Кінетика розподілу електронних збуджень при рентгенівському опроміненні

Метод розрахунку відображає поетапний аналіз фізичних процесів, починаючи з генерації вільних носіїв до повної рекомбінації електронних збуджень, відслідковуючи зміну з часом їх просторових розподілів по центрам. Кінетику процесу РЛ можна розділити на три етапи:

1) Генераційний (t = 0 ё 10-11c) етап, під час якого створюється початковий просторовий розподіл електронних збуджень ({nk(r)} та {ni(r)}).

2) Сцинтиляційний (рекомбінаційний) (t = 10-11 ё 1 с) етап, обумовлений релаксацією збуджених центрів свічення та спустошення мілких пасток.

3) Фосфоресцентний (t > 1 c) етап, коли відбувається делокалізація носіїв із глибоких пасток, їх перезапасання та рекомбінація на центрах свічення.

Аналіз генераційного етапу [24] проводили для трьох випадків, коли в люмінофорі існують: 1) пастки тільки одного типу; 2) два типи пасток (мілкі та глибокі); 3) два типи пасток для електронів і один тип центрів рекомбінації (пастки для дірок). Такий підхід дозволяє аналізувати вплив різних параметрів (енергія рентгенівського кванту, концентрація та співвідношення концентрацій різних центрів, їх перерізи запасання) на початковий просторовий розподіл електронних збуджень, який визначає усі подальші параметри рекомбінації (співвідношення інтенсивностей РЛ різних центрів свічення, затухання фосфоресценції, інтенсивності піків ТСЛ).

Ідея розрахунків полягає в наступному. Вільні носії заряду, рухаючись рівноімовірно в усіх напрямках, будуть послідовно локалізуватися на пастках, а їх загальна кількість (N(r) - для електронів та Р(r) - для дірок) буде поступово зменшуватись при зростанні r. Необхідно розділити простір навколо точки r = 0 на невеликі інтервали та послідовно розраховувати N(r) і концентрацію заповнених пасток n(r) для кожного просторового шару. При локалізації вільних носіїв заряду повинна зберігатися їх загальна кількість, тобто виконуватись рівняння балансу для кожного елементу об'єму dV = 4pr2 dr

Рівняння для імовірності запасання вільних носіїв на пастках (w)

Оскільки ймовірність запасання для кожного носія залежить від концентрації незаповнених пасток, то концентрацію перезаряджених центрів одержуємо після інтегрування від 0 до N(r).

У реальних кристалофосфорах є значно більше ніж два типи пасток. Тому доцільно розглянути такий модельний кристалофосфор, який має лише два типи пасток: перший - створює мілкі, а другий - глибокі локальні рівні в забороненій зоні при даній температурі. В цьому випадку загальне рівняння ймовірності запасання вільних носіїв розпадається на систему двох рівнянь.

Розрахунки ще ускладнюються, якщо в матеріалі є два типи пасток для електронів та один центр рекомбінації, який є пастками для дірок. Збуджений центр свічення виникає при послідовному запасанні спочатку дірки, а потім електрона. Вільні електрони можуть запасатися не тільки на пастки, а також на вже перезаряджені (p) центри рекомбінації, концентрація яких змінюється в процесі запасання дірок. Відповідно з'являється і додатковий параметр s0 - переріз запасання електрона на вже перезаряджений центр рекомбінації.

Вільні дірки можуть локалізуватися тільки на центрах рекомбінації p(r) і їх просторовий розподіл визначається такою ж системою рівнянь, як для електронів при наявності одного типу пасток

