
S(X)rei est le spectre d'action, c'est-à-dire l'efficacité relative du rayonnement à produire un effet biologique particulier dans un certain domaine de longueur d'ondes, normalisée à l'unité à une longueur d'onde de référence X0. According to the Technical Report of the Commission
International Lighting Institute (CIE), [l], irradiation can be correlated with the resulting biological effect by an equation of the type
or
Ee (x) is the irradiance spectrum of the source,
Eeff is actinic irradiance (the potency of the actinic dose), and
S (X) rei is the action spectrum, i.e. the relative efficiency of the radiation to produce a particular biological effect in a certain wavelength range, normalized to unity at a length d X0 reference wave.
La dose actinique d'exposition est donnée par l'expression suivante
où
Heff est la dose actinique d'exposition, égale à une dose de rayonnement monochromatique de longueur d'onde X0, qui produit le même effet biologique que le rayonnement ultraviolet de la source à laquelle le sujet est exposé.The actinic exposure dose is given by the following expression
or
Heff is the actinic exposure dose, equal to a dose of monochromatic radiation of wavelength X0, which produces the same biological effect as ultraviolet radiation from the source to which the subject is exposed.
Des indications de dosimètre UV à usage personnel devraient donc de façon idéale être indépendantes du spectre d'irradiance Ee(X). En conséquence, sa sensibilité spectrale devrait être identique au spectre d'action de l'effet photobiologique considéré. En d'autres termes, il devrait simuler la sensibilité de la peau humaine. Personal UV dosimeter indications should therefore ideally be independent of the Ee (X) irradiance spectrum. Consequently, its spectral sensitivity should be identical to the action spectrum of the photobiological effect considered. In other words, it should simulate the sensitivity of human skin.
La détermination des spectres d'action de la peau humaine a fait l'objet de nombreuses études expérimentales et théoriques au cours des cinquante dernières années (voir par exemple [2] et [3]). La conclusion essentielle et unanimement acceptée de ces travaux est le spectre d'action erythémal défini par McKinley-Diffey comme étant la meilleure réponse idéale de la peau humaine [4]. L'avantage de cette approche par rapport à d'autres est qu'elle prend en compte la partie UVA du spectre, entre 320 et 400 nm, un intervalle particulièrement important pour le seuil érythémal (seuil de "coup de soleil"). D'autres réponses de la peau humaine à l'irradiation ultraviolette, telles que la mélagénèse, l'élastosis photoinduite ou la photocarcinogénèse sont semblables [3]. The determination of the action spectra of human skin has been the subject of numerous experimental and theoretical studies over the last fifty years (see for example [2] and [3]). The essential and unanimously accepted conclusion of this work is the erythema action spectrum defined by McKinley-Diffey as being the best ideal response for human skin [4]. The advantage of this approach over others is that it takes into account the UVA part of the spectrum, between 320 and 400 nm, a particularly large interval for the erythemal threshold (“sunburn” threshold). Other responses of human skin to UV irradiation, such as melagenesis, photoinduced elastosis, or photocarcinogenesis are similar [3].
La plupart des dosimètres UV commercialement disponibles pour le contrôle personnel sont basés sur des polymères [1]. Par exposition aux rayonnements ultraviolets, ils se forment des produits de réaction photochimique qui modifient les propriétés physiques de ces polymères. Par mesure d'une de ces propriétés physiques, on peut en déduire la dose d'exposition. D'autres dosimètres sont encore basés sur les caractéristiques de matériaux thermoluminescents, l'intensité de la thermoluminescence résultante dépendant des doses ultraviolettes absorbées. Most commercially available UV dosimeters for personal monitoring are based on polymers [1]. Upon exposure to ultraviolet radiation, photochemical reaction products are formed which modify the physical properties of these polymers. By measuring one of these physical properties, the exposure dose can be deduced therefrom. Other dosimeters are still based on the characteristics of thermoluminescent materials, the intensity of the resulting thermoluminescence depending on the ultraviolet doses absorbed.
A ce jour, les dosimètres à usage personnel les plus couramment utilisés comprennent un film de polysulfone (PSF) de 40mm d'épaisseur [1]. Le dosage est basé sur la mesure de l'augmentation de l'absorption de ce matériau à 330 nm, lors de son exposition aux UV. The most commonly used personal dosimeters to date include a 40mm thick polysulfone (PSF) film [1]. The assay is based on the measurement of the increase in the absorption of this material at 330 nm, during its exposure to UV.
