Streven. Jaargang 12

[p. 347]

Wetenschappelijke kroniek
Henk Jans S.J.
Het Fluorescerend T.V.-scherm

HET feit dat sommige stoffen, en zelfs dieren zoals de glimworm, bij normale temperaturen licht uitzenden, is lange tijd een haast vermakelijk curiosum geweest. De pioniers die zich desondanks uit louter wetenschappelijk interesse met deze verschijnselen hebben ingelaten konden niet vermoeden dat in zeer korte tijd een heel nieuwe industrie van het fluorescerend materiaal zou ontstaan: daartoe behoort het TV-scherm. Men pleegt in artikelen en bijdragen die een verklaring voorstellen ‘Hoe de TV eigenlijk werkt’ alleen de theoretische en technische aspecten te belichten van de ontleding, de overbrenging en de weergave van het beeld. Hoe en waarom het scherm fluoresceert wordt meestal buiten beschouwing gelaten. Toch is dit een van de meest interessante aspecten van het hele geval, daar de verklaring slechts mogelijk werd door de quantentheorie van de recente fysica.

Wij weten dat de ruimte die een atoom inneemt haast geheel ‘leeg’ is: de grootste massa zit in de kern geconcentreerd en om deze kern zitten één of meerdere electronenschillen met een karakteristieke maximale electronen-bezetting. De gezamenlijke electronenconfiguratie (en het aantal) is typisch voor elk element. Deze planetaire voorstelling van het atoom is natuurlijk slechts een model: een nuttig model wanneer wij tegelijkertijd realiseren dat het onvoldoende is om de verschijnselen te verklaren. Beschouwen wij het eenvoudigste geval van het waterstofatoom, dat slechts één electron heeft, hetwelk, in de modelvoorstelling, zijn baan rond de kern beschrijft. Volgens de klassieke electrodynamica is zulk een electron een electrische oscillator die voortdurend energie uitzendt, in de vorm van licht, en door dit voortdurend energieverlies tenslotte op de kern terugvalt. Volgens de klassieke mechanica moet de snelheid van het electron geleidelijk toenemen wanneer het de kern nadert en moet dus de uitgestraalde energie, in de vorm van licht, een even geleidelijke overgang van de ene naar de andere golflengte vertonen. Welnu, de feiten spreken een andere taal. Het electron valt niet op de kern, zijn baan kan niet geleidelijk alle tussenposities innemen, en zolang het zich op één van de wel voorkomende, bepaalde tussenposities of niveaus bevindt straalt het helemaal geen energie uit. Het licht, dat onder bepaalde voorwaarden toch wordt uitgestraald bevat slechts enkele welbepaalde golflengten. Het was de verdienste van Niels Bohr en Arnold Sommerfeld al deze feiten in één coherente verklaring samen te bundelen. Volgens deze theorie bestaan er rond de kern slechts enkele, welbepaalde energieniveaus: zolang het electron zich op een niveau bevindt zendt het geen energie uit; springt het echter over van een niveau met hogere energie naar een niveau met lagere energie dan zendt het energie uit, en wel licht van een bepaalde golflengte. Met andere woorden: het electron kan in het atoom slechts quantensprongen uitvoeren. Het electron kan echter van een lager energieniveau naar een hoger slechts overgaan door toevoer van energie. Indien dus een dergelijke toevoer van energie plaats vindt (bij voorbeeld door verwarming), waardoor de electronen de energie-rijkere niveaus bereiken, dan zullen deze

[p. 348]

electronen, bij het terugspringen naar een lager niveau, energie in de vorm van licht uitstralen: maar dit licht zal alleen die golflengten hebben welke met de bepaalde quantensprongen overeenkomen. In de grond komt dus de verklaring van de licht-emissie hierop neer: het electron bevindt zich in de normale toestand N op het niveau van de geringste energie, het kan echter, nadat de stof in een toestand van excitatie werd gebracht, een hoger niveau bereiken; springt het van dit niveau weer over naar het normale dan wordt daardoor een golflengte van het uitgezonden licht bepaald¹⁾.

