Введение к работе
Актуальность темы. Собственные и примесные дефекты в значительной степени определяют механизмы радиационно-стимулированных явлений в кристаллах и их электрофизические свойства. Одним из методов исследования дефектов в твердых телах является термолюминесценция (ТЛ) - свечение вещества, возникающее в процессе его нагревания. Данный экспериментальный метод используется в различных областях науки и техники, в том числе в твердотельной дозиметрии ионизирующих излучений (ИИ). В частности, в УГТУ-УПИ разработаны и нашли широкое применение высокочувствительные ТЛ детекторы ИИ ТЛД-500К на основе анионодефектных монокристаллов а-А120з, выращенных или термообработаяных в восстановительных условиях. Поглощенную дозу ИИ определяют по светосумме в интервале дозиметрического пика (Tmax = 450 К). Многочисленными работами установлено, что основной вклад в формирование термостимулированного свечения вносят кислородные вакансии с двумя и одним захваченными электронами: F- (3,0 эВ) и F*- (3,8 эВ) центры соответственно.
Вместе с тем остается нерешенным ряд важных вопросов, связанных с природой дозиметрической ловушки в анионодефектных кристаллах а-А^Оз, с механизмами свечения центров, созданных собственными и примесными дефектами, со структурой глубоких ловушек и их влиянием на ТЛ свойства. Изучение указанных проблем является актуальной научной задачей физики конденсированного состояния, поскольку позволяет расширить имеющиеся представления о роли дефектов кристаллической решетки в формировании оптических и люминесцентных свойств широкозонных оксидов. Полученные данные будут также полезны для практического применения, поскольку на их основе возможно улучшить качественные показатели ТЛ детекторов ИИ.
При регистрации ТЛ анионодефектных кристаллов ос-А12Оз с целью оценки поглощенной дозы, как правило, не делается попыток для выделения различных полос свечения. Измерение ТЛ с использованием широко- и узкополосных фильтров в ближней УФ и синей области спектра является нормой, поскольку позволяет ослабить влияние нагревателя на измерение кривых ТЛ и эффективно регистрировать свечение F- и /^-центров. К сожалению, при таком способе регистрации теряется много полезной информации о люминесценции в других областях спектра, что, в свою очередь, может привести к неверным заключениям о механизмах и кинетике ТЛ процессов. Измерения ТЛ со спектральным разрешением позволяют провести детальное исследование спектра «v^ свечения кристаллов и получить информацию, полезную для более глубокогоч
понимания основных механизмов и закономерностей ТЛ в анионодефектных кристаллах а-А^Оз-
Известно, что в кристаллах а-А^Оз кроме F- и 7^-центров могут образовываться и другие центры свечения, созданные собственными дефектами: агрегаты кислородных вакансий - центры і^-типа в различном зарядовом состоянии, а также междоузельные ионы А1. Свой вклад в люминесцентные свойства вносят также неконтролируемые примеси, присутствующие в кристалле. Все вышеперечисленные типы дефектов также могут участвовать в формировании .спектрального состава и кинетики ТЛ. Например, имеются экспериментальные данные о термо- и фотолюминесценции (ФЛ) кристаллов оксида алюминия в зеленой области спектра, которая слабо изучена.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование в дозиметрических кристаллах а-А1203 закономерностей ТЛ в полосе 2,4 эВ (зеленая область спектра), обоснование природы центров и механизмов свечения в указанной полосе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Усовершенствование экспериментального комплекса с целью повышения чувствительности измерений люминесценции в полосе 2,4 эВ при различных видах и режимах стимулирующих воздействий.
Исследование различными методами кинетических особенностей ТЛ в полосе свечения 2,4 эВ в температурном диапазоне дозиметрического пика.
Изучение закономерностей свечения в полосе 2,4 эВ и наведенного оптического поглощения (ОП) при различных видах облучения (быстрые электроны, ионы, р-излучение, УФ), обоснование природы центров, ответственных за зеленую люминесценцию в облученных анионодефектных кристаллах а-А1г03.
Исследование дозовых зависимостей ТЛ в полосе свечения 2,4 эВ, разработка практических рекомендаций.
Научная новизна. 1. Впервые для дозиметрических монокристаллов а-АЬОз методами вариации скоростей нагрева и дозы р-излучения получены количественные данные о параметрах кинетики ТЛ в полосе 2,4 эВ.
2. При облучении кристаллов а-А1203 быстрыми электронами и ионами металлов получены доказательства, устанавливающие определяющую роль меж-доузельных катионов А1,+ в создании центров, ответственных за полосу свечения 2,4 эВ.