Сцинтиляційна (рекомбінаційна) ефективність матеріалу (S0) визначається як співвідношення загальної кількості збуджених центрів свічення до загальної кількості згенерованих електронно-діркових пар при поглинанні одного рентгенівського кванту носіїв по центрах, який створюється за час генераційного етапу, є початковим для наступного сцинтиляційного етапу [25]. На протязі цього етапу протікають два основні фізичні процеси: люмінесценція збуджених центрів свічення та термічна делокалізація носіїв із мілких пасток та їх перезапасання на пастки і перезаряджені центри свічення. Тривалість сцинтиляційного імпульсу визначається ймовірністю спонтанної випромінювальної рекомбінації центрів свічення (t0 - радіаційний час життя збудженого електронного стану центра свічення) та ймовірністю делокалізації носіїв з мілких пасток, яка визначається. Вважаємо, що ймовірність делокалізації носіїв з глибоких пасток та центрів рекомбінації несуттєва (1/t0, W1 >> W2, WP). Зміна просторових концентрацій перезаряджених пасток n1(r) і n2(r), перезаряджених [p(r)-e(r)] та збуджених центрів свічення e(r) чисельно розраховується за проміжок часу

Dt = 0.1Чt0

за який частина збуджених центрів свічення e(r) про рекомбінує.

Сцинтиляційний імпульс закінчується, коли концентрації n1(r) та e(r) досягають нуля. Кінцевий розподіл n2(r) та p(r) є початковим розподілом для наступного етапу - фосфоресценції.

При порівнянні початкового та кінцевого просторових розподілів носіїв по центрах спостерігається збільшення перезаряджених глибоких пасток та зменшення перезаряджених центрів свічення.

Проаналізовано вплив на сцинтиляційний імпульс концентрацій центрів свічення, мілких та глибоких пасток, енергії рентгенівських квантів. Аналіз відносного розподілу термалізованих носіїв (gi) по центрах запасання та рекомбінації показує, що за час сцинтиляційного процесу ці величини не залишаються постійними. Спостерігається незначне збільшення в перезапасанні на пастки за рахунок зменшення запасання на центри рекомбінації, оскільки їх концентрація поступово зменшується. Одержані висновки за своїм характером повністю співпадають з даними експериментальних досліджень сцинтиляційних матеріалів на основі ЛГК, BGO, вольфраматів та інших сцинтиляторів.

Фосфоресценція, як один із видів рекомбінаційної люмінесценції, є найбільш чутливою до наявності різних дефектів у матеріалі. При затуханні Ф відбуваються процеси: термічна делокалізація носіїв з глибоких пасток; перезапасання вільних носіїв на пастки (мілкі та глибокі) та перезаряджені центри свічення; делокалізація носіїв з мілких пасток та перезапасання їх на різні центри; люмінесценція збуджених центрів свічення. Розглянуто дві характерні моделі кристалофосфорів [26]. Перша модель люмінофору є традиційною, коли величина накопиченної світлосуми з часом спадає до нуля. Друга модель люмінофору відрізняється наявністю ще і дуже глибоких пасток для електронів, термічною делокалізацією з яких за час Ф можна знехтувати. В цьому випадку концентрація перезаряджених центрів свічення не зменшується до нуля, а відповідає концентрації електронів на дуже глибоких пастках.

Розрахунки зміни з часом просторових розподілів перезаряджених центрів свічення та пасток проводили за подібними схемами для обох моделей. Інтервал дискретності часу для затухання Ф Dt = 1 с набагато перевищує час генераційного та сцинтиляційного етапів, а також час життя носіїв на мілких пастках та збуджених центрах свічення. За обраний проміжок часу розраховували перерозподіл делокалізованних із глибоких пасток носіїв між центрами свічення і пастками всіх типів. Причому, враховувалась можливість руху вільного носія в усіх напрямках та імовірність його повторної локалізації та делокалізації. Кількість делокалізованих носіїв визначалася постійним відсотком від концентрації заповнених пасток усіх видів в даному інтервалі часу. Тобто потік вільних носіїв теж просторово неоднорідний і при проходженні кожного шару зменшується за рахунок запасання та збільшується за рахунок термічної делокалізації.

В першій моделі розрахунок Ф відбувається до повного спустошення глибоких пасток. У другій моделі кристалофосфору імовірність рекомбінації делокалізованих носіїв на далеких стадіях затухання Ф не буде прямувати до нуля, бо частина носіїв буде залишатись на дуже глибоких пастках. Встановлено вплив основних параметрів кристалофосфорів на інтенсивність та форму кривої затухання Ф. Наявність дуже глибоких пасток у другій моделі прискорює процес Ф, а головне - скорочує час його протікання.