Het is zonder meer duidelijk dat deze verschijnselen, die in het geval van atomaire waterstof weinig gecompliceerd en goed interpreteerbaar zijn, al heel wat ingewikkelder worden, wanneer meerdere electronen in dit proces betrokken zijn. Gaat het echter om moleculen, die twee of meer atomen bevatten, dan wordt het ontcijferen van de daarbij in het leven geroepen energie-niveaus zo lastig, dat het tot nog toe slechts voor enkele bi-atomaire moleculen gelukt is. Waar het tenslotte gaat om fluorescentieverschijnselen van vaste stoffen, die we meer in het bijzonder willen bespreken, dan blijkt de kristalstructuur van het materiaal een overwegend belang te hebben.

1) De betrekking tussen de frequentie van het licht en de energieniveaus wordt uitgedrukt in de formule van Einstein: ν (de frequentie) = 1/h [E(Ex)-E(N)]. Hierin stelt h de constante van Planck voor en E(Ex)-E(N) het energieverschil in de geexciteerde en de normale toestand. hν is de bekende uitdrukking van het lichtquant of foton van Einstein. Zoals men weet bestaat er tussen frequentie en golflengte de betrekking λ (golflengte) = c/ν, waarin c de snelheid van het licht voorstelt.

Luminescentie-verschijnselen

Een wetenschappelijk nauwkeurige terminologie vat al deze verschijnselen samen onder de algemene benaming van luminescentie, waarvan de fluorescentie slechts een bijzonder geval is. Hoewel we natuurlijk ook rekening moeten houden met het gevestigde taalgebruik, dat aan fluorescentie een meer algemene betekenis geeft. Men kan de verschillende luminescenties onderscheiden naar de oorzaken die hen verwekken, want het gaat steeds om het vrij komen van energie in de vorm van lichtgolven, waarbij wij, het zij eens voor altijd vermeld, ook de infrarode en ultraviolette rekenen. Men spreekt dus van fotoluminescentie wanneer de excitatie-energie door een lichtbron zelf geleverd wordt: de stof begint licht uit te zenden omdat ze zelf door licht bestraald werd. Wij kunnen de thermoluminescentie onderscheiden, waarin de excitatie-energie door verhitting geleverd wordt: de stof wordt lichtgevend bij verwarming. Er is ook nog de z.g. radioluminescentie, waarin de excitatie-energie van radioactieve aard is: de stof is luminescent omdat zij aan radioactieve straling blootgesteld is. Er is ook nog de z.g. cathodoluminescentie, waarin een electronenstraal (zoals in een cathodestraalbuis) het luminiscent materiaal exciteert: dat is het geval van het TV-scherm. Men noemt chemoluminescentie, de luminescentie die optreedt bij het verloop van bepaalde chemische reacties; electroluminescentie, de luminescentie bij electrische ontladingen. Men kent zelfs het eigenaardig verschijnsel der g.z. triboluminescentie, waarbij licht wordt uitgestraald op de plaatsen waar een kristal wordt gebroken of verbrijzeld. Een bijzonder geval van chemoluminescentie is de bioluminescentie die bij levende wezens wordt aangetroffen: de toevoer van zuurstof zorgt hier voor de excitatie.

[p. 349]

Wanneer wij echter de aard zelf van de luminescentie beschouwen, welke ook de excitatiebron moge geweest zijn, dan moeten we onderscheiden tussen de fluorescentie in strikte zin en de fosforescentie. We zullen dit verschil bepalen op een wijze die wetenschappelijk niet volkomen juist is, maar die volstaat voor het doel dat wij in deze bijdrage beögen. De fluorescentie treedt slechts op zo lang de excitatiebron inwerkt, de fosforescentie daarentegen blijft een bepaalde tijd duren, ook nadat de stof niet meer geëxciteerd wordt. Nemen wij het zeer alledaagse voorbeeld van de lichtende wijzers van onze moderne wekkers. Hebben wij de wekker in de loop van de dag in het donker opgeborgen en halen wij hem pas 's nachts weer in het donker te voorschijn, dan zal hij geen of nagenoeg geen licht uitstralen: het luminescerende materiaal moet door daglicht of door een lamp de nodige exciterende energie ontvangen. Werden de wijzers echter wel belicht, dan blijven ze nog uren lang in het donker licht uitstralen, al zal meestal de fosforescentie na enkele uren reeds duidelijk zwakker zijn. Zo lang deze verschijnselen eerder een curiosum waren, zocht men vooral stoffen te ontdekken of te bereiden met een zeer groot fosforescerend vermogen. De TV-industrie echter stelt juist andere eisen. Inderdaad, wanneer de electronenstraal dertigmaal per seconde het hele scherm van de ene kant naar de andere en van boven naar onder bestrijkt, opdat de verschillende luminescenties ons punt voor punt het beeld zouden reconstitueren, dan zal er van een coherente beeldvorming helemaal niets terecht komen wanneer het scherm, in de geëxciteerde punten, langer dan één dertigste seconde fosforesceert. Het zal ons dan ook niet verwonderen dat de studie van luminescentieverschijnselen van korte duur (en van de vaste stoffen) in enkele jaren tijd een geweldige uitbreiding heeft genomen.

