Радиационные и примесные дефекты в монокристаллах сложных сульфатов щелочных металлов Шаршеев, Каныбек

Введение к работе

Актуальность темы. Физические свойства кристаллов в значительной степени определяются наличием различных дефектов и их структурой. В основе практических применений кристаллов в большинстве случаев также лежит использование свойстз дефектов. В настоящее время ионные кристаллы не только служат основными модельными объектами для фундаментальных исследований в физике твердого тела, но и находят многочисленные практические применения в квантовой и эмиссионной электронике, сшштилляшюнной и термолюминесцеятной технике, для изготовления дозиметров ионизирующих излучений, записи голографического изображения, ' изготовления ячеек памяти в бысггродейстзующих электронно-вычислительных машинах. Широкое применение ядерных реактороз и других источников радиоактивных излучений, требующее обеспечения адекватного радиационного контроля, обусловливают необходимость поиска новых детекторных материалов с повышенными техническими характеристиками, в частности обладающих избирательной чувствительностью к различным видам излучений.

Интерес, вызываемый в этом плане сложными сульфатами щелочных металлов (ССЩМ), обусловлен их высокой радиационной чувствительностью, явно выраженными ионными свойствами, прозрачностью в удобней для исследования области спектра, а также сравнительной легкостью синтеза. Интерес к изучению радиационно-оптических свойств этих соединений стимулируется еще и целым рядом дополнительных обстоятельств.

Во-первых, кристаллы LiNaSO*, L1KSO4 и KNaSO,), имеющие эффек-

тивные атомные номера (^ =11,6; ^эф =14,5 и ^₃<* =14,3), близкие к эффективному атомному номеру биологической (костной) ткани

{і-іф =12), могут представлять интерес для персональной дозиметрии как

абсорбционные или ЭПР- детекторы рентгеновского ихтучения (на фоне у-излучения).

Во-вторых, обладая сильно выраженными пироэлектрическими свойствами, кристаллы Li(NaJC)SC>4 являются перспективными материалами для разработки рабочих веществ, используемых в качестве термоэлектронных эмиттеров.

В-третьих, они также представляют интерес в плане разработки на их осноеє избирательных детекторов тяжелых заряженных частиц на гамма-фоне или избирательных детекторов нейтронов по реакции ⁶Li(n,a)³H на гамма- фоне.

Введение примеси в кристалл вследствие не тождественности примесных и решеточных ионов приводит к образозаншо типов центров, физиче-ские свойства которых в большей іши меньшей степени отличны друг от. друга. Зти отличия определяются не только природой примеси", ко и взаимодействием примеси с окружением. В С.ВЯЗЯ с этим для понимания явлений, происходящих в примесных центрах (поглощение и излучение света, изменение валентности примеси, распад центров), и эффектов их взаимодействия с собственными радиационными центрами кристалла необходимо детально знать структуру примесных центров (ПЦ), их симметрию,.природу ближайшего окружения активатора, параметры взаимодействия с решеточными и локальными колебаниями.

В последнее время ведутся активные поиски кристаллов, содержащих ионы переходных металлов, в частности ионов грушш железа в обычных и аномальных валентных состояниях, для использования в качестве лазерных активных элементов. Перспективными в этом плане являются кристаллы с ионом Сг⁴*. Так как четырехвалентное состояние для хрома является аномальным, исследование воздействия рентгеновского излучения на кристал-

лы ССЩМ с примесью трехвалентного хрома для установления направления изменения валентности, конечного зарядового состояния примеси вызывает определенный интерес. Актуальность темы обусловлена также тем, что ионы трехвалентного хрома используются как рабочие ионы для получения эффекта генерации в области узких. R-линий и в электронно-колебательной полосой как соактиваторы редкоземельных элементов в лазерных средах.

Актуальными остаются вопросы эволюции валентных состояний примесных ионов в твердом теле под влиянием ионизирующих излучений. Такого рода исследования могут дать ценную информацию о строении самих комплексов ионов, симметрии кристаллического поля лигандов и спо-сооах компенсации зарядов.

