Радіаційно-стимульовані процеси в кристалах LiBaF3

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОНЦЕРН "ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ"

ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

РАДІАЦІЙНО-СТИМУЛЬОВАНІ ПРОЦЕСИ В КРИСТАЛАХ LiBaF3

Спеціальність: Фізика напівпровідників і діелектриків

Воронова Валерія Василівна

Харків, 2000 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пошук різних люмінесцентних перетворювачів іонізуючого випромінювання нараховує багато десятків років. Однак практика показала, що ідеальні сенсорні середовища не знайдені ні для жодного з сучасних застосувань. Тому пошук та дослідження нових матеріалів для сцинтиляторів, дозиметрів, запасаючих та лазерних засобів є актуальною проблемою.

Більша частина діелектричних неорганічних перетворювачів випромінювання становить собою двохскладові лужно-галоїдні сполуки. Разом з тим можливості удосконалення таких матеріалів практично вичерпані, а механізми запасання та перетворення в них енергії є класичними. Тому увага дослідників в останні роки поступово перемістилася в область вивчення більш складних систем і, зокрема, трьохскладових сполук. Одним з характерних представників такого роду систем є кристали зі структурою типу АВХ3, де А - іон лужного металу, В - іон лужноземельного металу, Х - галоїдний аніон.

Найбільш показовий приклад флюороперовскіту, це - кристал KMgF3, в якому в залежності від типу активатора реалізуються, здавалось би, несумісні властивості - радіаційна стійкість, необхідна для сцинтиляційних застосувань, та ефективне запасання енергії, необхідне для дозиметричних та лазерних середовищ. Можна б було припустити, що інші кристали з цього класу сполук повинні мати властивості, характерні для перетворювачів іонізуючого випромінювання. Актуальний напрямок - вивчення взаємодії нейтронів з речовиною, підказав, що до складу таких матриць повинні входити іони літію. З точки зору потенційних практичних застосувань кращою була б речовина з досить великою густиною та високим ефективним атомним номером. Виходячи з цих міркувань, об'єктом дослідження був обраний трьохскладовий флюороперовскіт LiBaF3, який має відносно велику густину (5.24 г/см²) та ефективний атомний номер (Z=55). До моменту початку дослідження в літературі знаходили місце лише уривчасті та суперечливі дані про оптичні та сцинтиляційні властивості цього матеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Основні етапи роботи виконані в рамках Державних Науково-дослідних програм НАН України: "Пошук-3" - "Дослідження електронних процесів і природи випромінювальних переходів в монокристалах зі структурою перовскіта" (№ держ. реєстрації 0196U006603), "Прийом" - "Люмінесцентні приймачі та перетворювачі опромінення на основі кристалів LiBaF3" (№ держ. реєстрації 0197V013768), "Аніон" - "Дослідження впливу змішаного (аніон-катіонного) легування на випромінювальні та безвипромінювальні втрати в сцинтиляторах AIBVII і АВХ3" (№ держ. реєстрації 0197V013768).

Мета роботи - комплексне дослідження особливостей випромінювальних та безвипромінювальних характеристик чистих і спеціально легованих кристалів LiBaF3.

В роботі вирішувалися такі завдання:

- розробка методів одержання чистих та легованих монокристалів LiBaF3 з керованою досконалістю структури;

- дослідження абсорбційних та люмінесцентних характеристик кристалів у широкому колі зовнішніх впливів;

- пошук легуючих домішок, ефективно впливаючи на люмінесценцію та запасання енергії;

- дослід радіаційно-наведених дефектів та радіаційно-стимульованих змін властивостей матеріалу;

- визначення ефективності використання кристалів як сцинтиляційних та дозиметричних матеріалів.

Наукова новизна.

Оцінені енергетичні параметри зонної структури кристалу LiBaF3. Досліджені спектрально-кінетичні характеристики валентної та екситонної люмінесценції.