Les avantages de la polysulfone pour les dosimètres personnels résident dans son insensibilité à l'intensité d'exposition, sa facilité de manipulation et son faible coût. Cependant, ce matériau présente aussi des inconvénients
- un domaine de sensibilité spectrale restreint à l'intervalle compris entre 250 et 330 nm, soit une absence de sensibilité à l'essentiel du domaine des UVA (330400nm). De plus, la réponse spectrale du matériau n'est qu'en accord approximatif avec le spectre d'action érythémale caractéristique
- une dépendance non linéaire en fonction de la dose d'ultraviolets incidents
- un domaine dynamique limité (jusqu'à deux ordres de grandeur).The advantages of polysulfone for personal dosimeters are its insensitivity to exposure intensity, ease of handling and low cost. However, this material also has drawbacks
- a spectral sensitivity range restricted to the interval between 250 and 330 nm, ie an absence of sensitivity to most of the UVA range (330400nm). In addition, the spectral response of the material is only roughly in agreement with the characteristic erythemal action spectrum.
- a non-linear dependence as a function of the dose of incident ultraviolet rays
- a limited dynamic range (up to two orders of magnitude).
Il existe donc un besoin pour des dosimètres à propriétés améliorées. There is therefore a need for dosimeters with improved properties.
L'invention vise à satisfaire ce besoin grâce à une nouvelle approche à la dosimétrie des rayonnements des ultraviolets. The invention aims to meet this need by means of a new approach to ultraviolet radiation dosimetry.
Selon un de ses aspects l'invention a pour objet un senseur UV ayant essentiellement la même réponse spectrale que le spectre d'action érythémale caractéristique, qui est basé sur l'utilisation d'un verre photoluminescent qui convertit la radiation ultraviolette incidente en luminescence visible pouvant être mesurée. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un dosimètre UV incorporant ledit senseur UV. Selon encore un autre aspect, l'invention a pour objet de nouveaux verres photoluminescents nécessaires pour la production des senseurs et dosimètres de l'invention. According to one of its aspects the invention relates to a UV sensor having essentially the same spectral response as the characteristic erythemal action spectrum, which is based on the use of a photoluminescent glass which converts the incident ultraviolet radiation into visible luminescence. that can be measured. According to another aspect, the subject of the invention is a UV dosimeter incorporating said UV sensor. According to yet another aspect, the invention relates to novel photoluminescent glasses necessary for the production of the sensors and dosimeters of the invention.
Plus précisément l'invention concerne un senseur à UV ayant une réponse spectrale proche de la sensibilité de la peau humaine entre 280 et 400 nm, comprenant des moyens de filtrage (1, 2) ne laissant passer que le rayonnement UV incident, une lame (3) de matériau photoluminescent convertissant le rayonnement W en un rayonnement visible et un filtre (4) ne laissant passer que la luminescence visible, caractérisé en ce que ladite lame est constituée d'un verre photoluminescent dont la composition comprend des oxydes constitutifs de verre incluant du P2Ost et des oxydes dopants constitués de Tb203 et de Ce2O3, avec les conditions que les teneurs en P2O5, Tb203 et Ce2O3, exprimées en pourcentages cationiques, satisfassent aux relations suivantes
0,05 S Ce203 S 0,4
2 < Tb203 S 20
P2O5 2 2 (Ce2O3 + Tb203). More precisely, the invention relates to a UV sensor having a spectral response close to the sensitivity of human skin between 280 and 400 nm, comprising filtering means (1, 2) allowing only incident UV radiation to pass, a plate ( 3) of photoluminescent material converting the W radiation into visible radiation and a filter (4) allowing only visible luminescence to pass, characterized in that said plate consists of a photoluminescent glass whose composition comprises constituent oxides of glass including P2Ost and doping oxides consisting of Tb203 and Ce2O3, with the conditions that the P2O5, Tb203 and Ce2O3 contents, expressed as cationic percentages, satisfy the following relationships
0.05 S Ce203 S 0.4
2 <Tb203 S 20
P2O5 2 2 (Ce2O3 + Tb203).
Ce2O3 et Tb203 sont les oxydes dopants, qui combinés à l'oxyde de phosphore, confèrent les propriétés de luminescence adéquates. Ce2O3 and Tb203 are the doping oxides, which combined with phosphorus oxide, provide adequate luminescence properties.
Il faut au moins 0,05 % de Ce203 et 2% de Tb203 pour obtenir un verre ayant un spectre d'action (sensibilité spectrale) approprié et un spectre de luminescence. La présence de plus de 0,48 de Ce2O3 ne fournit pas d'avantages supplémentaires tandis qu'une proportion de plus de 20% de
Tb203 donne une réponse spectrale déformée. Une teneur en
P205 au moins double de la somme des teneurs en Ce203 et
Tb203 est nécessaire pour assurer un environnement structural approprié de cérium et permettre d'obtenir les propriétés de luminescence requises pour l'application visée. On préfère que la teneur en P205 soit égale à au moins 3 fois, et mieux encore au moins 10 fois, la somme des teneurs en Ce203 et Tb203. At least 0.05% Ce203 and 2% Tb203 are needed to obtain a glass with an appropriate action spectrum (spectral sensitivity) and luminescence spectrum. The presence of more than 0.48 of Ce2O3 does not provide additional benefits while a proportion of more than 20% of
Tb203 gives a distorted spectral response. A content of
P205 at least double the sum of the Ce203 contents and
Tb203 is necessary to ensure an appropriate structural environment for cerium and to achieve the luminescence properties required for the intended application. It is preferred that the content of P205 is equal to at least 3 times, and more preferably at least 10 times, the sum of the contents of Ce203 and Tb203.
