Исследование дозиметрических свойств анионо-дефектного оксида алюминия

4.1 Сверхлинейность дозового выхода ТЛ основного пика при 450 К в анионо-дефектном оксиде алюминия и его связь с ТЛ мелких ловушек

В экспериментах использовались образцы анионодефектного оксида алюминия с различной полушириной дозиметрического пика (38, 40, 56 К). В качестве ионизирующего излучения использовался источник бета - излучения на основе изотопа ⁹⁰Sr/⁹⁰Y с мощностью 0.032 Гр/мин. Шаг увеличения дозы составлял 0.032 Гр. ТЛ регистрировалась до 550 К при скорости нагрева 2 К/с. Следует отметить, что мелкая ловушка, наблюдаемая вблизи 350 К при скорости нагрева 5 К/с, при указанных выше условиях регистрации ТЛ смещается в сторону более низких температур.

Исследования дозовых зависимостей показали, что во всех исследуемых образцах с ростом дозы облучения наблюдается увеличение интенсивности ТЛ как в дозиметрическом максимуме, так и в пике, связанном с мелкими ловушками при 350 К (рисунок 4.1, а). При этом максимум ТЛ при 450 К уширяется и смещается в сторону низких температур. Изменение температурного положения значительнее на образцах с широким пиком (рисунок 4.1, б). В образцах с узким и со средним по ширине дозиметрическим пиком начало насыщения ТЛ при 450 К наступает при дозе около 0.8 - 0.86 Гр. Для образцов с широким дозиметрическим пиком эта доза составляет примерно 0.96 Гр. При этом температурное положение и форма пика при 350 К во всех исследуемых образцах при изменении дозы облучения остаются практически неизменными, что еще раз подтверждает первый порядок кинетики процессов, ответственных за указанный пик. оксид алюминий дозиметрический диэлектрик

На рисунке 4.2, (а, б, c) приведены фрагменты дозовой зависимости интенсивности ТЛ в пиках при 450 К и 350 К для образцов с различной полушириной дозиметрического пика. У образцов с узким и со средним по ширине дозиметрическим пиком начало насыщения пика ТЛ при 350 К наступает при дозе около 0.13 Гр, которая соответствует началу сверхлинейного роста дозиметрического максимума этих образцов (рисунок 4.2, а, б). В образцах с широким дозиметрическим пиком поведение дозовых зависимостей несколько иное. Из рисунка 4.2, (с) видно, что в таких образцах степень сверхлинейности уменьшается и начальный участок сверхлинейности дозиметрического пика при 0.4 Гр существенно превышает дозы, соответствующие началу насыщения пика ТЛ при 350 К. Согласно результатам предыдущего параграфа в образцах с широким дозиметрическим пиком (полуширина более 45 К) интенсивность пика при 350 К мала. На основе этих данных можно предположить, что более линейный характер дозовой зависимости в образцах с широким пиком ТЛ может быть связан с малой концентрацией мелких ловушек, ответственных за пик ТЛ при 350 К.

Рис.4.1, (а). Кривые ТЛ образцов анионодефектного оксида алюминия с узким основным пиком, облученных дозами 0.064 Гр (кривая 1), 0.512 Гр (кривая 2) и 0.896 Гр (кривая 3).

Рис.4.1, (б). Кривые ТЛ образцов анионодефектного оксида алюминия с широким основным пиком, облученных дозами 0.064 Гр (кривая 1), 0.512 Гр (кривая 2) и 0.896 Гр (кривая 3).

4.2, (а). Фрагменты дозовой зависимости выхода ТЛ в пиках при 450 К (1) и 350 К (2) для образцов с узкой полушириной дозиметрического пика

Рис.4.2, (б). Фрагменты дозовой зависимости выхода ТЛ в пиках при 450 К (1) и 350 К (2) для образцов средней полушириной дозиметрического пика

Рис.4.2, (с). Фрагмент дозовой зависимости выхода ТЛ в пиках при 450 К (1) и 350 К (2) для образца с широким дозиметрическим пиком.

