Влияние примеси иттербия на термолюминесценцию кристалла NaF-U

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт физики НАН КР

Влияние примеси иттербия на термолюминесценцию кристалла NaF-U

УДК 535.377

А.С. Бекташов, Г.С. Денисов

Аннотация

Исследована термолюминесценция кристаллов NaF-U и NaF-U,Yb. В кристаллах с двойной примесью интенсивность большинства термопиков уменьшается. Показано, что соактиватор иттербий создаёт новый центр захвата, имеющий более сложное строение, чем просто уран с кислородом.

Изучение щелочно-галоидных кристаллов, активированных ураном представляет значительный интерес. Они относятся к классу уникальных полифункциональных материалов. Такие кристаллы исследуются достаточно давно (см. обзор в [1]), поскольку обладают высоким квантовым выходом люминесценции. Особый интерес представляет изучение влияния двойных примесей - U,Me (Me - металл) на оптические свойства монокристаллов LiF и NaF. Вторые примеси могут значительно изменять радиационно-оптические свойства [2]. Некоторые из них (Pb, Тi, Сu, Zn) дают дополнительные пики поглощения и повышают квантовый выход ТЛ, другие (Ni, Со) только перераспределяют интенсивности линий в спектре поглощения кристалла, легированного ураном и уменьшают квантовый выход.

Ионы иттербия входят в узлы щелочных галоидов. Две полосы фотолюминесценци в ЩГК с иттербием обусловлены переходами в одном и том же центре свечения - ионе Yb²⁺ [3]. Другие авторы [4] считают, что иттербий в ЩГК может быть трёхвалентным. Ион иттербия известен тем, что даёт интенсивную, но короткую инфракрасную флюоресценцию, которая используется для создания лазеров. Кристаллы, активированные иттербием (изотоп ¹⁷⁶Yb), представляют также интерес как перспективные сцинтилляционные материалы, пригодные для регистрации нейтрино. В работе [3] описаны оксидные составы, содержащие иттербий. Показано, что реакция взаимодействия нейтрино с ядрами ¹⁷⁶Yb, имеет повышенное сечение. Фторидные составы с иттербием представляются более перспективными для регистрации нейтрино, поскольку они имеют дополнительный канал регистрации нейтрино, связанный с ядрами ¹⁹F, также имеющими повышенное сечение взаимодействия с нейтрино.

Кристаллы фтористого натрия чистые и легированные были выращены усовершенствованным методом Киропулоса в платиновой чашке на воздухе из реактива особой чистоты. Примеси вводили в шихту перед выращиванием кристалла в виде азотнокислого урана и трехбромистого иттербия. Спектральный анализ образцов показал, что в легированных кристаллах содержится урана 0.01 масс%, а иттербия 0,03 масс%. Кристаллы содержат так же небольшое количество других примесей.

Перед измерениями кристаллы отжигали при температуре 600C в течение 1 ч. Образцы размером 1051 мм³ выкалывали по плоскостям спаянности. Кристаллы облучали 1 час при комнатной температуре на аппарате УРС-70 с вольфрамовой рентгеновской трубкой 1БПВ1 - 60 (55 кВ , 10 мА). Спектры поглощения кристаллов измеряли в видимой и ультрафиолетовой области на двухлучевом спектрофотометре SP8-100 (PYE UNICAM). Термолюминесценцию (ТЛ) регистрировали на специальной установке, состоящей из блока нагрева с держателем образцов, фотоумножителя ФЭУ-79, усилителя постоянного тока У5-7 и самопишущего потенциометра КСП-4. Скорость нагрева выдерживалась постоянной - 10 К/мин. Разложение проводили методом наименьших квадратов в среде Matlab 6.5 с использованием встроенных средств нахождения минимума функции нескольких переменных. Полученные решения устойчивы к вариациям начальных приближений параметров.

Были исследованы кристаллы NaF-U и NaF-U,Yb. На рис.1 и 2 показаны спектры термолюминесценции таких кристаллов.

Рис. 1. Термолюминесценция кристаллов NaF-U

Обе термокривые разлагали на составляющие в соответствии с функцией Гаусса. Из сравнения рисунков видно, что при добавлении примеси иттербия интенсивность почти всех термопиков меняется. Это происходит от того, что в кристалле присутствует два иона-активатора и между ними может происходить взаимодействие. Количественные значения параметров термопиков приведены в таблице. В ней кроме местоположения термопика, приведены его высота (Н), полуширина (L) и площадь (S), равная произведению Н · L. Поскольку запасённая в ловушке светосумма характеризуется параметром S, мы рассматривали отношение S₁/ S₂ .