Експериментальні залежності затухання Ф в багатьох люмінофорах описуються гіперболою з показником a < 1. Подібні залежності одержано для найпростішої моделі люмінофора, причому в більш широкому динамічному діапазоні, ніж реально експериментально спостерігають. Це означає, що запропонована модель в цілому адекватно описує фізичні процеси Ф в кристалофосфорах при збудженні їх іонізуючим випромінюванням.

В експериментальних дослідженнях затухання Ф використовують час опромінення t0 = 1ё104 c при інтенсивності збудження до 106 квант/c. При умові, що області релаксації електронних збуджень не перекриваються і люмінесцентне випромінювання не впливає на Ф (відсутня висвічуюча дія люмінесцентного випромінювання), інтенсивність Ф, що реєструється, обумовлена свіченням від усіх областей збуджень, які утворені в різні моменти часу. Розраховані залежності затухання Ф з урахуванням тривалості збудження та його інтенсивності функціонально аналогічні експериментальним. Спостерігається подібність і для залежностей початкової інтенсивності Ф та a від часу рентгенівського збудження. Як приклад наведені експериментальні значення затухання Ф в кристалах Y3Al5O12:Cr3+ при різному часі рентгенівського збудження та теоретично розраховані залежності. Навіть у випадку, коли експериментальні результати показують дуже повільне затухання Ф, можна одержати відповідні теоретичні залежності, які практично співпадають з експериментом, навіть в рамках базової кінетичної моделі РЛ.

Наявність базової кінетичної моделі РЛ дозволяє робити наступні кроки в побудові кінетичної теорії радіолюмінесценції. На досягнутому етапі вже можна проводити порівняння з теорією таких експериментальних залежностей, як амплітуди та форми сцинтиляційного імпульсу, затухання Ф при різних дозах опромінення. Якщо дещо ускладнити модель введеням додаткових типів центрів свічення, то можна проводити порівняння та аналіз співвідношень інтенсивностей відповідних смуг свічення. Запропоновані напрямки досліджень в області радіаційної фізики, коли збуджуюче високоенергетичне випромінювання може створювати нові радіаційні дефекти, для створення кінетичної теорії радіолюмінесценції.

Висновки

В роботі зроблено узагальнення і запропоновано новий підхід до розв'язання проблеми створення кінетичної теорії РЛ, яка необхідна для розробки нових та підвищення інформативності існуючих методів дослідження люмінофорів з використанням рентгенівського збудження. Експериментальні дослідження РЛ, ФЛ, ТСЛ, Ф показали, що при рентгенівському збудженні, яке має локальний характер, не можна застосовувати традиційну кінетичну теорію ФЛ, яка базується на зонній теорії твердого тіла і не враховує просторові координати електронних збуджень. Введення координати необхідно для визначення функції просторового розподілу електронних збуджень при рентгенівському опроміненні. Іншою особливістю рентгенівського збудження, яка робить неможливими математичні розрахунки загальної кінетики релаксації збуджень, є неоднаковість траекторій термалізації високоенергетичних фотоелектронів навіть при поглинанні монохроматичних рентгенівських квантів. Введення "середньостатистичного просторового розподілу електронних збуджень" дозволяє усунути цю проблему та побудувати розрахункову модель РЛ для всього процесу, а також вказати основні напрямки досліджень для створення кінетичної теорії радіолюмінесценції.

Результати дисертаційної роботи поповнюють фундаментальні знання з фізики рентгенолюмінесценції кристалофосфорів і можуть бути застосовані в таких прикладних галузях, як розробка нових систем реєстрації іонізуючого випромінювання, нових детекторів та сцинтиляторів.

Основними висновками роботи є:

1. Встановлено на підставі аналізу експериментальних досліджень РЛ широкого класу матеріалів, зокрема, гранатів (Y3Al5O12), різних модифікацій SiO2 та широкозонних напівпровідників (ZnSe, ZnS, ZnO, CdS), що їх люмінесцентні характеристики залежать від характеру збудження. Увесь процес РЛ, починаючи з моменту поглинання рентгенівського кванту та генерації елементарних електронних збуджень до їх повної релаксації, можна умовно розділити на три етапи: генераційний, сцинтиляційний та фосфоресцентний; на протязі яких домінуючими є різні фізичні процеси.