Les oxydes constitutifs, autres que P205, Tb203 et Ce2O3, complétant la composition des verres utilisés dans l'invention n'ont pas un caractère critique et peuvent être choisis parmi les constituants usuels, formateurs de réseau, inclus dans les verres. A titre d'exemples non limitatifs on peut citer SiO2, B203, A1203, les oxydes alcalino-terreux tels que CaO, SrO, BaO et MgO, les oxydes alcalins tels que Na2O, K2O, Li2O, des oxydes tels que ZrO2,
ZnO, La203, etc. ... L'utilisation des verres dont la composition inclut La203, CaO et Al203 en plus de P205, Tb203 et Ce203, est préféré. Sont particulièrement préférés à ce jour les verres dont la composition consiste, en % cationiques en : 65-77% P205, 2,5-22% La203, 0-7% Au203, 020% CaO, 2-10% Tb203 et 0,05-0,4% Ce203.The constituent oxides, other than P205, Tb203 and Ce2O3, completing the composition of the glasses used in the invention are not critical and can be chosen from the usual constituents, network formers, included in the glasses. By way of nonlimiting examples, mention may be made of SiO2, B203, A1203, alkaline earth oxides such as CaO, SrO, BaO and MgO, alkali metal oxides such as Na2O, K2O, Li2O, oxides such as ZrO2,
ZnO, La203, etc. ... The use of glasses whose composition includes La203, CaO and Al203 in addition to P205, Tb203 and Ce203, is preferred. Are particularly preferred to date glasses whose composition consists of cationic% of: 65-77% P205, 2.5-22% La203, 0-7% Au203, 020% CaO, 2-10% Tb203 and 0, 05-0.4% Ce203.
L'invention concerne également un dosimètre à U.V. comportant un tel senseur et des moyens de dosage du rayonnement visible émis par le senseur, ainsi que les verres photoluminescents mis en oeuvre dans le senseur et le dosimètre de l'invention. The invention also relates to a UV dosimeter comprising such a sensor and means for metering the visible radiation emitted by the sensor, as well as the photoluminescent glasses used in the sensor and the dosimeter of the invention.
L'essentiel de la luminescence générée par les verres de l'invention est localisé dans une bande spectrale étroite, entre 530 et 560 nm. Dans le senseur à UV de l'invention, on obtient une proportionnalité directe entre l'intensité de la radiation ultraviolette incidente et celle de la luminescence résultante. Finalement, l'exploitation du signal de la luminescence (nombre de coups photoniques en temps réel ou cumulé) permet le dosage direct de la puissance de la dose et de la dose de radiation ultraviolette. Most of the luminescence generated by the glasses of the invention is located in a narrow spectral band, between 530 and 560 nm. In the UV sensor of the invention, a direct proportionality is obtained between the intensity of the incident ultraviolet radiation and that of the resulting luminescence. Finally, the exploitation of the luminescence signal (number of photonic pulses in real or cumulative time) allows the direct dosage of the power of the dose and the dose of ultraviolet radiation.
Art antérieur
Des verres photoluminescents contenant du Tb203 et/ou du Ce2O3 comme oxydes dopants sont déjà connus.Prior art
Photoluminescent glasses containing Tb203 and / or Ce2O3 as doping oxides are already known.
US-A-4 134 851 revendique un verre d'aluminophosphate luminescent émettant dans le vert lorsqu'il est excité par un rayonnement UV, qui consiste essentiellement en 25 à 36 moles % de A1203 et de P2O5 pour le reste et qui est dopé par 0,5-1% cationique de Ce3+ et par 6-98 cationiques de Tb3+. Ce verre est utilisé comme enveloppe luminescente pour lampes à mercure. US-A-4,134,851 claims a luminescent aluminophosphate glass emitting in the green when excited by UV radiation, which consists essentially of 25 to 36 mole% of A1203 and P2O5 for the remainder and which is doped with 0.5-1% cationic of Ce3 + and by 6-98 cationic of Tb3 +. This glass is used as a luminescent envelope for mercury lamps.