Отримані дані про зміни спектрально-кінетичних параметрів випромінювання при легуванні кристалів LiBaF3 рідкоземельними елементами (Ce, Eu) в широкому інтервалі температур. Виявлено утворення трьох типів центрів світіння в кристалах LiBaF3(Се).

Визначена роль домішок, до складу яких входить кисень та магній, в змінах абсорбційних та люмінесцентних характеристик кристалів. Встановлені оптичні параметри диполів типу О2-va+ або O2-Mg2+ в кристалах LiBaF3.

Отримані дані про радіаційну стійкість кристалів LiBaF3. Виділені власні та домішкові центри забарвлення.

Вивчено вплив O2- та Mg2+ іонів на термічну стійкість власних та домішок радіаційних дефектів, а також на ефективність перетворення запасеної енергії в випромінювальну в активаційних процесах.

Досліджені особливості люмінесценції власних та домішок (пов'язаних з O2- та Mg2+) центрів забарвлення при оптичному збудженні. Встановлено, що стимулююча пострадіаційна дифузія (при Т 200°С) приводить до утворення центрів забарвлення, пов'язаних з магнієм (F2(Mg), F3(Mg), Mg+, Mg0). Виявлено, що таким центрам забарвлення властива інтенсивна люмінесценція як при внутрішньо-центровому збудженні, так і в рекомбінаційному процесах.

Показано, що запасена енергія в кристалах, легованих іонами Се або Eu, звільняється при оптичній стимуляції центрів забарвлення у вигляді характерної люмінесценції.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше проведено комплексне дослідження абсорбційних та люмінесцентних характеристик чистих та РЗ-легованих монокристалів LiBaF3, направлене на виявлення фундаментальних закономірностей люмінесценції та питань, пов'язаних з можливістю використання кристалів як люмінесцентних перетворювачів іонізуючого випромінювання. Показано, що в залежності від типу легуючих домішок монокристали LiBaF3 є перспективним матеріалом для широкої гами застосувань, починаючи від сцинтиляційних і закінчуючи дозиметричними. Встановлено, що легування кристалів LiBaF3 іонами церію дозволяє створити швидкодіючий сцинтилятор (~50 нс), в якому випромінювання зміщене в довгохвильовий (в порівнянні з неактивованими кристалами) діапазон випромінювання (випр=325 нм), зручний для реєстрації традиційними фотоприймачами. Визначено рівень сторонніх домішок (і, насамперед, кисню та магнію), що призводить до випромінювальних та безвипромінювальних втрат сцинтиляційної ефективності.

Термолюмінесцентні параметри легованих іонами магнію кристалів LiBaF3 свідчать про їх потенційно високі дозиметричні якості. Ефективність термостимульованої люмінесценції LiBaF3(Mg) (основний пік ТСЛ при 330єС) в 10 разів вища, ніж у дозиметрів типу LiF(Mg, Ti).

Особистий внесок автора полягає в проведенні експериментів по вивченню абсорбційних та люмінесцентних властивостей чистих та легованих кристалів 1-4, 6, 8-10, вивченню знебарвлення та термостимульованої люмінесценції опромінених зразків 1, 3, 6, 8, 9, у визначенні впливу активаторів на процеси люмінесценції і запасання енергії в кристалах на основі LiBaF3 1-10, участі в обговоренні та аналізі отриманих результатів і формулюванні висновків.