2. Доведено, що охолодження локальної просторової області люмінофору, де відбувається термалізація фотоелектрона, який виникає при поглинанні рентгенівського кванту, закінчується за час генераційного етапу і не перевищує декількох десятків пікосекунд для більшості люмінесцентних матеріалів.

3. На підставі аналізу температурного згасання люмінесценції в рамках конфігураційної моделі центра свічення показано, що частотний фактор термостимульованих процесів однозначно пов'язаний із часом встановлення термодинамічної рівноваги між ансамблем центрів свічення та матрицею кристалофосфору, а квантовий вихід внутріцентрової люмінесценції обумовлений співвідношенням між величиною енергії температурного згасання люмінесценції та величиною стоксівського зсуву, бо це співвідношення визначає термалізацію збудження.

4. Показано, що використання "середньостатистичного просторового розподілу елементарних електронних збуджень" дозволяє перейти від якісного описання процесів до розрахунків фізичних характеристик РЛ: форми та інтенсивності сцинтиляційного імпульсу, співвідношення інтенсивностей смуг свічення в спектрах РЛ, співвідношення піків ТСЛ, форми кривих затухання Ф.

5. Для кожного етапу процеса РЛ розроблено метод розрахунку динаміки просторових розподілів носіїв по центрах рекомбінації та запасання, що дозволяє визначити основні люмінесцентні характеристики. Система aдекватно описує фізичні процеси РЛ при високоенергетичному збудженні, бо дозволяє одержувати криві затухання Ф, які описуються спадаючими гіперболами з показником a від 0,8 до 2 в широкому динамічному діапазоні, що не описується існуючою кінетичною теорією ФЛ кристалофосфорів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Глинка Ю.Д., Дегода В.Я. Свечение воздуха при рентгеновском возбуждении // ЖПС.- 1992.- т. 56, № 2.- С. 327-330.

2. Грабовский В.В., Гуменюк А.Ф., Дегода В.Я., Зеленский С.Е., Охрименко В.А. Излучательные переходы с терма 4F5/2 иона Nd3+ в YAG // Опт. и спектр.- 1992.- т. 72, № 5.- С.1057-1060.

3. Marazuev Yu.A., Brik A.B., Degoda V.Ya. Radioluminescent dosimetry of a-quartz // Radiat. Measurem.- 1995.- v. 24, № 4.- P. 565-569.

4. Дегода В.Я., Захарченко И.В., Огенко В.М. Влияние окружающей среды на фотолюминесценцию дисперсного SiO2 // ЖПС.- 1999.- т. 66, № 6.- С. 814-818.

5. Кушниренко И.Я., Глинка Ю.Д., Дегода В.Я., Крак Т.Б., Огенко В.М. Люминесцентные свойства ионов уранила (UO22+), адсорбированных на поверхности дисперсного диоксида кремния // ЖПС.- 1993.- т. 59, № 3-4.- С. 286-292.

6. Дегода В.Я., Огенко В.М., Весна Г.В., Науменко С.Н. Рентгено-люминесценция дисперсного SiO2 и пористого кремния // ЖПС.- 1998.- т. 65, № 2.- С. 247-251.

7. Проскура А.И., Дегода В.Я. Спектры рентгенолюминесценции керамики А2В6 // ЖПС.- 1982.- т. 37, № 1, С. 71-74.

8. Проскура А.И., Дегода В.Я., Кияк Б.Р. Спектры голубой люминесценции керамики ZnS-Cu // ЖПС.- 1984.- т. 41, № 6.- С. 1032-1034.

9. Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Проскура А.И. Воздействие рентгеновской радиации на излучательную рекомбинацию керамики ZnSe // Изв. вузов, сер. Физика.- 1989.- № 3.- С. 111-113.