EP-A-0 199 409 décrit des verres d'aluminoborate et/ou d'aluminosilicate luminescents, constitués d'une matrice formée de 5-65 moles % d'au moins un des oxydes alcalinoterreux BaO, SrO, CaO, ZnO et MgO, de 20-85 moles% d'au moins un des oxydes B203 et SiO2, et de 1-35 moles % d'Al203, de dopants Tb3+ et Ce3+ en une quantité calculée comme Tb2O5 et/ou Ce203, de 0,1 à 10 moles % par rapport à la matrice. EP-A-0 199 409 describes luminescent aluminoborate and / or aluminosilicate glasses, consisting of a matrix formed from 5-65 mol% of at least one of the alkaline earth oxides BaO, SrO, CaO, ZnO and MgO , from 20-85 mole% of at least one of the oxides B203 and SiO2, and from 1-35 mole% of Al203, of dopants Tb3 + and Ce3 + in an amount calculated as Tb2O5 and / or Ce203, from 0.1 to 10 mole% based on the matrix.
Ces verres, qui ne contiennent pas de P2O5, sont utilisés dans des lampes à décharge, des tubes cathodiques et des lasers.These glasses, which do not contain P2O5, are used in gas discharge lamps, cathode ray tubes and lasers.
EP-A-0 265 983 revendique, de façon générale, un verre luminescent constitué d'une matrice formée de SiO2 et de 0 à 0,15 mole de MO par mole de SiO2, où MO est au moins un des oxydes Au203, B203, P2O5, ZrO2, Suc203, Y203, La2O3, Gd2O3, Ln2O3,
ZnO, des oxydes alcalins et alcalino-terreux, et d'au moins un des oxydes activateurs Tb203 et Ce203 en une proportion de 0,75 à 15 moles % par rapport à la matrice. Aucun verre contenant du P2O5 n'est spécifiquement illustré. Ces verres sont décrits comme étant utiles notamment dans des lampes à décharge.EP-A-0 265 983 generally claims a luminescent glass consisting of a matrix formed from SiO2 and from 0 to 0.15 moles of MO per mole of SiO2, where MO is at least one of the oxides Au203, B203 , P2O5, ZrO2, Suc203, Y203, La2O3, Gd2O3, Ln2O3,
ZnO, alkaline and alkaline earth oxides, and at least one of the activating oxides Tb203 and Ce203 in a proportion of 0.75 to 15 mole% relative to the matrix. No glass containing P2O5 is specifically illustrated. These glasses are described as being useful in particular in discharge lamps.
Description détaillée de l'invention
La description qui va suivre faite en se référant aux dessins fera bien comprendre l'invention. Sur les dessins
La figure 1 est un graphique représentant le spectre d'action érythémal CIE comparé à la réponse spectrale de la polysulfone (PSF).Detailed description of the invention
The description which will follow, given with reference to the drawings, will make the invention clearly understood. On the drawings
Figure 1 is a graph showing the erythemal CIE action spectrum compared to the spectral response of polysulfone (PSF).
La figure 2 est une vue schématique d'un dosimètre à
UV selon l'invention.Figure 2 is a schematic view of a dosimeter with
UV according to the invention.
La figure 3 est un graphique illustrant les spectres de transmission des filtres colorés utilisés dans le dosimètre de la figure 2. Figure 3 is a graph illustrating the transmission spectra of the color filters used in the dosimeter of Figure 2.
Les figures 4a et 4b sont des graphiques illustrant la sensibilité spectrale (figure 4a) et le spectre de luminescence d'une lame, de 0,5 mm d'épaisseur, d'un verre photoluminescent dont la composition (en dehors de l'invention) est, en % cationiques : 25% La203, 74,9% P205 et O, 11% Ce2O3. Figures 4a and 4b are graphs illustrating the spectral sensitivity (Figure 4a) and the luminescence spectrum of a slide, 0.5 mm thick, of a photoluminescent glass whose composition (outside the invention ) is, in cationic%: 25% La203, 74.9% P205 and 0.11% Ce2O3.
La figure 5 est un graphique illustrant les réponses spectrales de trois senseurs selon l'invention et le spectre d'action érythémal CIE, et
La figure 6 est un graphique illustrant la courbe de photoréponse d'un senseur à UV selon l'invention en fonction de la dose d'irradiation UV à une longueur d'onde de 315 nm.FIG. 5 is a graph illustrating the spectral responses of three sensors according to the invention and the erythemal CIE action spectrum, and
FIG. 6 is a graph illustrating the photoresponse curve of a UV sensor according to the invention as a function of the UV irradiation dose at a wavelength of 315 nm.
Sur la figure 1 qui représente le spectre d'action érythémal CIE comparé à la réponse spectrale de la polysulfone (PSF), on voit que la polysulfone (PSF) donne une réponse qui ne suit que très imparfaitement le spectre d'action érythémal. In FIG. 1 which represents the erythemal CIE action spectrum compared to the spectral response of the polysulfone (PSF), it can be seen that the polysulfone (PSF) gives a response which only very imperfectly follows the erythemal action spectrum.
Sur la figure 2 est illustré schématiquement un dosimètre à UV conforme à l'invention. In Figure 2 is schematically illustrated a UV dosimeter according to the invention.