В таблице 4.1 приведены коэффициенты сверхлинейности дозовой зависимости основного пика для трех типов образцов с различной шириной КТВ, определенные через отношение размерных функций

,

где S - подынтегральная площадь кривой ТЛ, D- полная доза; D₁ - доза на начальном линейном участке, f(D)- коэффициент сверхлинейности.

Таблица 4.1. Коэффициенты сверхлинейности дозовой зависимости для образцов с разной полушириной пика при 450 К

Из данных таблицы видно, что с уширением дозиметрического пика слабее проявляется сверхлинейность дозовой зависимости, поскольку уменьшается коэффициент f(D). Более чистые кристаллы с узким дозиметрическим пиком имеют обычную дозовую характеристику с заметными проявлениями сверхлинейности при больших дозах. Образцы с широким дозиметрическим пиком ТЛ характеризуются повышенной концентрацией примесных центров и конкуренция, оказываемая ими дозиметрическим ловушкам при захвате носителей заряда проявляется сильнее, что приводит к более линейной дозовой зависимости.

Таким образом, одна из причин сверхлинейности дозовой характеристики пика при 450 К может быть вызвана ослаблением описанной выше конкуренции при захвате носителей заряда со стороны мелких ловушек, ответственных за максимум ТЛ при 350 К после, их насыщения.

Сверхлинейность дозовой зависимости пика ТЛ при 350 К не обнаружена. Это связано с тем, что после насыщения дозовой характеристики основного пика ТЛ при 450 К начинается захват носителей заряда на более глубокие ловушки. В результате, линейный участок дозовой характеристики пика ТЛ при 350 К соответствует диапазону доз, когда существует без ослабления конкурирующий захват носителей на более глубокие ловушки.

Выводы

1. Кривая термовысвечивания анионодефектного оксида алюминия, облученного при 77 К содержит несколько пиков термолюминесценции: 230 К, 260 К, 350 К, 450 К, 600 К.

2. Показано, что существует корреляция между полушириной дозиметрического пика и интенсивностью ТЛ пика при 350 К. Предполагается, что такая корреляция связана с конкуренцией между мелкими и дозиметрическими ловушками при захвате носителей заряда.

3. Кристаллы с одинаковой чувствительностью к ионизирующему излучению могут отличаться различной интенсивностью ТЛ пика при 350 К в результате изменений концентрации ловушек, созданными ионами кремния.

4. При компьютерном моделировании кривых ТЛ дозиметрического пика показано, что наличие мелких ловушек, связанных с примесными ионами титана и кремния, приводит к его уширению, степень которого зависит от концентрации примесей.

5. Выявлено, что насыщение дозовой зависимости максимума ТЛ при 350 К на образцах с узким и средним по ширине дозиметрическим пиком коррелирует с дозой, соответствующей началу участка сверхлинейности дозовой характеристики пика ТЛ при 450 К. В этой связи одна из причин сверхлинейности дозовой характеристики этого пика может быть связана с ослаблением конкуренции при захвате носителей заряда со стороны мелких ловушек после их насыщения.

Библиографический список

1. Carlo Ruberto. Bulk and Surface Structure of Alumina / Carlo Ruberto // Department of Applied Physics Chalmers University of Technology and Goteborg University. - Sweden, 1998. - P.7-9.

2. Crawford J.H. A Review of Neutron Radiation Damage on Corundum Crystals / J.H. Crawford // J. of Nucl. Mat. - 1982. - Vol.108/109. - P.644-654.

3. Draeger B.G. Defects in Unirradiated ?-Al₂O₃ / B.G. Draeger and .P. G. Summers // Phys. Rev. B. - 1979. - Vol.19, №2. - P.1172-1177.

4. Бессонова Т.С. Радиационные процессы в кристаллах корунда / Т.С. Бессонова // Проблемы ядерной физики и космических лучей: Республ. межвед. науч.-тех. сб. - Харьков. Вища школа, 1982. - В.16. - С.3-16.

5. Садыкова Э. Роль мелких ловушек в термолюминесценции анионодефектного оксида алюминия: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. 01.04.07 / Э.З. Садыкова; - Екатеринбург. - 2007..