10. Проскура А.И., Гуменюк А.Ф., Дегода В.Я. Рентгенолюминесценция керамики CdS // УФЖ.- 1982.- т. 27, № 9.- С. 1380- 1382.

11. Проскура А.И., Дегода В.Я., Кияк Б.Р. Спектры люминесценции керамики ZnxCd1-xS // ЖПС.- 1994.- т. 61, № 3-4.- С. 226-229.

12. Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Проскура А.И. Влияние облучения протонами на люминесценцию керамики ZnS-Cu // Неорган. матер.- 1995.- т. 31, № 10.- С. 1367-1369.

13. Дегода В.Я., Проскура О.І. Вплив протонного опромінення на запасання оптичного збудження в кераміці ZnS-Cu // УФЖ.- 1995.- т. 40, № 9.- С. 957-958.

14. Проскура А.И., Дегода В.Я. Спектры люминесценции керамики ZnSe // ЖПС.- 1984, т. 40, № 4.- С. 560-563.

15. Проскура А.И., Дегода В.Я., Кияк Б.Р. Спектры излучательной рекомбинации цинк-оксидной керамики // ЖПС.- 1990.- т. 52, № 4.- С. 571-576.

16. Проскура А.И., Дегода В.Я., Кияк Б.Р. О природе свечения керамики ZnS-Cu // ЖПС.- 1988.- т. 49, № 4.- С. 684-686.

17. Гутан В.Б., Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Проскура А.И., Филина Т.П. Люминесценция цинксульфидной керамики с редкоземельными активаторами // ЖПС.- 1990.- т. 53, № 1.- С. 140-143.

18. Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Манжара В.С., Родионов В. Е., Проскура А.И Фото- и рентгенолюминесценция ZnSe // Неорган. матер.- 2000.- т. 36, № 4.- С.1-4.

19. Весна Г.В., Гуцуляк Х.В., Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Манжара В.С.,

Проскура А.И. Рентгенопроводимость поликристаллического селенида цинка // Неорган. матер.- 1997.- т. 33, № 2.- С. 178-180.

20. Дегода В.Я. Імовірність внутріцентрових тунельних переходів з безвипромінювальною рекомбінацією // Вісник Київського університету, Серія фізико-математичні науки, № 2, 2000.- C. 495-504.

21. Дегода В.Я. Температурна залежність квантового виходу внутріцентрової люмінесценції // Вісник Київського університету, Серія фізико-математичні науки, № 3, 2000.- C. 380-480.

22. Дегода В.Я. Згасання блакитної фотолюмінесценції дисрерсного SiO2 // Вісник Київського університету, Серія фізико-математичні науки, № 4, 2000.- C. 425-432.

23. Degoda V.Ya. A model of the spatial distribution kinetics for electron excitation in an X-ray track // УФЖ.- 1999.- т. 44, № 4.- С. 482-486.

24. Дегода В.Я. Розподіл запасання світлосуми та сцинтиляційна ефективність кристалофосфорів при рентгенівському збудженні // УФЖ.- 2000.- т. 45, № 11.- С. 1381-1387.

25. Дегода В.Я. Форма сцинтиляційного імпульсу при рентгенівському збудженні люмінофорів // УФЖ.- 2000.- т. 45, № 12.- С. 1469-1474.

26. Дегода В.Я. Фосфоресценція кристалофосфорів при рентгенівському збудженні // УФЖ.- 2001.- т.46, № 1.- С. 105-112.

27. Artamonova A.A., Degoda V.Ya., Rodionov V.E. ZnSe quality analysis by X-ray luminescence // SPIE.- 1993.- v.2113.- P. 98-103.

28. Artamonova A.A., Degoda V.Ya., Rodionov V.E. Laser-power measurement technique using the relation-ship between intensities of photoluminescence bands // SPIE.- 1995.- v.2648.- P. 403-407.

29. Дегода В.Я., Поперенко О.В. О корректности исследований температурных зависимостей люминесценции // Деп. в ред. УФЖ.- 1989, т.34, № 12.- С.