К моменту качала наших исследований кристаллы сложных сульфатов щелочных металлов совершенно не были изучены в плане радиааионЕкж физики и спектроскопии твердого тела. Воздействие радиации на материалы приводит к изменению их дефектной структуры и, как следствие, физических и химических свойств. Установление природы процессов создания и преобразования дефектной структуры материалов, природы стимулированных радиацией новых эффектов в конденсированных средах, связей ра-диационно-нндуцированной дефектности с изменением свойств материалов являются фундаментальной задачей радиационной физики твердого тела. С другой стороны, возможность управления типом, концентрацией и распределением дефектов создает благоприятные перспективы целенаправленного изменения свойств твердых тел в нужном направлении. Благодаря этому исследование радиационных дефектов имеет важное значение для решения чисто технических прикладных задач. Например, изучение механизмов создания и закономерностей поведения центров окраски, образующихся при радиационных воздействиях на кристаллы, необходимо для

ь-

разработки эффективных кристаллических счетчиков фотонов, радиационных дозиметров, лазерных сред и т. п.

К моменту начала наших исследований не был сделан выбор оптимальных активаторов, обеспечивающих повышенные технические характе-

\ ристики этих кристаллов. Такими активаторами, как показали наши исследования, оказались ионы xpor.ia и меди. Не были изучены оптические и ЗПР- характеристики примесных центров и собственных анионных группировок, их валентное состояние и изменение валентного состояния (ионов хрома и меди и серно-кислородных радикалов) в процессе радиационного воздействия, что важно в плане представлений о состоянии примесных, собственных и радиационных дефектов в кристаллических матрицах.

Цель работы: систематические исследования спектроскопических свойств примесных (Сг*⁺, Сг⁵*, Сг¹⁺, Си²⁺) и радиационных дефектов (особенно серно-кислородных радикалов) в монокристаллах сложных сульфатов щелочных металлов, включающие синтез беспримесных и активированных хромом и медью кристаллов, изучение изменения валентности примесных ионов Сг⁶*, Сг³*, Си ⁺ и анионішх группировок типа SO, при радиационном воздействии и установление взаимосвязи процессов светозапасания', термовысвечивания с образованием и- распадом парамагнитных центров в кристаллах сложных сульфатов щелочных металлов в плане установления механизмов возникновения элементарных дефектов и радикалов, структуры и свойства сложных сульфатов щелочных металлов, эволюции изменения зарядового состояния примесных ионов в них, поиска и создания новых эффективных рабочих веществ для сцинтилляционной, термолюминесцентной и термоэкзоэмиссионной дозиметрии рсіптсновского излучения, я также создания рабочих веществ для термоэлектронных эмиттеров. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

'; 7

\

1. Вырастать монокристаллы LijSQ, Н₂0, LiNaSO^, L1KSO4 и KNaS04

беспримесные к с примесями Сг⁶⁴", Сг⁵*, Сг^и Си²⁺;

1. Исследовать влияние соактиватсроз на спектры поглощения и ЭПР кристаллов сложных сульфатов щєлочньіх металлов с целью поиска оптимальных композиций, обеспечивающих повышенные характеристики разрабатываемых на их основе оптических сред и детекторов многоцелевого назначения;

2. Исследовать изменения спектров поглощения, ЭПР чистых и примесных кристаллов, обусловленных рентгеновским облучением; изучить влияние отжига на спектры облученных кристаллов, исследовать перекос заряда между примесными ионами и серно-кислородными радикалами типа SO_n", проанализировать эволюцию зарядового состоянчя дефектов, исследовать влияние примесей на образование серно-кислородных радикалов при облучении и их разрушении при последующем отжиге;

4. Исследовать спектры рентгенозских эмиссионных линий (К_а-сдвиг)
для уточнения, аттестации зарядового состояния примесных ионов хрома в
облученных кристаллах;

5. Исследовать термосткмулированяую экзоэлекгронную эмиссию
(ТСЭЭ) облученных кристаллов;

6. Исследовать рентгено- и импульсную катодолюминесценции чистых и примесных кристаллов.

7. Провести поиск сцинтилляций в исследуемых системах.

Научная noetaua 1. Впераые методом оптической абсорбционной и ЭПР-спектроскопии проведены систематические исследования кристаллов сложных сульфатов щелочных металлов (LJ2SO4H2O, LiNaSCk, L1KSO4), активированных трехвалентным хромом и подвергнутых действию рентгеновской радиации.

Определены спектроскопические параметры и модели парамагнитных центров (ПЦ), изучена их температурная устойчивость и найдена энергия активации термического разрушения этих центров.