Ce dosimètre comprend un senseur à UV et un photodétecteur. Le senseur UV consiste en
- une lame de verre photoluminescent 3 qui convertit la radiation UV incidente en lumière visible, et
- des filtres colorés (1, 2, 4) d'origine commerciale et répertoriés dans le catalogue "Color Optical Glass and
Special Glasses, Moscow, House of Optics, 1990", dont les spectres de transmission caractéristiques sont présentés sur la figure 3. La fonction de ces filtres est de filtrer le rayonnement UV et la lumière visible et d'affiner la réponse spectrale du senseur pour qu'elle coïncide avec le spectre d'action érythémale défini sur la figure 1.This dosimeter includes a UV sensor and a photodetector. The UV sensor consists of
- a photoluminescent glass slide 3 which converts incident UV radiation into visible light, and
- colored filters (1, 2, 4) of commercial origin and listed in the catalog "Color Optical Glass and
Special Glasses, Moscow, House of Optics, 1990 ", whose characteristic transmission spectra are shown in Figure 3. The function of these filters is to filter UV radiation and visible light and to refine the spectral response of the sensor for that it coincides with the erythemal action spectrum defined in Figure 1.
La lame de verre luminescent doit être de faible épaisseur, typiquement entre 0,05 et 0,5 mm, de préférence de 0,1 à 0,2 mm afin de minimiser toute absorption indésirable due à des impuretés telles que le fer Ce3*) normalement présentes dans les verres. The luminescent glass slide should be thin, typically between 0.05 and 0.5mm, preferably 0.1 to 0.2mm in order to minimize any unwanted absorption due to impurities such as Ce3 iron *) normally present in glasses.
Le principe de fonctionnement est comme suit. Le filtre 1 n'autorise que la transmission de la partie ultraviolette du rayonnement incident. En particulier, le domaine spectral entre 250 et 390 nm est transmis sans distorsion, comme le montre la figure 3. Le rayonnement UV ainsi transmis excite la luminescence du verre de la lame 3. Une caractéristique essentielle du présent senseur est que l'intensité de la luminescence est directement proportionnelle à l'irradiance, Eeff, de la source UV incidente. La fonction du filtre 4 est de filtrer toutes les contributions spectrales hormis la bande de luminescence d'intérêt, centrée à 550 nm, qui est ensuite transmise au photodétecteur 5. Le filtre 2 corrige, si besoin est, le spectre d'action du senseur photoluminescent, afin d'optimiser son accord avec le spectre de référence. The principle of operation is as follows. The filter 1 allows only the transmission of the ultraviolet part of the incident radiation. In particular, the spectral range between 250 and 390 nm is transmitted without distortion, as shown in figure 3. The UV radiation thus transmitted excites the luminescence of the glass of the slide 3. An essential characteristic of the present sensor is that the intensity of luminescence is directly proportional to the irradiance, Eeff, of the incident UV source. The function of filter 4 is to filter all spectral contributions except the luminescence band of interest, centered at 550 nm, which is then transmitted to photodetector 5. Filter 2 corrects, if necessary, the action spectrum of the sensor. photoluminescent, in order to optimize its agreement with the reference spectrum.
Le photodétecteur enregistre la luminescence dont l'intensité, I, est proportionnelle à la puissance de la dose actinique du rayonnement UV incident, Eeff. La dose d'exposition UV est donnée par l'expression
où K est un coefficient de calibration. Cette intégration est facilement réalisée par des circuits électroniques classiques couplés à une photodiode.The photodetector records luminescence, the intensity of which, I, is proportional to the power of the actinic dose of the incident UV radiation, Eeff. The UV exposure dose is given by the expression
where K is a calibration coefficient. This integration is easily achieved by conventional electronic circuits coupled to a photodiode.
L'élément-clé du senseur à UV est la lame de verre luminescent. Nous avons découvert que les meilleures caractéristiques de luminescence sont obtenues avec des verres contenant P2O5, Tb203 et Ce203 et satisfaisant aux conditions de concentrations sus-définies qui doivent être observées pour obtenir les propriétés de luminescence adaptées à l'application envisagée. The key element of the UV sensor is the luminescent glass slide. We have discovered that the best luminescence characteristics are obtained with glasses containing P2O5, Tb203 and Ce203 and satisfying the above-defined concentration conditions which must be observed to obtain the luminescence properties suitable for the application envisaged.
La présence simultanée de Ce2O3 et Tub203, à côté de P205, dans le verre s'est révélée critique pour obtenir lesdites propriétés. Des verres comprenant P205 et Ce203 mais pas de Tb203 ont été essayés aussi mais se sont révélés insatisfaisants. A titre comparatif, on a réalisé un senseur à UV basé sur un tel verre constitué de 75% de P2O5 et 25% de La203 et dopé par 0,2% de Ce203. The simultaneous presence of Ce2O3 and Tub203, next to P205, in the glass has been shown to be critical for obtaining said properties. Glasses comprising P205 and Ce203 but no Tb203 have also been tried but have been found to be unsatisfactory. By way of comparison, a UV sensor has been produced based on such a glass consisting of 75% of P2O5 and 25% of La203 and doped with 0.2% of Ce203.
