Введение к работе
Актуальность исследования
Одним из актуальных направлений физики взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, является исследование механизмов релаксации энергии в диэлектрическом кристалле, приводящих к излучению фотона люминесценции и образованию радиационных дефектов.
Поглощение рентгеновского фотона вызывает каскад процессов электронной релаксации, в ходе которого увеличивается число элементарных электронных возбуждений (ЭВ) кристалла, а их энергия уменьшается от энергий порядка тысяч электрон-вольт до единиц электрон-вольт. Изменяется также пространственное распределение ЭВ. Развитие техники ВУФ спектроскопии, сначала с использованием лабораторных источников, а затем синхротронного излучения (СИ) позволило к концу XX века понять многие фундаментальные процессы релаксации электронных возбуждений с начальной энергией < 50 эВ. В частности, была установлена зависимость от энергии возбуждающего ВУФ фотона эффективности связывания электронно-дырочной пары (е-п).пары в экситон и возбуждения иона примеси, которая определяется пространственно-временной корреляцией электрона и дырки. Разработаны детальные модели автолокализации экситона. Подробно изучены как экспериментально так и теоретически элементарные процессы; неупругого рассеяния электронов (фотонное умножение). Установлен экситонный механизм образования радиационных дефектов. Изучены механизмы излучательного заполнения остовной дырки в верхнем остовном уровне, в случае запрета на Оже-переход (кросс-люминесценция).
В значительно меньшей степени были изучены механизмы релаксации, запускаемые при поглощение фотонов с энергией >50 эВ, то есть процессы, происходящие после поглощения глубоким остовным уровнем. В большой мере это было связано с отсутствием необходимой аппаратуры для спектроскопии в далеком ВУФ и рентгеновских диапазонах. Развитие электронных накопителей и спектральной аппаратуры каналов СИ создало технические возможности для исследований в этой области.
Бурное развитие электроники и вычислительной техники в последние десятилетия сделало возможным прием, передачу и обработку огромных потоков информации, что привело к созданию нового поколения 2-х и 3-х координатных детекторов ионизирующих излучений и определило новые требования к неорганическим сцингилляторам, используемым в медицинских и промышленных детекторах. Расширяется использование сцинтилляторов в астрофизике и ядерной физике.
Постоянно возрастающая потребность в новых сцинтилляторах с высоким световыходом, наносекундным откликом и радиационностойких, стимулировала исследование фундаментальных процессов релаксации электронных возбуждений в кристаллах.
Общая цель цикла исследований
Общей целью настоящей работы было систематическое исследование механизмов локализации и рекомбинации электронных возбуждений в диэлектрических кристаллах при рентгеновском возбуждении. В частности были поставлены задачи:
Обнаружить и исследовать явления локализации, взаимодействия и
рекомбинации электронных возбуждений, характерные именно для
рентгеновского возбуждения, то есть релаксации электронных
возбуждений глубоких остовных уровней кристалла. Это потребовало использовать монохроматическое рентгеновское СИ, а также, проведение исследований тех же кристаллов при возбуждении в БУФ области.
Развить аппаратуру и методики для спектрально-кинетических измерений люминесценции при возбуждении рентгеновским СИ, с использованием монохроматических и фокусированных пучков СИ.
Применить, наряду с методом разрешенной во времени люминесцентной спектроскопии, и другие методы получения информации об электронной релаксации - методы фотоэлектронной эмиссии и фотостимулированной десорбции ионов.
Всесторонне исследовать механизмы возбуждения рентгеновским излучением люминесценции ионных кристаллов различных классов, с собственной экситонной люминесценцией (анионными и катионными экситонами) и активированных ионами редкоземельных элементов.
Использовать разработанные методики для исследования новых сцинтилляционных материалов для физики высоких энергий и медицинской диагностики.
Научная новизна работы
Впервые, методами люминесцентной разрешенной во времени спектроскопии с использованием монохроматического синхротронного излучения, выполнено исследование механизмов релаксации возбужденной области, созданной после поглощения фотона внутренней электронной оболочкой диэлектрического кристалла. Обнаружено влияние возникающей при этом неоднородности в распределении электронных возбуждений на их локализацию и рекомбинацию.
Экспериментальные результаты настоящей работы стимулировали синтез новых кристаллов и теоретические исследования релаксации электронных возбуждений в диэлектрических кристаллах.
Впервые исследованы механизмы переноса энергии и сцинтилляционные свойства большой группы ионных кристаллов, в том числе твердых растворов ионных кристаллов. Установлены общие закономерности влияния локальной электронной и пространственных структур центра люминесценции на сцинтилляционные свойства.
Впервые были выполнены исследования люминесценции кристаллов
и ее зависимости от пространственного распределения центров свечения с
использованием рентгеновского синхротронного излучения,
фокусированного в пучок микронного диаметра.
В работе получили развитие методики исследования диэлектрических кристаллов с использованием БУФ синхротронного излучения: фотоэлектронная спектроскопия и фотостимулированная десорбция ионов.
Практическая значимость работы
Неорганические сцинтилляторы широко применяются в различных детекторах ионизирующих излучений. Развитие методов и создание нового поколения приборов:
для медицинской диагностики, таких как позитронная эмиссионная томография и рентгенография,
для детектирования рентгеновского излучения в научных экспериментах, например, рентгеновские телескопы в астрофизике и двух-координатные детекторы в рентгеноструктурном анализе,
для сцинтилляционных детекторов в физике высоких энергий, -требуют всестороннего исследования механизмов- взаимодействия рентгеновского и гамма излучений с диэлектрическим кристаллом, в частности, выяснения причин непропорциональности энергетического выхода, эффективности преобразования ионизирующего излучения, радиационной стойкости, разработки новых сцинтилляционных материалов. Результаты исследований, выполненных автором, в рамках развиваемого научного направления, вносят вклад в решение этих задач.
На защиту выносятся
научные положения, сформулированные в качестве выводов работы в разделе «Основные результаты и выводы диссертации».
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальных установок на каналах СИ, использованных в настоящей работе. Большая часть экспериментальных результатов, представленных в работе, получена лично автором. Основные выводы диссертации, выносимые на защиту, принадлежат лично автору или получены при его определяющем личном участии.
Апробация работы