Публікації та апробація роботи. За темою дисертації опубліковано 10 робіт, з яких 6 статей у вітчизняних та іноземних журналах. Результати досліджень доповідались і обговорювались на таких 11 міжнародних конференціях: 18th International Conference on Defects in Insulating Materials (ICDIM'96), 15-19 July, 1996, Winston-Salem, USA, International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (ICL'96), 18-23 August, 1996, Prague, Czech Republic, IEEE Nuclear Science Symposium, 2-9 November, 1996, Anaheim, California, USA, International Conference on Inorganic Scintillators and their Application (SCINT'97), 22-25 September, 1997, Shanghai, China, IEEE Nuclear Science Symposium, 9-15 November, 1997, Albuquerque, USA, 1-й Всеросійський симпозіум з твердотільних детекторів іонізуючих випромінювань (ТТД'97), 28 листопада - 2 грудня, 1997, Єкатеринбург, Росія, Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR'97), 6-10 October, 1997, Ustron, Poland, 10-а конференція з Радіаційної Фізики, 21-25 вересня, 1999, Томськ, Росія, International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (ICL'96), 23-27 August, 1999, Osaka, Japan, International Conference on Inorganic Scintillators and their Application (SCINT'99), 16-20 August, 1999, Moscow, Russia, Urals Workshop on Scintillations Materials and their Application (SCINTMAT'2000), 1-4 February, 2000, Ekaterinburg, Russia.

Структура та об'єм роботи. Дисертація викладена на 129 сторінках тексту, містить 66 рисунків та 18 таблиць, складається з вступу, шести глав, висновків та списку цитованої літератури із 141 найменування.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи.

В першому розділі розглядається сучасний рівень досягнень в області дослідження швидкоплинних процесів, утворення стабільних радіаційних дефектів, запасання енергії при опроміненні в діелектричних сполуках типу АВХ3.

У другому розділі дисертації наводяться методи попереднього синтезу сировини та вирощування монокристалів LiBaF3 методом Бріджмена під тиском аргону в графітових ампулах. Описані основні методики і апаратура вимірювань абсорбційних характеристик кристалів в діапазоні від УФ до ІЧ-області, стаціонарного світіння при фото- та радіо-збудженнях, спектрально-кінетичних люмінесцентних характеристик з часовим розподіленням, а також засоби радіаційного забарвлення кристалів, методи вивчення термічної стійкості центрів забарвлення і термостимульованої люмінесценції.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений вивченню спектрів поглинання та люмінесценції кристалів LiBaF3. Головною метою цих досліджень було визначення параметрів зонної структури матеріалу. Результати вивчення особливостей валентної та екситонної (ОВ) люмінесценції показали, що область випромінювання валентної (ОВ) люмінесценції 190-220 нм, час випромінювальної релаксації - 0.8 нс, люмінесценція автолокалізованих екситонів має максимум світіння при 300 нм, та час затухання 0.6 мкс.

Дослідження спектрів відбивання, люмінесценції і збудження ОВ-світіння, дозволило визначити енергетичні параметри матеріалу і побудувати схему зонної структури. По спектру збудження валентної люмінесценції була оцінена енергетична відстань між зоною провідності та верхньою зоною 5p для Ba2(Ecc), яка приблизно складає 18 еВ. Виміряна при внутрішньо-центровому збудженні ширина смуги ОВ-випромінювання, що відповідає ширині валентної зони, близька до 3.6 еВ, і лежить в області енергій, що визначаються нерівністю:

Де:

Eg2 - енергетична щілина між верхньою остовою зоною та валентною зоною;

h - енергія валентного випромінювання;

Ev - ширина валентної зони.

Виходячи зі спектру відбивання кристалу LiBaF3, було оцінено ширину забороненої зони (Eg1), її величина складає 11.8 еВ.

Енергетична відстань між зоною провідності та верхньою стовною зоною 5p для Ba2(Есс) являє собою суму величин ширини забороненої зони (Eg1). Тому енергетична щілина між верхньою стовною зоною 5p для Ba2+ та валентною зоною (Eg2) складає 2.6 еВ. Із спектрів збудження люмінесценції автолокалізованих екситонів оцінено енергію створення аніонних екситонів в LiBaF3, вона складає ~ 10 еВ.

Порівняння енергетичних параметрів зонних схем кристалів LiBaF3 і BaF2 показало, що вони близькі. Про це свідчать і дані про близькість спектрів валентного та екситонного випромінювання в цих матеріалах.