6. Brewer J.D. Fluorescence of F-center in Sapphire Below 75 K / J.D. Brewer, G.P. Summers // Physics Letters. - 1980. - Vol.76, Nos.3/4. - P.353-354.

7. Simultaneous detection of thermostimulated luminescence and exoelectronic emission between 77 and 650 K: Application to alpha alumina / F. Petel, P. Iacconi, R. Bindi [et all] // Radiat. Prot. Dosim. - 1996. - Vol.65, Nos.1/4. - P.247-250.

8. Mehta S.K. Gamma Dosimetry with Al₂O₃ Thermoluminescent Phosphor / S.K. Mehta and S. Sengupta // Phys. Med. Biol. - 1976. - Vol.21, №6. - P.955-964.

9. On the thermoluminescence Mechanism Non-doped Corundum Monocrystals with Defect Structure / I.I. Gimadova, T.S. Bessonova, I.A. Tale [et all] // Radiat. Prot. Dosim. - 1990. - Vol.33, Nos.1/4. - P.47-50.

10. Люминесценция Ga легированного Al₂O₃ / J.I. Jansons, P.A. Kulis, Z.A. Rachko, M.J. Springis, I.A. Tale, J.A. Valbis // Phys. Stat. Sol. (B). - 1983. - Vol.120. - P.511-518.

11. Особенности термолюминесценции монокристаллов корунда с дефектной структурой / Т.С. Бессонова, Т.И. Гимадова, И.А. Тале и др. // ЖПС. - 1991. - Т.54, №3. - C.433-437.

12. Kortov V.S. Some New Data on Thermoluminescence Properties of Dosimetric ?-Al₂O₃ Crystals / V.S. Kortov and I.I. Milman // Radiat. Prot. Dosim. - 1996. - Vol.65, Nos.1/4. - P.179-184.

13. Evans B. D. A Review of Optical Properties of Anion Lattice Vacancies, and Electrical Conduction in б-Al₂O₃ : Their Relation to Radiation-Induced Electrical Degradation / B. D. Evans // J. of Nucl. Mat. - 1995. - V. 219. - P. 202-223.

14. Milman I.I. An Interactive Process in the Mechanism of the Thermally Stimulated Luminescence of Anion-Defective Al₂O₃ Crystals / I.I. Milman, V.S. Kortov, S.V. Nikiforov // Radiat. Meas. - 1998. - Vol.29, Nos.3/4. - P.401.

15. Chen R. A New Look at the Models of the Superlinear Dose Dependence of Thermoluminescence / R. Chen, G. Fogel and C.K. Lee // Radiat. Prot. Dosim. - 1996. - Vol.65, №1/4. - P.63-68.

16. McKeever S.W.S. Luminescence models / S.W.S. McKeever and R.Chen. // Radiat. Meas. - 1997. - Vol.27, Nos.5/6. - P.625-661.

17. Performance of Pellets and Composites of Natural Colourless Topaz as Radiation Dosimeters / D.N. Souza, J.F. Lima, M.E.G. Valerio and L.V.E. Caldas // Radiat. Prot. Dosim. - 2002. - Vol.100, Nos.1/4. - P.413-416.

18. Chen R. Theory of Thermoluminescence and Related Phenomena / R. Chen, S.W.S. McKeever - Singapore : World Scientific, 1997. - P.85 - 150.

19. Rodine E.T. Electronic defect structure of single crystal ThO₂ by TL / E.T. Rodine. and P.L. Land // Phys. Rev. - 1971. - B.4. - P.2701.

20. Chen R. Interpretation of very high activation energies and frequency factors in TL as being due to competion between centers / R Chen; A HagYahya. // Radiat. Prot. Dosim. - 1996. - Vol.65, Nos.1/4. - P.17-20.

21. Lucas A.C. High Dose TL Response of Al₂O₃ Single Crystals / A.C. Lucas and B.K. Lucas // Radiat. Prot. Dosim. - 1999. - Vol.85, Nos.1/4. - P.455-458.

Размещено на Allbest.ru