З.На основе комплексного исследования абсорбционных и люминесцентных свойств анионодефектных кристаллов а-А120з, облученных электронами и
ионами, получены дополнительные доказательства, подтверждающие наличие резонансной безызлучательной передачи энергии возбуждения от F- к А1*-центрам при регистрации ТЛ в полосе 2,4 эВ,
Обнаружена компенсационная взаимосвязь энергии активации и эффективного частотного фактора в ТЛ кристаллов а-А120з в полосе свечения 2,4 эВ. Близкие значения изокинетической температуры и предэкспоненциального множителя для полос свечения F-, F*- и А1і+-центров указывают на общность термоактивационных процессов, протекающих с участием агрегатов собственных анионных и катионных дефектов.
Впервые в кристаллах а-А1203 установлены количественные характеристики дозовых зависимостей параметров пика ТЛ в полосе 2,4 эВ при Р-облучении.
Защищаемые положения. 1. В спектре ТЛ анионодефектных монокристаллов а-А120з в интервале температур основного пика (Ттах = 450 К) присутствует полоса свечения 2,4 эВ с максимумом при Т = 470 К. Наличие указанной полосы свечения коррелирует с ОП при 4,2 эВ.
Доминирующее влияние на формирование закономерностей свечения в полосе 2,4 эВ оказывают термостимулированные процессы первого порядка кинетики.
Появление при облучении ионами (30 кэВ) в спектрах наведенного ОП полос, связанных с F- и ^-центрами в различном зарядовом состоянии, не вызывает изменений интенсивностей ТЛ и ФЛ в полосе свечения 2,4 эВ, что исключает взаимосвязь указанной полосы с излучательными переходами на анионных центрах и их агрегатах.
При облучении кристаллов сс-А120з быстрыми электронами (10 МэВ) установлена четкая взаимосвязь между ростом интенсивности свечения в полосе 2,4 эВ и увеличением ОП при 4,2 эВ, связанных с повышением концентрации катионных дефектов А1і+, что позволяет считать интерстициальные А1,+-центры ответственными за зеленую люминесценцию исследуемых кристаллов.
Один из возможных механизмов ТЛ в полосе 2,4 эВ заключается в резонансной безызлучательной передаче энергии возбуждения от F- к А1*-центрам.
Дозовые зависимости интенсивности и светосуммы ТЛ в полосе свечения А1і+-центров кристаллов ос-А1203 при Р-облучении изменяются линейно в диапазоне 10 мкГр -1 Гр.
Практическая значимость работы. 1. Модернизированный экспериментально-измерительный комплекс может быть использован для исследований со спектральным разрешением слабоинтенсивных свечений в кристаллах с собст-
венными и примесными нарушениями при различных режимах возбуждений.
Обнаруженное существенное повышение интенсивности ТЛ в полосе свечения /^-центров для кристаллов а-А120з, облученных ионами Ti+ и Си+, может быть полезно при разработке технологий их ионно-лучевой модификации.
Продемонстрирована возможность использования полосы свечения 2,4 эВ для целей ТЛ дозиметрии ИИ с высокой надежностью и достоверностью оценки поглощенной дозы в связи с отсутствием сверхлинейности дозовой ха-
. рактеристики в диапазоне больших доз.
Личный вклад автора. Формулирование цели и задач диссертационной работы, защищаемых положений выполнены совместно с научным руководителем. Автором самостоятельно проведены модернизация установки, все измерения, обработка экспериментальных данных, расчет кинетических параметров ТЛ, анализ результатов измерений и формулировка выводов. Компенсационный эффект в ТЛ исследуемых кристаллов интерпретировался совместно с научным консультантом. Облучение образцов быстрыми электронами проведено на микротроне М-20 УГТУ-УПИ с участием канд. физ.-мат. наук Ф. Г. Нешова. Ионное облучение образцов выполнено на специализированных установках Института электрофизики УрО РАН под руководством д-р техн. наук Н. В. Гаврилова.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях: 14-й и 15-й международных конференциях по люминесценции - ICL (Пекин, Китай, 2005; Лион, Франция, 2008); 6-й и 7-й международных конференциях по люминесцентным детекторам ионизирующего излучения - LUMDETR (Львов, Украина, 2006; Краков, Польша, 2009); 12-й Международной конференции по фононному рассеянию в конденсированных средах - PHONONS (Париж, Франция, 2007); 4-й Международном семинаре по персональному контролю ионизирующего излучения (Оа-рай, Япония, 2008); XI Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2008); летней школе по радиационной физике, новым материалам и информационным технологиям (Бишкек, Кыргызстан, 2008); IV Уральском семинаре «Люминесцентные материалы и твердотельные детекторы ионизирующих излучений» (Екатеринбург, 2008); Международной научно-практической конференции «Трансфер технологий, инновации, современные проблемы атомной отрасли» (Снежинок, 2006); VII, VIII, XI и XII отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2005, 2006, 2007).
Публикации. Результаты исследований изложены в 4 статьях в рецензируемых журналах согласно перечням ВАК разных лет, 1 статье в сборнике трудов международной конференции, 12 тезисах докладов международных и российских конференций и в 2 заявках на получение патентов РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации - 147 страниц текста, включая 49 рисунков, 18 таблиц и список литературы, содержащий 129 источников.