Отримані дані про енергетичні параметри зонної структури дозволили перейти до вивчення проявів, пов'язаних з випромінювальними та безвипромінювальними процесами перетворення енергії. Як модельні катіонні та аніонні домішки в кристалах LiBaF3 використовувались іони Mg2+ або О2-.

Близькість іонних радіусів магнію і літію (0.74 і 0.68 відповідно) і необхідність компенсації надмірного заряду іону Mg2+ дозволяє вважати, що в LiBaF3(Mg) утворюються диполі типу і. Такого роду дефекти, як правило, значно впливають на особливості захоплення носіїв. Виявилось, що збільшення концентрації магнію від 10-4 до 2*10­3% в LiBaF3(Mg) призводить до значного загашення екситонної люмінесценції. Це пов'язано, насамперед, з утворенням глибоких рівнів захоплення носіїв заряду.

Кисень є характерною аніонною домішкою для всіх галогенидів, і особливо фторидів, і в цьому плані LiBaF3 - не виняток. Введення в кристал іонів кисню призводить до появи смуг поглинання в УФ діапазоні (200-300 нм), що перекриваються зі смугами випромінювання валентної і екситонної люмінесценцій. Це явище викликає реабсорбцію власної люмінесценції. Поряд з цим наявність іонів кисню стимулює появу специфічної люмінесценції в "синій" області спектра (випр=410 нм). Смуга збудження світіння має максимум при 255 нм. Спеціальні експерименти, що проводились на кристалах, одночасно легованих іонами магнію і кисню, свідчать, що в цьому випадку параметри випромінювання трохи змінюються. Світіння зміщено в короткохвильову область (випр.=380 нм), а спектр його збудження складається зі смуг з максимумами 230 нм і 280 нм.

Аналіз отриманих даних дозволив зробити припущення про структуру домішок центрів, що визначають оптичні характеристики “номінально” чистих кристалів. Кисень, імовірніше, входить до кристалів флюороперовскіту у вигляді двовалентного іону, що займає вузол фтору. Міркування про нейтральність дозволяють вважати, що кисневі центри світіння являють собою диполі типу О2-va+. Приведені міркування вказують на те, що в кристалах LiBaF3(О) є диполі О2-va+, в LiBaF3(Mg), а в LiBaF3(Mg,О) можливе утворення усіх вищезгаданих диполів, а також. Центрами світіння є лише ті диполі, до складу яких входить кисень.

Тривалість випромінювальної релаксації при іонізуючому збудженні в обох випадках дуже велика і складає ~ 300 мкс.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу рідкоземельних іонів (Ce3+ або Eu2+) на абсорбційні і випромінювальні процеси в кристалах LiBaF3.

Спектри збудження і люмінесценції кристалів LiBaF3(Ce), виміряні при збудженні швидкими синхротронними імпульсами (0.8 нс) з часовим вікном 50 нс. Світіння активатору (максимум 325 нм) збуджується не тільки в характерних для Се3+ смугах поглинання, але і в областях валентних, електронно-діркових та екситонних переходів.

Час випромінювальної релаксації при внутрішньо-центровому збудженні складає 27 нс, тоді як при іонізуючому збудженні тривалість Се3+- випромінювання затягнута до 50 нс. Збільшення часу затухання радіолюмінісценції свідчить про наявність міграційних втрат при переносі енергії від гратки до активатора.

Встановлено, що одночасна присутність в кристалах домішок церію і кисню призводить до появи додаткової смуги в спектрі люмінесценції (випр=370 нм) із затриманим часом випромінювальної релаксації (70 нс).