30. Degoda V.Ya., Brik A.B., Marazuev Yu.A. Temperature dependence of X-ray luminescence of natural and synthetic quartz // Abstract book. of Third European Meeting "Spectroscopic Methods in Mineralogy".- Kiev.- 1996.- p. 19.

31. Degoda V.Ya., Naumenko S.N., Glinka Yu.D., Ogenko V.M. X-ray Luminescence of Disperse SiO2 and Porous Silicon // Abstract book. of Spring Meeting MRS'96.- San Francisco, USA.- 1996.- P7.1

32. Vesna G., Degoda V., Makara V., Ogenko V., Pasechny V. Photoluminescence of porous silicon // Abstract book of Second international school-conference "Physical problems in material science of semiconductors".- Chernivtsi, Ukraine.- 1997.- Р. 251.

33. Kyjiak B.R., Degoda V.Ya., Proskura O.I., Kuchakova T.A. Memory to X-ray and proton irradiation of the ZnS-Cu ceramics // Abstract book of International school-conference "Physical problems in material science of semiconductors" 1995, Chernivtsi, Ukraine, Р. 48.

34. Дегода В.Я., Кияк Б.Р., Проскура А.И. Люминесценция керамических твердых растворов А2В6 // Тез. докл. VII Всесоюзной - I Международной конференции "Физика, химия и технология люминофоров" LUMINOPHOR-92.- Ставрополь.- 1992.- С. 23.

35. Degoda V., Kijak B., Proskura O., Vesna G. Effect of proton irradiation on phosphorescence and thermoluminescence of ZnS // Abstract book. of 3rd International Symposium "Luminescent detectors and transformers of ionizing radiation" (LUMDETR'97).- Ustron, Poland.- 1997.- P1.4.

36. Degoda V., Kijak B., Proskura A., Vesna G. Phosphorescence of proton irradiated ZnS-Cu ceramic // Abstract book. of 9th International Conference on Modern Materials & Technologies (CIMTEC ` 98).- Florence, Italy.- 1998.- K-6: P17.

37. Degoda V., Kijak B., Manzhara V., Rodionov V., Proskura O. Photo- and X-ray luminescence of ZnSe // Abstract book. of Second international school-conference "Physical problems in material science of semiconductors".- Chernivtsi, Ukraine.- 1997.- P. 126.

38. Degoda V., Kijak B., Proskura A., Manzhara V., Rodionov V. Light-blue photo- and X-ray luminescence of ZnSe // Abstract book. of 9th International Conference on Modern Materials & Technologies (CIMTEC ` 98).- Florence, Italy.- 1998.- K-6: P16.

39. Degoda V., Kijak B., Kuchakova T., Manzhara V. The features of phosphorescence, thermostimulated luminescence and conductivity in polycrystalline ZnSe // Abstract book. of Third international school-conference "Physical problems in material science of semiconductors".- Chernivtsi, Ukraine.- 1999.- p. 109.

40. Degoda V. Kinetic model of distribution of electronic excitation in X-ray track // Abstract book of 3rd International Symposium "Luminescent detectors and transformers of ionizing radiation" (LUMDETR'97).- Ustron, Poland.- 1997.- P1.5

41. Degoda V. Model for calculation of the distribution of electron excitations in X-ray track //Abstract book. of Third international school-conference "Physical problems in material science of semiconductors".- Chernivtsi, Ukraine.- 1999.- Р.94.