Cependant, comme le montre la figure 4a, le spectre d'action d'un tel senseur à UV est situé dans le domaine spectral compris entre 280 et 340 nm. La figure 4b illustre le spectre de luminescence du même verre et souligne la faible amplitude du décalage de Stokes entre le spectre d'excitation et le spectre d'émission. Le verre dopé au
Ce203 seul n'est donc pas approprié à l'application envisagée, pour laquelle le domaine de sensibilité spectrale visé va de 280 à 400 nm, accompagné d'une luminescence visible séparée.However, as shown in Figure 4a, the action spectrum of such a UV sensor is located in the spectral range between 280 and 340 nm. FIG. 4b illustrates the luminescence spectrum of the same glass and emphasizes the small amplitude of the Stokes shift between the excitation spectrum and the emission spectrum. Glass doped with
Ce203 alone is therefore not suitable for the envisaged application, for which the target spectral sensitivity range is 280 to 400 nm, accompanied by a separate visible luminescence.
Comme résultat des recherches menées, il a été trouvé qu'il fallait aussi ajouter de l'oxyde de terbium à la composition de verre. Le résultat du co-dopage du verre avec des ions Ce3+ et Tb3+ est une augmentation significative du spectre de sensibilité du senseur UV, ainsi que la possibilité de faire coïncider cette sensibilité avec le spectre d'action érythémale de référence. Le co-dopage avec
Ce3+ et Tb3+ de verres contenant du phosphore conduit à un décalage de Stokes de la luminescence plus important et à un domaine de sensibilité étendu jusqu'à 400 nm.As a result of the research carried out, it was found that it was also necessary to add terbium oxide to the glass composition. The result of the co-doping of the glass with Ce3 + and Tb3 + ions is a significant increase in the sensitivity spectrum of the UV sensor, as well as the possibility of making this sensitivity coincide with the reference erythemal action spectrum. Co-doping with
Ce3 + and Tb3 + from glasses containing phosphorus leads to a greater Stokes shift in luminescence and to an extended sensitivity range up to 400 nm.
Les verres de l'invention ont été fabriqués de la façon suivante à partir de matière premières classiques convenablement mélangées. Par exemple, de l'acide phosphorique et de l'alumine hydratée sont des sources adéquates pour les oxydes de phosphore et d'aluminium. La fusion a été réalisée dans des creusets de carbone vitreux pendant 4 heures à 1400-1450"C, sous un flux continu d'azote ou d'argon. Une fois le verre fondu, il a été coulé sur une plaque de graphite et recuit à une température de l'ordre de 500-600"C. A l'issue de cette recuisson, des lames d'épaisseur appropriée à l'invention ont été sciées et polies. Grâce à la bonne luminescence générée par les verres de l'invention, une épaisseur entre 0,1 et 0,2 mm est habituellement suffisante. The glasses of the invention have been manufactured in the following manner from suitably mixed conventional raw materials. For example, phosphoric acid and hydrated alumina are suitable sources for the oxides of phosphorus and aluminum. Melting was carried out in glassy carbon crucibles for 4 hours at 1400-1450 "C, under a continuous flow of nitrogen or argon. After the glass was melted, it was poured onto a graphite plate and annealed. at a temperature of the order of 500-600 "C. At the end of this annealing, blades of thickness suitable for the invention were sawn and polished. Thanks to the good luminescence generated by the glasses of the invention, a thickness between 0.1 and 0.2 mm is usually sufficient.
Des exemples de compositions de verres ayant les propriétés désirées sont présentés dans le Tableau I. Examples of glass compositions having the desired properties are shown in Table I.
Pour fabriquer un senseur UV ayant une sensibilité spectrale semblable à celle de la peau humaine, plusieurs filtres commerciaux ont été utilisés, comme expliqué plus haut. Leurs caractéristiques spectrales sont présentées sur la figure 3. Le dernier composant de l'assemblage est une photodiode commerciale (type BPW-21) qui a été placée en aval du montage schématisé sur la figure 2. To manufacture a UV sensor having a spectral sensitivity similar to that of human skin, several commercial filters have been used, as explained above. Their spectral characteristics are presented in figure 3. The last component of the assembly is a commercial photodiode (type BPW-21) which has been placed downstream of the assembly shown schematically in figure 2.