Laten we nog even twee eenvoudige vormen van fluorescentie beschouwen om ons met de principes vertrouwd te maken. Veronderstellen we dat licht van één bepaalde golflengte het materiaal exciteert en dat de electronen onmiddellijk dezelfde quantensprong teruguitvoeren: er zal licht worden uitgezonden van dezelfde golflengte (kleur, zo het zichtbaar is) als die waarmee bestraald werd. Deze z.g. resonantiefluorescentie, die de eenvoudigste lijkt, komt in werkelijkheid zelden voor. Veel frequenter inderdaad is het volgende geval. We veronderstellen weer dat licht van een bepaalde golflengte, of van een bepaald gebied, bv. het ultraviolet, de stof exciteert, maar nu voeren de geëxciteerde electronen niet dezelfde quantensprong terug uit, maar kleinere quantensprongen, naar tussenliggende energieniveaus, die bij de excitatie in één trek waren overbrugd. In dit geval zal de stof licht uitzenden met geringe frequentie, of, wat op hetzelfde neerkomt, met grotere golflengte: deze fluorscentie van Stokes, door Stokes experimenteel ontdekt en als een wet geformuleerd in 1852, werd door Einstein in 1905 op basis van de quantentheorie verklaard. Vele mineralen in de natuur vertonen deze luminescentie: bij bestraling met ultraviolet licht, voor ons onzichtbaar, zenden ze zelf zichtbaar licht (met grotere golflengte dus) uit, waarbij vaak feeëriek mooie gele, groene en rode kleuren te voorschijn komen, die in vele gevallen typisch zijn voor de mineraalsoort.

De luminescentie van vaste, min of meer kristallijne stoffen vertoont evenwel heel bijzondere kenmerken, die sinds het baanbrekende werk van Lenard, in 1928, met niet meer aflatende ijver bestudeerd werden. In al deze gevallen is de kristalstructuur zelf van zeer groot belang. Zoals bekend is een kristallijne stof

[p. 350]

opgebouwd volgens een regelmatig, driedimensionaal ‘patroon’, de ruimtetralie, waarin we als kleinste bouwsteen de eenheidscel kunnen onderscheiden. In deze cel (en dus in de tralie) bevinden zich een min of meer groot aantal atomen van een of verschillende elementen op bepaalde, vaste punten, volgens een regelmaat en orde, die typisch zijn voor elk kristal.

Een eerste feit, door vele waarnemingen en experimenten bevestigd, kan als volgt samengevat worden: vele vaste stoffen zijn pas luminescent wanneer zij werkelijk kristallijn zijn, en ze zijn het des te meer naar mate hun kristallisatie volmaakter is. Zinksilicaat illustreert dit op treffende wijze. Wordt deze verbinding uit een oplossing neergeslagen als een amorf poeder, dan vertoont dit poeder geen luminescentie; bevorderen we echter, door verwarming van dit poeder, een hergroepering van de atomen in de amorfe massa tot een werkelijke kristalstructuur, dan wordt het materiaal luminescent. De luminescerende produkten die men met de oxiden van calcium, barium en strontium als basismateriaal vervaardigt, geven minder goede resultaten in de mate waarin hun kristallisatie minder volmaakt is: de gebrekkige kristallisatie kan door X-stralen-analyse worden nagegaan.