Зі зниженням температури від 300 К відбувається поступове загашення світіння при 325 нм, а нижче 150 К з'являється випромінювання в області 275-285 нм з тривалістю затухання меншою ніж 50 нс. Це може бути пов'язано з проявом таких переходів в іоні Се3+, які проявляються найчіткіше в чистих кристалах СеF3 при низьких температурах. Розглядаючи можливі моделі центрів світіння в кристалі LiBaF3(Се), відзначимо наступне. Надмірний заряд Се3+-іонів, що заміщують іони Ba2+, може бути скомпенсованим різноманітно: вакансією літію, між вузловим іоном фтору (), іоном Li+ в вузлі Ba2+, або О2-іоном.

Іншими словами, три типа випромінювання можуть бути пов'язані з наступними диполями. Теоретичні оцінки, проведені з допомогою методу молекулярних кластерів голландськими фізиками, показали, що найбільш енергетично вигідна компенсація заряду іону Се3+ іоном Li+, розміщеним в вузлі барію.

Отримані дані дозволили визначити три основних типи церієвих центрів: найбільш інтенсивна люмінесценція при 300 К (325 нм, 27 нс), пов'язана з центрами, слабке світіння в більш довгохвильовій області (370 нм, 70 нс) - з центрами, а низькотемпературне світіння (285 нм, 50 нс) - з центрами типу. Легування кристалів LiBaF3 європієм призводить до виникнення характерного для двовалентного європію світіння: вузької лінії 361 нм (4f7 перехід) і смуги з максимумом 415 нм (4f65d4f7) з двома довготривалими компонентами затухання 30 і 350 мкс. Збудження активаторної люмінесценції відбувається в області внутрішньо-центрових, електронно-діркових та валентних переходів.

П'ятий розділ дисертації присвячений опису особливостей утворення радіаційних дефектів в кристалах LiBaF3. Основним методом виявлення центрів забарвлення був аналіз спектрів поглинання опромінених кристалів. Спектр наведеного поглинання складається з цілого ряду смуг, що перекриваються, з максимумами в УФ та видимій областях.

Положення смуг поглинання електронних (F, F2 і F3) центрів забарвлення в флюороперовскітах, так само як і в лужно-галоїдних кристалах, підпорядковується емпіричному співвідношенню Мольво-Айві (2). Максимуми смуг (п) для LiBaF3 були розраховані, виходячи із вже відомих даних про поглинання F, F2 і F3 центрів, а також параметрів граток (а) ряду фторидних перовскітів:

Максимум смуги F-центру в LiBaF3 повинен бути при ~ 268 нм. Експериментальні дані показують наявність смуги поглинання при 280 нм, що близько до розрахованих даних. Максимуми поглинання F2 і F3 смуг в LiBaF3 повинні бути в області 440 і 390 нм. Вказані смуги важко виділити в спектрі поглинання через їх перекриття з більш інтенсивними смугами 488 - 625 нм. Виявити смуги F2 і F3-центрів вдалося при дослідженні спектрів збудження їх випромінювання. Виявилось, що максимуми смуг збудження, близькі до розрахованих максимумів смуг поглинання (420 і 380 нм для F2 и F3-центрів відповідно). Відносно природи інтенсивних смуг поглинання в видимій області (480-625 нм) можна сказати наступне. Згідно з, відповідні центри забарвлення мають в LiBaF3 електронну природу. В LiF в області 518 і 540 нм поглинають F4 центри, а при 625 нм - F -центри. Не виключено, що і в кристалах, що досліджуються, вказані смуги пов'язані з центрами такого типу. Характерною особливістю кристалів LiBaF3 є виключно висока ефективність забарвлення: при однакових умовах опромінення концентрація F центрів виявляється в 10 разів вищою, ніж в LiF, і в 104 разів більшою, ніж в BaF2. При цьому накопичення центрів забарвлення з ростом дози опромінення носить аномальний (в порівнянні з двохскладовими сполуками) характер, а саме, концентрація Fn центрів (480-625 нм) значно вища, ніж концентрація первинних F центрів.