Les réponses spectrales typiques de trois senseurs à
W fabriqués de la sorte, à partir des verres photoluminescents NO 1 (épaisseur 0,15mm), 19 (épaisseur 0,2 mm) et 20 (épaisseur 0,5 mm) du Tableau 1, est comparée au spectre de sensibilité de la peau humaine sur la figure 5. L'accord entre le spectre de sensibilité de la peau humaine et les réponses spectrales des deux premiers senseurs ci-dessus est excellent, en particulier jusqu'à 380 nm, domaine spectral critique pour l'action érythémale.The typical spectral responses of three sensors to
W made in this way, from the photoluminescent glasses NO 1 (thickness 0.15mm), 19 (thickness 0.2mm) and 20 (thickness 0.5mm) of Table 1, is compared with the skin sensitivity spectrum human in Figure 5. The agreement between the sensitivity spectrum of human skin and the spectral responses of the first two sensors above is excellent, in particular up to 380 nm, critical spectral range for erythemal action.
Nous avons encore déterminé les caractéristiques d'un tel senseur UV en association avec une photodiode permettant de détecter le signal luminescent. La combinaison du verre luminescent (voir courbe 3 de la figure 5) avec des filtres colorés (voir figure 3) et une photodiode BPW-21 permet d'assurer la dépendance linéaire de la photoréponse en fonction de la radiation UV incidente dans un domaine couvrant au moins trois ordres de grandeur (voir figure 6). We have also determined the characteristics of such a UV sensor in association with a photodiode making it possible to detect the luminescent signal. The combination of luminescent glass (see curve 3 in figure 5) with colored filters (see figure 3) and a BPW-21 photodiode ensures the linear dependence of the photoresponse as a function of the incident UV radiation in a covering domain. at least three orders of magnitude (see figure 6).
La limite inférieure de détection du présent senseur, en termes de dose d'irradiation (Heff), est de l'ordre de 2 * 10-4 kJm-2. Cette sensibilité est supérieure d'un facteur 10000 à celle de la polysulfone. The lower limit of detection of the present sensor, in terms of irradiation dose (Heff), is of the order of 2 * 10-4 kJm-2. This sensitivity is greater by a factor of 10,000 than that of polysulfone.
En résumé, le nouveau type de dosimètre UV pour usage personnel, décrit dans la présente invention a les avantages suivants par rapport aux dosimètres commerciaux basés sur une technologie de films organiques
- lecture directe en temps réel (tout en ayant la possibilité d'analyser le signal en cumulé) ;
- essentiellement la même sensibilité spectrale que la peau humaine, telle que décrite par le spectre d'action érythémale standard
- une dépendance linéaire du signal luminescent à la dose ultraviolette incidente ;
- l'absence de dépendance thermique ; et
- un seuil de détection très amélioré. In summary, the new type of UV dosimeter for personal use described in the present invention has the following advantages over commercial dosimeters based on organic film technology.
- direct reading in real time (while having the possibility of analyzing the signal cumulatively);
- essentially the same spectral sensitivity as human skin, as described by the standard erythemal action spectrum
- a linear dependence of the luminescent signal on the incident ultraviolet dose;
- the absence of thermal dependence; and
- a much improved detection threshold.
TABLEAU
BOARD
Composition%
<tb> cationiques <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 10
<tb> La2O3 <SEP> 19,8 <SEP> 17,8 <SEP> 15,6 <SEP> 13,4 <SEP> 11,0 <SEP> 8,5 <SEP> 17,4 <SEP> 15,3 <SEP> 13,1 <SEP> 10,7
<tb> Tb2O3 <SEP> 5,6 <SEP> 5,8 <SEP> 5,9 <SEP> 6,1 <SEP> 6,3 <SEP> 6,5 <SEP> 5,6 <SEP> 5,8 <SEP> 6,0 <SEP> 6,1