2. В результате систематического исследования спектров оптического
поглощения и ЭПР установлена природа и локальная симметрия новых
примесных центров в кристаллах LiNaS0₄ - Cr0₄²\ LiKS0₄ - СЮ₄²"; LiKS0₄

- Cu^:+, KNaS0₄ - Cu²⁺.

3. Впервые однозначно определено, что в сложных сульфатах щелоч
ных металлов, подвергнутых действию рентгеновской радиации, примес
ные ионы хрома из трехвалентного переходят в аномальное пятивалентное
состояние путем захвата дырок по схеме:

Cr^,+ + h -> Cr^A* + h -> Сг⁵⁺ (1)

4. Обнаружено изменение интенсивности полос в электронных спектрах ионов Сг0₄²" и Сч²⁺ в исследованных кристаллах под действием рентгеновского облучения,- что "связано с изменением валентности активатора.

5. Впервые в кристаллах Li(Na,K)SO'₄ и KNaSO 4 оптическим "методом и методом ЭПР- идентифицированы серно-кислородные радикалы S0₄\ SO}', S0₂" и О/ -, установлены их оснозные спектроскопические характеристики, а также термическая устойчивость этих ион-радикалов.

6. Впервые изучено влияние примесных ионов Сг⁶⁺, Сг³* и Си ⁺ на образование и кинетику , накопления ссрно-кислородных радикалов в

-г

кристаллах Li₂S0₄ Н₂0, Li(Na,K)S0₄ и KNaS0₄.

7. В результате изучения термостимулировднной люминесцентной и
термоэкзоэдектронной эмиссии установлена склонность кристалла LiNaS0₄

- Сг³* к запасанию светосумм и экзосумм. Установлена повышенная экзо-
эмиссионная активность кристаллов LiNaS0₄ - Сг.

8. Установлено, что эффективными гктизнругощимн элементами для кристаллов LiKSC>4 и KNaS0₄ являются ионы меди Си\ Обнаружена ин-тенсиЕная люминесценция кристаллов L1KSO4-CU (полосы при 290 и 420-440 нм) и KNaSO.j-C'J (полоса при 475 нм) при возбуждении их рентгеновскими излучениями или импульсным электронным пучком с высокой плотностью энергии. Объяснена природа двухлолосного свечения, связанного с конами Си* в решетке L1KSO4.

Практическая ценность работы

1. Результаты'диссертации могут быть использованы при поиске мате
риалов, обладающих повышенной экзоэмиссионной активностью и силь
ным сзетозапасакием при воздействии ионизирующих излучений, при по-

t иске неорганических сцинтклляторов, а также для более глубокого понимания механизмов создания и разрушения радиационных дефектов в активированных ионных кристаллах.

2. На основании результатов исследования фундаментальных эмиссионных, радиационно-оптических и спектроскопических свойств кристаллов сложных сульфатов щелочных металлов, активированных хромом, предложено рабочее вещество для термолюминесцентной и термоэкзоэдек-тронной дозиметрии рентгенозского нхтучения на базе LiNaS04 -Сг (а. с. №1264719). Предложено рабочее вещество для термоэкзоэлектронного эмиттера.

3. Предложено использовать кристаллы L1KSO4-CU²* для визуализации импульсных электронных пучков, а также в качестве избирательных сцин-тилляторов для регистрации о-частиц и тепловых нейтронов на фоне гамма-излучения (а.с_№991 08175).

4. Полученные результаты применяются в преподавании
специального курса для студентов по специальности "Физика" в ИГУ им.
К.Тыныстанова в течение последних 10 лет. Часть полученных результатов

10.

по сциігтилляционньш свойствам двойных сульфатов вошла в совместную методическую разработку "Новые приемники излучения", изданную в УТТУ, Екатеринбург, Россия. На защиту выносятся:

1. Эффект ради'ационно-химического окисления примесных ионов Сг³*
до пятивалентного состояния, протекающий по схеме

СгОб⁹- + h -> СгОЛ СЮб"- + h -» Сг0₆⁷", (2)

и стабилизация квазиустойчивого валентного состояния ионов Сґ* в кристаллической решетке сложных сульфатов щелочных металлов.