Розглядаючи основні причини виявлених ефектів, відзначимо, що вони характерні для першої стадії забарвлення, коли висока ефективність визначається стабілізацією центрів на дорадіаційних дефектах. Саме висока концентрація дорадіаційних дефектів є основою такого роду аномалії. Крім того, на відміну від лужно-галоїдних кристалів, де звичайно дотримується стехіометричне співвідношення компонентів, у кристалах LiBaF3 за рахунок інконгруентного плавлення можливе відхилення від стехіометричного складу. Відхилення від стехіометрії, що досягає в деяких зразках ~ 0.5%, еквівалентно концентрації точкових дефектів ~ 1020 см³. Крім того, як показують розрахунки, специфіка кристалів LiBaF3 така, що в них з однаковою ймовірністю утворюються як дефекти по Шотткі, так і дефекти по Френкелю, причому енергії активації міграції аніонних вакансій (va+) і між вузлових іонів дуже малі і складають 0.16-0.26 еВ. Тому, крім високої ефективності утворення первинних дефектів, слід очікувати і їх більшу рухливість, в результаті чого можуть утворюватись агрегатні центри забарвлення.

Дослідження термічної стабільності центрів забарвлення показало, що в чистих кристалах центри F (280 нм), Fn (480, 526 нм) і V-типу (340 нм) руйнуються одночасно в області 100°С.

Значний вплив на забарвлення кристалів викликає присутність домішок кисню. При опроміненні можливе протікання реакцій:

Збагачення кристалів киснем призводить до збільшення температурної стабільності агрегатних електронних центрів забарвлення (Fn), що поглинають в області 480-526 нм, до 170°С, а також появи додаткового центру забарвлення (330 нм), що руйнується в області 200°С. Візьмемо до уваги, що смуга поглинання в тій же області спектру (330 нм) спостерігалась і в опроміненому кристалі KMgF3(О2-). Причому, на основі циклу абсорбційних і термолюмінесцентних досліджень було показано, що це поглинання відповідає центрам забарвлення, що виникли в результаті захоплення дірки іоном О2-. Можливо, що в кристалах LiBaF3(О2-) має місце аналогічне утворення діркового кисневого центру (О-).

Наявність в кристалах домішок магнію призводить до появи додаткового центру забарвлення, що поглинає при 420 нм. Цей центр руйнується в дві стадії: при 100°С і 260°С. Термічна стійкість F-центрів в LiBaF3(Mg) зростає до 230°С. При більш високих температурах відпалу можна виявити п'ять смуг поглинання з максимумами при 225, 260, 290, 380 і 465 нм. Відповідні їм центри забарвлення дуже стійкі і повністю руйнуються лише при 500°С. Вказана вище різноманітність типів домішок диполів в кристалах, до складу яких входять іони магнію і кисню, призводить до необхідності аналізу можливостей захоплення носіїв заряду кожним із них. У роботі було розглянуто як мінімум сім можливих варіантів радіаційних перетворень диполів в результаті такого роду захоплення. На основі аналізу експериментальних даних можна лише припустити, що електронними можуть бути Fz, Mg+, Mg0-центри, а дірковими - Vz, V, є центри. В останньому шостому розділі дисертації описані особливості випромінювальної релаксації опромінених кристалів LiBaF3 в процесах фото- і термостимуляції, а також люмінесценція центрів забарвлення при внутрішньо-центровому збудженні.

Дослідження термостимульованої люмінесценції (ТСЛ) чистих кристалів показало, що руйнування електронних (280, 488, 526 нм) і діркових (340 нм) центрів забарвлення супроводжується виникненням піку термолюмінесценції при 110°С з енергією термічної активації Ет=1еВ і частотним фактором р0=2*1011-1. Кінетика ТСЛ має мономолекулярний характер, що дозволяє зіставити її з рекомбінацією компліментарних електронних і діркових центрів забарвлення. Мало інтенсивний пік ТСЛ при 190°С пов'язаний з присутністю слідових кількостей домішок кисню. У випадку легування кристалів іонами кисню цей пік стає домінуючим. Кінетика ТСЛ у піку при 190°С носить бімолекулярний характер, що свідчить про його зв'язок з рекомбінацією електронних та діркових кисневих центрів, які генетично непов'язані і знаходяться на значній відстані один від одного. Енергія активації в цьому випадку складає 1.2 еВ.