<tb> CaO <SEP> 0 <SEP> 2,5 <SEP> 5,2 <SEP> 8,0 <SEP> 11,0 <SEP> 14,2 <SEP> 0 <SEP> 12,5 <SEP> 5,2 <SEP> 8,0
<tb> Al2O3 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 2,5 <SEP> 2,5 <SEP> 2,6 <SEP> 2,7
<tb> <SEP> P2O5 <SEP> 74,4 <SEP> 73,8 <SEP> 73,1 <SEP> 72,4 <SEP> 71,6 <SEP> 70,8 <SEP> 74,4 <SEP> 73,7 <SEP> 73,1 <SEP> 72,4
<tb> Ce2O3 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11 <SEP> 0,11
<tb> TABLEAU (Suite)
Composition%
<tb> cationic <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 10
<tb> La2O3 <SEP> 19.8 <SEP> 17.8 <SEP> 15.6 <SEP> 13.4 <SEP> 11.0 <SEP> 8.5 <SEP> 17.4 <SEP> 15 , 3 <SEP> 13.1 <SEP> 10.7
<tb> Tb2O3 <SEP> 5.6 <SEP> 5.8 <SEP> 5.9 <SEP> 6.1 <SEP> 6.3 <SEP> 6.5 <SEP> 5.6 <SEP> 5 , 8 <SEP> 6.0 <SEP> 6.1
<tb> CaO <SEP> 0 <SEP> 2.5 <SEP> 5.2 <SEP> 8.0 <SEP> 11.0 <SEP> 14.2 <SEP> 0 <SEP> 12.5 <SEP > 5.2 <SEP> 8.0
<tb> Al2O3 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 2.5 <SEP> 2.5 <SEP> 2.6 <SEP> 2 , 7
<tb><SEP> P2O5 <SEP> 74.4 <SEP> 73.8 <SEP> 73.1 <SEP> 72.4 <SEP> 71.6 <SEP> 70.8 <SEP> 74.4 <SEP> 73.7 <SEP> 73.1 <SEP> 72.4
<tb> Ce2O3 <SEP> 0.11 <SEP> 0.11 <SEP> 0.11 <SEP> 0.11 <SEP> 0.10 <SEP> 0.10 <SEP> 0.11 <SEP> 0 , 11 <SEP> 0.11 <SEP> 0.11
<tb> TABLE (Continued)
Composition%
<tb> 11 <SEP> 12 <SEP> 13 <SEP> 14 <SEP> 15 <SEP> 16 <SEP> 17 <SEP> 18 <SEP> 19 <SEP> 20*
<tb> cationiques
<tb> La2O3 <SEP> 8,3 <SEP> 5,7 <SEP> 14,9 <SEP> 12,7 <SEP> 10,4 <SEP> 8,0 <SEP> 5,5 <SEP> 2,8 <SEP> 14,7 <SEP> 4,9
<tb> Tb2O3 <SEP> 6,3 <SEP> 6,5 <SEP> 5,6 <SEP> 5,8 <SEP> 5,9 <SEP> 6,1 <SEP> 6,3 <SEP> 6,5 <SEP> 11,2 <SEP> 22,1
<tb> CaO <SEP> 11,0 <SEP> 14,2 <SEP> 0 <SEP> 2,5 <SEP> 5,2 <SEP> 8,0 <SEP> 11,0 <SEP> 14,2 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> Al2O3 <SEP> 2,8 <SEP> 2,8 <SEP> 5,0 <SEP> 5,1 <SEP> 5,2 <SEP> 5,4 <SEP> 5,5 <SEP> 5,7 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> P2O5 <SEP> 71,6 <SEP> 70,8 <SEP> 74,4 <SEP> 73,8 <SEP> 73,1 <SEP> 72,4 <SEP> 71,6 <SEP> 70,8 <SEP> 73,7 <SEP> 72,9
<tb> Ce2O3 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,11 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,10 <SEP> 0,33 <SEP> 0,06
<tb> * en dehors de l'invention Composition%
<tb> 11 <SEP> 12 <SEP> 13 <SEP> 14 <SEP> 15 <SEP> 16 <SEP> 17 <SEP> 18 <SEP> 19 <SEP> 20 *
cationic <tb>
<tb> La2O3 <SEP> 8.3 <SEP> 5.7 <SEP> 14.9 <SEP> 12.7 <SEP> 10.4 <SEP> 8.0 <SEP> 5.5 <SEP> 2 , 8 <SEP> 14.7 <SEP> 4.9
<tb> Tb2O3 <SEP> 6.3 <SEP> 6.5 <SEP> 5.6 <SEP> 5.8 <SEP> 5.9 <SEP> 6.1 <SEP> 6.3 <SEP> 6 , 5 <SEP> 11.2 <SEP> 22.1
<tb> CaO <SEP> 11.0 <SEP> 14.2 <SEP> 0 <SEP> 2.5 <SEP> 5.2 <SEP> 8.0 <SEP> 11.0 <SEP> 14.2 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> Al2O3 <SEP> 2.8 <SEP> 2.8 <SEP> 5.0 <SEP> 5.1 <SEP> 5.2 <SEP> 5.4 <SEP> 5.5 <SEP> 5 , 7 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb><SEP> P2O5 <SEP> 71.6 <SEP> 70.8 <SEP> 74.4 <SEP> 73.8 <SEP> 73.1 <SEP> 72.4 <SEP> 71.6 <SEP> 70.8 <SEP> 73.7 <SEP> 72.9
<tb> Ce2O3 <SEP> 0.10 <SEP> 0.10 <SEP> 0.11 <SEP> 0.10 <SEP> 0.10 <SEP> 0.10 <SEP> 0.10 <SEP> 0 , 10 <SEP> 0.33 <SEP> 0.06
<tb> * outside the invention
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1528378A1 (en) * | 2003-10-27 | 2005-05-04 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. | Dosimetry using the circadian action spectrum |
WO2011029513A1 (en) * | 2009-09-09 | 2011-03-17 | Rheinmetall Waffe Munition Gmbh | Laser dosimeter |
EP1203412B1 (en) * | 1999-07-30 | 2013-12-25 | OSRAM Opto Semiconductors GmbH | Photodetector for ultraviolet light radiation |
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-
1997
- 1997-10-16 FR FR9712978A patent/FR2769979B1/en not_active Expired - Fee Related
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