2. Результаты экспериментального исследования спектров
оптического поглощения к ЭПР активированных оксианиоками СгС^²' кри
сталлов LiNaSCXt и LiKSQs, результаты по изменению электронных
спектров рентгеновского оолучения, обусловленного эволюцией
зарядового состояния примесных ионов СгО»²" по схеме

СЮ/^- + е-> СЮД (3)

3. Данные о природе и локальной симметрии примесных ионов Си²* и
Си* в кристаллах LiKS0₄ и KNaSC^, результаты по исследованию
радиационных дефектов, образовавшихся в облученных кристаллах LiKSO^
при наличии примеси Си³*", полученные методами оптической и ЭПР-
спгктроскопии.

4. Результаты по исследованию спектроскопических свойств радиационных , сернс-кислородных парамагнитных центров, образовавшихся в сложных сульфатах щелочных металлов при рентгеновском облучении.

5. Модели образования и кинетики накопления радиационных

дефектов в кристаллах LbSCu Н₂0, Li(Na,K)S04 и KNaS0₄ в зависимости

\ от типа ^фимесей.

6. Предложенное рабочее вещество на базе LiNaS04 - Сг³* для термолюминесцептной н термоэкзозлектронной дозиметрии рентгеновского излучения на фене у-излучения. Предложенное эффективное рабочее вещество для термоэлектронного эмиттера на базе LiNaSCV Сг* (a.c.JM264719).

7. Предложенный неорганический сщштиллятор на основе состава LiKSOj - Са, пригодный для регистрации а-излучеїшя и тепловых нейтронов, а такие пригодный для визуализации импульсных электронных пупсов с высокой плотностью энергии (а.с„№99108175).

Личный склад аатсра. Диссертационная работа является результатом многолетнего труда автора в Института физика НАН Кыргызской республики а Иссык-Кульсксм университете им. К.Тыныстаксва. Использованные в диссертации результаты, опубликованные в соавторстве с Алыбако-вы;,г Л. А., Шульгиным ь. В., Гречушннксгтдм Б. Н., Кудабаевым К., Буйко Б. М., Гуоанспой В. А. и аспиранткой Иссик-Кульсхзго университета Ор-добаевой Ч. Т., получены с личным участием автора. Диссертантом организована научная лаборатория в Иссык-Кульоком университете; выполня-етсл госбюджетная тема по гранту Кыргызской республики в течение 1995-1999 гг. Научные положения, выдвигаемые на защиту, разработаны при непосредственном участии автора во всех экспериментах и последующей обработке полученных данных.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы опубликованы в 34 статьях, а также докладывались на IV Всесоюзном совещании по радиационной физике и химии ионных кристаллов (г. Рига, 1978г.), Конференции профессорско-преподдЕательского состава Фрунзенского политехнического института (г. Фрунзе, 1978г.), V Всесоюзном симпозиуме "Люминесцентные приемники и преобразователи рентгеновского излучения" (г. Иркутск, 1982 г.), Межреспубликанской конференции моло-

дых ученых, посвященной 60-летию Киргизской ССР (г. Фрунзе, 1984г.), 1-н республиканской конференции "Ионные л электронные процессы в конных кристаллах" (г.Ош, 1986г.), П Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (г. Фрунзе, 1987г.), IX Межреспубликанской научной конференции молодых ученых (г. Фрунзе,1988г.), ХП Evropean crystal-logafic meeting (Moscow,1989), П Республиканской конференции по физике диэлектриков и полупроводников (г. От, 29S9r.), 1-й Республиканской конференции молодых учителей к преподавателей физики (г. Фрунзе, 1990 г.), 1-й Республиканской научно-теоретической конференции, посвященной 40-летию ИГУ км. К. Тьшыстанова (г. Караход, 1993 г.), Мезсдународ-ной конференции по проблемам развития естественных наук (г. Кзракол, 1996г.), 1-м Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений ТТД-97 (г: Екатеринбург, 1997), Конференции по радиационной' физике посвященной памяти А.А.Алыбакова КгФ-99 (г.Бишкек-Каракол, 2999), 10-ом международном конференции по радла-ш;онной физике и химия неорганических материалов; (г..Томск, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубліковано 46 работы, в том числе монография, 34 статьи, тезисов- докладов и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 251 страниц машинописного текста, 70 рисунков 37 таблиц и 253 библиографических ссылок.