Спектр термовисвічування близький до спектру внутрішньо-центрової люмінесценції диполів, що свідчить про входження іонів кисню до складу центрів випромінювальної рекомбінації.

У термовисвічуванні опромінених кристалів LiBaF3(Mg), поряд із слабкими піками в області 110°С і 200°С, проявляється дуже інтенсивний високотемпературний пік при 330°С. Для останнього характерна мономолекулярна кінетика. Енергія термічної активації процесу Ет=1.7 еВ, частотний фактор - p0=2.2*1012-1. Спектр термолюмінесценції лежить у "червоній" області спектру 590-660 нм. Потрібно відзначити, що світлосума в кристалах LiBaF3(Mg), що звільняється у процесі нагрівання, в 100 разів більша, ніж у чистих кристалах, і в 10 разів більша, ніж в LiBaF3(О). Порівняння термостимульованої люмінесценції ізодозно опромінених кристалів LiBaF3(Mg) і стандартного дозиметричного монокристалу LiF(Mg,Тi) показало, що інтенсивність запасання енергії в LiBaF3(Mg) в 10 разів вища. Цей факт свідчить про перспективність матеріалу як високотемпературного термолюмінесцентного дозиметру випромінення.

Дослідження спектрів збудження люмінесценції центрів забарвлення в кристалах LiBaF3, як відзначалось вище, дозволило виявити і ідентифікувати положення F2 (420 нм) і F3 (380 нм) смуг.

Встановлено, що обидва типи центрів мають люмінесценцію (645 і 560 нм, відповідно).

Однак, оптична і термічна стійкість цих центрів забарвлення невисокі.

Дослідження люмінесцентних характеристик опромінених кристалів LiBaF3(Mg), з подальшим відпалом вище 200°С, виявило, що фотостимуляція в смугах 380 нм і 465 нм викликає появу інтенсивної люмінесценції при 515 і при 610 нм, відповідно. Природа відповідаючих за люмінесценцію центрів потребує спеціального дослідження, однак, отримані результати свідчать про те, що вони, пов'язані з магнієм і можуть бути F2(Mg), F3(Mg), Mg+ або Mg0-центрами. кристал термічний опромінений

Дослідження фотостимульованої люмінесценції опромінених кристалів LiBaF3, легованих європієм або церієм, показало, що освітлення в області смуг поглинання центрів забарвлення (480-650 нм) викликає інтенсивну характерну для активаторів люмінесценцію (325 нм для Ce3+, 361, 410 нм для Eu2+). Наявність цього ефекту свідчить про можливість використання таких кристалів в якості запам'ятовуючих фосфорів.

ВИСНОВКИ

1. Визначено енергетичні параметри зонної структури кристалів LiBaF3. Досліджено спектрально-кінетичні характеристики валентного і екситонного випромінювання;

2. Показано, що активація кристалів іонами Ce3+ дозволяє створювати три типи центрів люмінесценції, що відрізняються спектрально-кінетичними характеристиками: світіння двох із них виявляється в області 325-370 нм при кімнатній температурі і має час випромінювальної релаксації 30-70 нс. Кристали LiBaF3, леговані церієм, перспективні як сцинтилятори;

3. Отримано дані про абсорбційні і люмінесцентні властивості кристалів LiBaF3, до складу яких входять іони кисню. Запропоновано моделі диполів, до складу яких входить кисень, що обумовлюють повільний компонент рекомбінаційного світіння кристалу LiBaF3;

4. Показано, що наявність диполів типу и в LiBaF3 призводить до зниження виходу валентної та екситонної люмінесценції;