Известно [5], что за пик при 331К ответственны F₂⁺ - центры. При добавлении иттербия их количество уменьшается, поскольку ионы Yb²⁺ и Yb³⁺ являются ловушками электронов. Особенно сильно уменьшается (в 12 раз), а также смещается на 12 К термопик при 375К. Следует отметить, что в других образцах кристалла NaF-U, интенсивности двух первых пиков не очень большие. термолюминесценция кристалл уран иттербий

Рис.2. Термолюминесценция кристаллов NaF-U,Yb

Не меняется площадь пика при 537К. Видимо, этот термомаксимум обусловлен F - центрами [6]. Добавление соактиватора практически не изменяет количество этих центров. Термопик при 468 К резко увеличивается и немного смещается в высокотемпературную область. Видимо, в состав ловушки входят катионные вакансии, которые имеются даже в номинально чистых кристаллах [2]. При добавлении трёхвалентного иттербия количество таких центров растёт. Тоже самое относится и к термопику при 546 К, который увеличивается в 6 раз и смещается на 20 К.

Ранее нами было показано [3], что термомаксимум около 385 К обусловлен разрушением F-центров, образующихся на дорадиационных вакансиях. Добавление трехвалентного иттербия в качестве второй примеси (гетеровалентный изоморфизм) приводит к образованию анионных вакансий, поэтому указанный термопик больше, чем в кристалле без иттербия. За максимум 478 К скорее всего ответственны центры захвата, в состав которых входит кислород [7]. Дополнительное количество кислорода входит при росте кристалла, для компенсации избыточного заряда иттербия.

Были исследованы также спектры поглощения кристаллов фтористого натрия с ураном и с ураном и иттербием в широком интервале длин волн. Наиболее полно изучена зеленая область 510 - 560 нм, где обнаружена и интерпретирована [1-2] тонкая структура. В УФ области находится несколько широких интенсивных полос. Ранее нами было показано, что в необлучённых кристаллах NaF-U образуются ростовые F-центры окраски. На F-полосу накладываются несколько узких полос малой интенсивности при 343, 356 и 362 нм. Эти пики обусловленные, вероятно, электронными переходами. В кристалле NaF-U,Yb сохраняются те же пики поглощения, но их интенсивность значительно уменьшается. Это возможно связано с тем, что ионы иттербия захватывают электронные вакансии, препятствуя образованию F-центров.

Исходя из приведенных результатов можно сделать вывод, что примесь иттербия существенно влияет на интенсивность спектра термолюминесценции кристалла NaF-U . Это может быть связано с тем, что иттербий совместно с ураном и кислородом создаёт новый более сложный центр, чем просто уран с кислородом [1-2] .

Литература

1. Каплянский А. А., Москвин Н. А., Феофилов П. П. Исследование электрических и магнитных серий в спектрах люминесценции щелочных фторидов, активированных шестивалентным ураном // Оптика и спектроскопия. -1964. - т.16. - вып.4. - с.619-624.

2. Кидибаев М.М. Радиационно-стимулированные процессы в кристаллах (Li,Na)F-U,Me // Каракол-Екатеринбург. - 1999. - 220 с.

3. Ивахненко С.С. Спектры поглощения галогенидов калия, содержащих Yb²⁺ // Сб. “Физика конденсированного состояния вещества», Хабаровск. - 1977. - с.29-35.

4. Pedrini C., Dujardin et al. Crystals and thin films for scintillates // Проблемы спектроскопии и спектрометрии. - 2002. - вып. 11. - с.3-29.

5. Кидибаев М. М., Денисов Г. С., Лозовских А. А., Айылчиев Д. А. Исследование термолюминесценции кристаллов фторида натрия, легированных церием // Вестник Иссык-Кульского университета. - 2002. -№6.- с. 5-9.

6. Bhan S. Thermoluminescence of NaF Harshaw Single Crystals Irradiated to Medium Doses // Phys. Stat. Sol. (a). - 1971. - v. 69. - №1. - p.367-376.

7. Thomas G. Stoeby // J. Phys. Chem. Sol. - 1970. - v. 31. - № 6. - p.1291-1294.

Размещено на Allbest.ru