Анотація

Дегода В.Я. Кінетика розподілу електронних збуджень при рентгенівському опроміненні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю - оптика, лазерна фізика - 01.04.05. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено проблемі створення кінетичної теорії рентгенолюмінесценції. Експериментальні дослідження РЛ, ФЛ, РП, ТСЛ, ТСП, Ф кристалофосфорів (Y3Al5O12, різних модифікацій SiO2, ZnSe, ZnS, ZnO, CdS) показали, що при рентгенівському опроміненні, яке має локальний характер збудження, не можна застосовувати традиційну газокінетичну теорію ФЛ, бо вона не враховує просторові координати електронних збуджень. Запропонована базова кінетична модель РЛ, яка враховує просторову неоднорідність генерації електронних збуджень (екситони та вільні носії заряду) та кінетику змін їх просторових розподілів в часі для сцинтиляційного і фосфоресцентного процесів. Система розрахунку розподілу носіїв по різних центрах дозволяє визначити усі параметри сцинтиляційного процесу та фосфоресценції. Встановлено, що на форму сцинтиляційного імпульсу найбільше впливають ті пастки, для яких імовірність термічної делокалізації близька до імовірності спонтанного переходу збудженого центра свічення. На затухання фосфоресценції найбільше впливає просторовий взаєморозподіл локалізованих носіїв різних знаків. Ця кінетична модель РЛ aдекватно описує фізичні процеси затухання фосфоресценції та дозволяє одержувати криві затухання, які описуються спадаючими гіперболами з показником степеня від 0,8 до 2, що експериментально спостерігається для багатьох люмінофорів при рентгенівському збудженні. Вказані основні напрямки досліджень для створення кінетичної теорії радіолюмінесценції.

Ключові слова: кристалофосфор, рентгенолюмінесценція, сцинтиляція, фосфоресценція, електронні збудження, просторовий розподіл носіїв по центрах рекомбінації та запасання.

Аннотация

Дегода В.Я. Кинетика распределения электронных возбуждений при рентгеновском облучении. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора физико-математических наук по специальности - оптика, лазерная физика - 01.04.05. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2001.

Диссертация посвящена поблеме создания кинетической теории рентгенолюминесценции (РЛ), которая необходима для разработки новых и повышения информативности существующих методов исследования кристаллических люминесцентных материалов с использованием рентгеновского возбуждения.

Проведенный анализ температурного тушения люминесценции в рамках конфигурационной модели центра свечения позволил установить физическую природу частотного фактора, который определяется из исследований термоактивационных процессов. Эта величина является обратной значению времени установления термодинамического равновесия между ансамблем идентичных центров свечения и матрицей кристаллофосфора. Сравнение полученных соотношений для квантового выхода люминесценции с экспериментальными результатами температурного тушения ФЛ показал, что формула Мотта учитывает только надбарьерные переходы, а основной вклад в безызлучательную релаксацию вносят туннельные переходы.

Экспериментальные исследования РЛ, ФЛ, РП, ТСЛ, ТСП, Ф кристалофосфоров (Y3Al5O12, разных модификаций SiO2, ZnSe, ZnS, ZnO, CdS) показали, что при рентгеновском облучении имеет место локальный характер возбуждения и нельзя использовать традиционную газокинетическую теорию ФЛ, которая основывается на зонной теории твердого тела и не учитывает пространственные координаты электронных возбуждений (экситоны и свободные носители заряда). Так, экспериментально установлено, что затухание Ф во многих кристаллофосфорах при рентгеновском возбуждении описывается гиперболой с показателем степени, меньшим единицы, а это принципиально невозможно для кинетической теории ФЛ. Во-вторых, форма кривой затухания Ф однозначно не определяется величиной запасенной светосуммы (кривые затухания Ф могут пересекаться при одинаковой величине накопленной светосуммы), что экспериментально наблюдается в кристаллах ИАГ:Nd3+. В-третьих, кинетика накопления светосуммы при рентгеновском возбуждении в исследованиях ТСЛ и Ф также не описывается традиционной кинетической теорией ФЛ кристаллофосфоров. В-четвертых, для рекомбинационных центров свечения не наблюдается сверхлинейная зависимость интенсивности РЛ от интенсивности возбуждения. В-пятых, экспериментальные исследования сцинтилляционной эффективности дают сублинейную зависимость амплитуды сцинтиляции от энергии возбуждающих квантов. Введение координаты необходимо для определения функции пространственного распределения электронных возбуждений при рентгеновском облучении. Характерной особенностью рентгеновского возбуждения, которая делает невозможными математические расчеты кинетики релаксации электронных возбуждений, является неодинаковость траекторий термализации высокоэнергетических фотоэлектронов даже при поглощении монохроматических рентгеновских квантов. Введение нового понятия "среднестатистического пространственного распределения элементарных электронных возбуждений" позволяет устранить эту проблему и построить базовую кинетическую модель РЛ, которая описывает динамику пространственного распределения электронных возбуждений с момента их генерации до полной релаксации.