5. Встановлено, що аномально висока ефективність радіаційного забарвлення LiBaF3 визначається високою концентрацією дорадіаційних дефектів. Запропоновано моделі власних та центрів забарвлення;

6. Досліджені особливості запасання енергії в опромінених кристалах LiBaF3. Встановлено, що введення Mg2+ і O2- іонів призводить до утворення глибоких рівнів захоплення. У LiBaF3(Mg) ефективність перетворення запасеної енергії в рекомбінаційну люмінесценцію (пік ТСЛ 330°С) в 100 разів вища, ніж в нелегованих зразках, і в 10 разів вища, ніж у традиційних дозиметричних кристалах LiF(Mg,Ti);

7. Фотостимуляція опромінених і відпалених кристалів LiBaF3(Mg) викликає інтенсивну люмінесценцію центрів забарвлення, пов'язаних з магнієм, в області 515 і 610 нм, можливо F2(Mg), F3(Mg), Mg+, Mg0-центрів. Показано, що запасена при опроміненні енергія в кристалах LiBaF3, активованих європієм або церієм, звільняється у вигляді активаторної люмінесценції при оптичній стимуляції в смугах поглинання Fn-центрів забарвлення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В НАСТУПНИХ РОБОТАХ АВТОРА

1. Gektin A.V., Ivanov N.P., Nesterenko Y.A., Shiran N.V., Voronova V.V. Optical properties of LiBaF3 scintillators // Functional materials. - 1996. - V. 3. - №4. - C. 562-565.

2. Gektin A.V., Shiran N.V., Voronova V.V. Radiation damage in pure and Eu- doped LiBaF3 crystals // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 1997. - V. 44. - №3. - P. 857-860.

3. Shiran N.V., Gektin A.V., Voloshinovski A.S., Voronova V.V. Radiation induced processes in LiBaF3 based crystals // Radiat. Meas. - 1998. - V. 29. - №3-4. - P. 295-298.

4. Gektin A.V., Shiran N.V., Voronova V.V., Voloshinovski A.S., Zimmerer G. Scintillations in LiBaF3(Ce) crystals // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 1998. - V. 45. - №3. - P. 505-507.

5. Gektin A.V., Kamenskih I.A., Kirm M., Mikhailin V.V., Romanenko A.Yu., Shiran N.V., Voronova V.V., Zimmerer G. Optical properties of LiBaF3 - pure and doped with Eu or Ce // Rad. Eff. and Def. in Solids. - 1999. - V. 150. - P. 121-125.

6. Shiran N., Voronova V. Luminescence of oxygen and magnesium containing LiBaF3 crystals // J. Lumin. - 2000. - V. 87-89. - №1-4. - P. 561-563.

7. Воронова В.В., Гектин А.В., Ширан Н.В. Люминесцентные приемники и преобразователи излучений на основе галоидных перовскитов // Труды I Всероссийского симпозиума по твердотельным детекторам ионизирующих излучений ТТД-97. - 1998. Екатеринбург (Россия). - С. 37-45.

8. Gektin A.V., Shiran N.V., Voronova V.V., Voloshinovski A.S., Zimmerer G. Fast scintillators in pure and Ce-doped LiBaF3 // Proc. of Conf. SCINT-97. Int. Conf. on Inorganic Scintillators and their Application. - 1997. Shanghai (China). - P. 121-126.

9. Гектин А.В., Воронова В.В., Иванов Н.П., Комарь В.К., Красовицкая И.М., Нестеренко Ю.А., Ширан Н.В. Центры окраски и запасание энергии в LiBaF3(Mg,O) // Сб. тезисов X конф. по Радиационной Физике. - Томск (Россия). - 1999. - С. 118.

10. Gektin A.V., Komar V.K., Shiran N.V., Voronova V.V. Role of oxygen in energy transfer processes in LiBaF3 based scintillators // Book of Abstract of SCINT'99. - 1999. - Russia (Moskow). - P. 15.

Размещено на Allbest.ru