Een tweede feit is echter ook uiterst belangrijk, zowel voor de theorie als voor de praktijk. Het blijkt dat in vele gevallen de ‘zuivere’ kristallijne stof niet fluoresceert: een nauwkeurige analyse van een wél luminescent kristal wees op de aanwezigheid van bepaalde kleine procenten ‘onzuiverheden’, zonder welke blijkbaar geen luminescentie zou optreden. Zo zijn er verschillende gevallen bekend van fluorescerend calciet, een welbepaalde kristallijne vorm van CaCO₃. Deze fluorescentie echter treedt pas op, wanneer een bepaald procent van de calciumionen in de kristaltralie door mangaan vervangen zijn. Daar de ionenradius van mangaan een beetje kleiner is dan die van calcium, zal de kristaltralie natuurlijk in alle punten waar mangaan het calcium vervangt een lichte vervorming vertonen. Ofschoon fluorescerend calciet nog een tweede onzuiverheid bevat, nl. lood (waarschijnlijk in de vorm van niet geïoniseerde atomen!), volstaat het reeds gezegde toch om ons duidelijk te maken, dat deze onzuiverheden, door Lenard activators genoemd, door hun aanwezigheid in de kristaltralie, een andere verdeling van de energieniveaus der electronen bewerken, die nu ‘gunstig’ geworden is voor het optreden van luminescentie. En het merkwaardig feit dat de meeste activators, wanneer zij een bepaald procent overschrijden, de luminescentie weer doen verdwijnen, kunnen we in het algemeen verklaren als een soort oververzadiging: worden de ‘vervormingen’ te talrijk, dan treedt een nieuw soort evenwicht op, of een vernietiging zelf van de oorspronkelijke tralie, welke niet gunstig meer is voor het luminescentieverschijnsel. De TV-industrie experimenteert op verschillende soorten basismateriaal met activatoren als mangaan, zilver en koper.

Het blijkt dus dat de luminescentieverschijnselen der kristallijne stoffen zeer complex zijn. De kristaltralie van het basismateriaal kan verschillende activators bevatten of ook nog lege punten, ‘fouten’ in de bouw; in elk van deze gevallen zal de verdeling van de energieniveaus van de electronen wijzigingen ondergaan. Zo blijkt bij voorbeeld dat vele fosforescenties van lange duur te wijten zijn aan fouten in de kristaltralie van het basismateriaal: die lege plaats is een ware electronenval, en de electronen die bij de excitatie daarin terecht kwamen, komen slechts ‘één voor één’ weer vrij. Eenzelfde geactiveerd materiaal kan dus tegelijkertijd fluorescerend en fosforescerend zijn, en nog wel met

[p. 351]

uitzending van licht van verschillende golflengten, volgens de quantensprongen die op verschillende plaatsen in het kristal plaats vinden. Urbach was de eerste die aantoonde dat een fosforescentie kon versterkt worden door het toevoegen van een tweede activator, waarbij evenwel, en dit is uit het voorgaande zeer begrijpelijk, andere golflengten in de emissie optraden.

Toepassingen in de televisie

Het TV-scherm bevat dus een luminescerend materiaal en het verschijnsel behoort tot de cathodoluminescentie. De luminescentie mag niet langer duren dan één periode van de beeldvorming en het materiaal moet tevens tegen een electronenstraling bestand zijn zonder te desagregeren. De kleur van het uitgezonden licht moet aangenaam en uitrustend zijn voor het oog. De minst vermoeiende kleur zou geel-groen zijn: maar omdat de mens door de fotografie en de film zo met het zwart-wit vertrouwd is geraakt, verlangt hij meestal een scherm dat zoveel mogelijk een zwart-witverdeling brengt. Maar zulk een materiaal is zeer moeilijk te vervaardigen. Ziehier hoe men in één bepaald geval de moeilijkheid omzeilt. Men neemt zinksulfide ZnS, geactiveerd door zilver, dat kristalliseert als sfaleriet. Dit materiaal zendt licht uit, uit het blauwe frequentiebereik van het zichtbaar spectrum, tussen 4.000 en 5.700 A (golflengte) met een maximale intensiteit voor 4.500 A. Men neemt als tweede ‘fosfor’ (de gebruikelijke benaming van al deze materialen in de engelse taal) een zinkcadmiumsulfide Zn(Cd)S, geactiveerd door zilver. Deze fosfor zendt lichtgolven uit in het bereik van ongeveer 5.000 tot 7.000 A, met een maximale intensiteit in de buurt van 5.700 A, nl. van het groen-geel. Worden nu beide fosfors in gepaste verhoudingen gemengd en op het scherm aangebracht, dan zal de globale lichtindruk die zij, onder excitatie door de electronenstraal, op het menselijk oog maken, al goed op wit gaan lijken. Het ‘witte’ licht van het scherm heeft dus een aanmerkelijk verschillende intensiteitsverdeling van de verschillende golflengten, vergeleken met het echte witte licht waarin alle golflengten van het zichtbaar spectrum ongeveer dezelfde intensiteit hebben.