Для создания кинетической модели РЛ необходимо было установить пространственное распределение температуры в области поглощения рентгеновского кванта, поскольку вероятность делокализации носителя из ловушки экспоненциально зависит от температуры. Полученное распределение DT(r,t) показывает, что для многих люминофоров охлаждение области возбуждения происходит за несколько десятков пикосекунд и при анализе кинетики РЛ локальным разогревом можно пренебречь.

Весь процесс рентгенолюминесценции подразделяется на три этапа: генерационный (создается начальное пространственное распределение электронных возбуждений); сцинтилляционный (релаксация возбужденных центров свечения и опустошение мелких ловушек); фосфоресцентный (делокализация носителей из глубоких ловушек). Предложены методы расчета среднестатистического начального пространственного распределения носителей заряда по центрам запасания и рекомбинации и кинетика изменений этих распределений во времени для следующих этапов. Рентгеновское возбуждение люминофоров приводит к существенной пространственной неоднородности генерации электронных возбуждений, что обуславливает дальнейшую пространственную неоднородность в распределении носителей по разным центрам. Предложенная система расчета позволяет определить все параметры сцинтилляционного процесса, затухания фосфоресценции и запасания светосуммы по разным ловушкам. Установлено, что на форму сцинтилляционного импульса наибольшее влияние оказывают те ловушки, для которых вероятность термической делокализации близка к вероятности спонтанного излучательного перехода из возбужденного в основное состояние центра свечения. На форму кривой затухания фосфоресценции наибольшее влияние оказывает пространственное взаимораспределение локализованных носителей разных знаков. Кинетическая модель адекватно описывает физические процессы затухания фосфоресценции и позволяет получить гиперболические кривые затухания с показателями степени от 0,8 до 2, что экспериментально наблюдается для многих кристаллофосфоров при рентгеновском возбуждении. Указаны основные направления исследования для создания кинетической теории радиолюминесценции.

Ключевые слова: кристаллофосфор, рентгенолюминесценция, сцинтилляция, фосфоресценция, електронные возбуджения, пространственное распределение носителей заряда по центрам рекомбинации и запасания.

Annotation

Degoda V.Ya. The kinetic spatial distribution excitation of crystallophosphors by X-ray irradiation - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of doctor of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.05. - Optics, laser physics, Kyiv National Taras Shevchenko university, Kyiv, 2001.

The dissertation is devoted to the problem of creation of kinetic theory of X-ray luminescence (XRL). The experimental investigations of XRL, PL, XRC, TSL, TSC, Ph of phosphor material (Y3Al5O12, different modifications of SiO2, ZnSe, ZnS, ZnO, CdS) under applying of X-ray irradiation, which has local nature of excitation, showed that it is impossible to use the traditional kinetic theory of PL, since it left out of account the spatial coordinate of electronic excitations. The basic kinetic model of X-ray luminescence suggested in this work takes into account the spatial inhomogenious generation of electronic excitations (excitons and free charge carriers) and the kinetic of time variation of spatial distributions for scintillation and phosphorescent processes. The calculation system of distribution of carrieres over the different centers permits to determine all parameters of scintillation and phosphorescence processes. It is found that the greatest influence on the form of scintillation pulse is rendered with those traps, for which the probability of thermal delocalization is close to probability of spontaneous radiation of recombination center. The form of the phosphorescence function is greatly affected by the spatial distribution of the localized carriers of different signs. The physical processes of the phosphorescence by X-ray excitation are adequately described by the suggested kinetic model, which allows to receive hyperbolic curve attenuation with the parameters of degree from 0,8 up to 2, that are observed experimentally for various luminophors under X-ray irradiation. The main principles of investigations in constructing of the kinetic radioluminescence theory were pointed out.

Keywords: phosphor, X-ray luminescence, scintillation, phosphorescence, electronic excitations, the spatial distribution of charge carriers on over centers of recombination and accumulation.

Размещено на Allbest.ru