De luminescentieverschijnselen worden natuurlijk nog heel wat ingewikkelder bij de kleurentelevisie²⁾. Hier interesseert ons slechts het fluoresceren van het scherm zelf in verschillende kleuren. Uit alles wat we reeds vermeld hebben, kunnen we ons voorstellen dat het niet te moeilijk moet zijn om stoffen te bereiden die met een bepaald uitgangsmateriaal en geschikte dosage van een activator, een bepaalde kleur uit het zichtbaar spectrum met voldoende intensiteit door luminescentie weergeven. Een zinksilicaat, willemiet Zn₂SiO₄, met mangaan geactiveerd zorgt bv. voor het groen; het sfaleriet, ZnS met mangaan en magnesiumoxide geactiveerd zorgt voor het blauw, terwijl een zinkfosfaat, Zn₃P₂O₈ met mangaan geactiveerd het rood levert. Veronderstellen we dat we met deze drie fosfors willen werken, dan zijn er in hoofdzaak twee mogelijkheden. Het ontvangtoestel kan drie afzonderlijke schermen bevatten, elk met een bepaalde fosfor bestreken, die reageren op de eveneens duidelijk afgezonderde signalen die voor elke hoofdkleur werden overgebracht: deze drie beelden

2) Cfr. G. Forrez, Kleurentelevisie, in Streven, 1956-1957, blz. 353-360, waarin de theoretische en technische aspecten van de vorming der kleurindrukken in het menselijk oog, van de ontleding, overbrenging en weergave van een gekleurd beeld op het scherm uitvoerig worden behandeld.

[p. 352]

moeten dan nog op een niet luminescerend scherm door optische systemen tot één enkel beeld worden geprojecteerd: deze methode is de meest omslachtige en de duurste. Bij de z.g. sequentiële transmissie van de beelden (cfr. het zo even geciteerde artikel) wordt slechts een gewoon ‘zwart-wit’ scherm van hoge luminositeit vereist, aangezien hier een snel roterende kleurenfilter, vóór het scherm, voor de definitieve kleurindruk zorgt: we gaan er dan ook niet verder op in. Een tweede mogelijkheid om met verschillende fosfors te werken, is buitengewoon interessant, daar in dit geval de drie afzonderlijke electronenstralen van elk der drie hoofdkleuren, tegelijkertijd op een zelfde scherm kunnen worden gericht, dat onmiddellijk het gehele gekleurde beeld weergeeft, dat rechtstreeks bekeken kan worden. Het scherm wordt behandeld op een manier die onweerstaanbaar aan het pointillisme van een Seurat doet denken. De drie fosfors worden, in identiek gerangschikte groepjes van drie punten, op geheel de oppervlakte van het scherm aangebracht: ongeveer 600.000 punten in het geheel. Elk groepje van drie punten is één beeldelement. Aan elk beeldelement beantwoordt één gaatje in een metalen rooster dat evenwijdig met het fluorescerend scherm in het toestel is ingebouwd. De drie electronenbundels, bestemd om uitsluitend de blauwe, groen of rode fosfor volgens de ontvangen signalen te exciteren, worden zo gericht dat ze in ieder gaatje convergeren, om dan, hun eigen richting voortzettend, weer juist te divergeren om de hun voorbestemde fosfor te treffen. Het is duidelijk dat de bouw van een dergelijk toestel een uiterste precisie veronderstelt. Want indien bv. een elektronenbundel van de groene hoofdkleur ook op de blauwe of de rode fosfor kon terechtkomen, kan men de dwaaste kleurencombinaties verwachten. Wie de demonstraties van kleurentelevisie in het paviljoen van de Verenigde Staten op de wereldtentoonstelling heeft gezien, zal ongetwijfeld gemerkt hebben, aangezien hij het uitgezondene tegelijkertijd met de uitzending kon vergelijken, dat de natuurgetrouwheid van de kleuren nog verre van volmaakt is, en dat er zelfs van het ene toestel naar het andere geringe verschillen in de kleurweergave van hetzelfde beeld te bespeuren waren. Wie een beetje inzicht heeft in de zeer complexe processen die zich op het TV-scherm afspelen, zal daardoor niet verwonderd en nog minder geërgerd zijn. Hij zal veeleer verbaasd staan dat er reeds zoveel werd bereikt, dat het fluorescerend scherm al niet meer uit onze samenleving kan weggedacht worden.