Введение к работе
Актуальность темы. Поиск различных люминесцентных преобразователей юнизирующего излучения насчитывает многие десятки лет. Однако практика юказала, что идеальные сенсорные среды не найдены ни для одного из ;овременных применений, поэтому поиск и исследование новых материалов для ;цинтилляторов, дозиметров, запасающих и лазерных сред является актуальной проблемой.
Большая часть диэлектрических неорганических преобразователей излучений представляет собой двухкомпонентные щелочно-галоидные соединения. Вместе с тем возможности совершенствования таких материалов практически исчерпаны, а механизмы запасания и превращения в них энергии являются классическими. Поэтому внимание исследователей в последние годы постепенно переместилось в область изучения более сложных систем и, в частности, трехкомпонентных соединений. Одним из характерных представителей такого рода систем являются кристаллы со структурой перовскита типа АВХ3, где А - ион щелочного металла, В - ион щелочноземельного металла, X - галоидный анион. Наиболее показателен пример флюороперовскита на основе кристалла KMgF3, в котором в зависимости от типа активатора реализуются, казалось бы, несовместимые свойства - радиационная прочность, необходимая для сцинтилляционных применений, и эффективное запасание энергии, требуемое для дозиметрических и лазерных сред. Можно было предположить, что и другие кристаллы из этого же класса соединений, должны обладать свойствами, присущими преобразователям ионизирующих излучений. Актуальное направление - изучение взаимодействия нейтронов с веществом, подсказало, что в состав таких матриц должны входить ионы лития. С точки зрения потенциальных практических применений предпочтительным было бы вещество с достаточно большой плотностью и высоким эффективным атомным номером. Исходя из этих соображений, объектами исследования были выбраны трехкомпонентные флюороперовскиты LiBaF3, обладающие относительно высокой плотностью (5.24 г/см3) и эффективным атомным номером (Z=55). К моменту начала исследования в литературе имелись лишь отрывочные и противоречивые сведения об оптических и сцинтилляционных свойствах этого материала.
Связь работы с научными программами. Основные этапы работы выполнены в рамках исполнения Государственных Научно-исследовательских
программ HAH Украины: "Поиск-3" - "Исследование электронных процессов и природы излучательных переходов в монокристаллах со структурой перовскита" (№ госрегистрации 0196U006603), "Прием" - "Люминесцентные приемники и преобразователи излучения на основе кристаллов LiBaF3" (№ госрегистрации 0197V013768), "Анион" - "Исследование влияния смешанного (анион-катионного) легирования на излучательные и безызлучательные потери в сцинтилляторах a'Bv" и АВХ3" (№ госрегистрации 0197V013768).
Цель настоящей работы - комплексное исследование особенностей излучательных и безызлучательных характеристик чистых и специально легированных кристаллов LiBaF3.
В работе решались следующие задачи:
разработка методов получения чистых и легированных монокристаллов LiBaF3 с заданным совершенством структуры;
исследование абсорбционных и люминесцентных характеристик кристаллов в широком диапазоне внешних воздействий;
поиск легирующих добавок, эффективно влияющих на люминесцентные свойства кристаллов и запасание в них энергии;
исследование радиационно-наведенных дефектов и радиационно-стимулируемых изменений оптических характеристик материала;
определение эффективности кристаллов в качестве сцинтилляционных и запасающих сред;
Научная новизна. В результате выполнения работы получены следующие новые научные результаты:
Оценены энергетические параметры зонной структуры кристалла LiBaF3. Исследованы спектрально-кинетические характеристики остовно-валентной и экситонной люминесценции.
Получены данные об изменении спектрально-кинетических параметров излучения при легировании кристаллов LiBaF3 редкоземельными элементами (Се, Ей) в широком интервале температур. Выявлено образование трех типов центров свечения в кристаллах LiBaF3(Ce).
Определена роль кислородсодержащих примесей в изменении абсорбционных и люминесцентных характеристик кристаллов. Установлены оптические параметры кислородсодержащих диполей типа 02"va+ и 02~Mg2+ в кристаллах LiBaF3.
Получены данные о радиационной стойкости кристаллов LiBaF3. Выделены собственные и примесные центры окраски.
Изучено влияние О2^ и Mg2+-HOHOB на термическую устойчивость собственных и примесных радиационных дефектов, а также на эффективность преобразования запасенной энергии в нзлучательную в термоактивационных процессах.
Исследованы особенности люминесценции собственных и примесных (связанных с О2" и Mg2+) центров окраски при внутрицентровом возбуждении. Установлено, что термостимулируемая пострадиационная диффузия (при Т>200С) приводит к образованию центров окраски, связанных с магнием (F2(Mg), F3(Mg), Mg+, Mg). Указанные центры окраски обладают интенсивной люминесценцией как при внутрицентровом, так и в рекомбинационном процессе.
Показано, что запасенная энергия в кристаллах, легированных ионами Се или Ей, освобождается при оптической стимуляции центров окраски в виде характерной активаторной люминесценции.
Практическая значимость. Впервые проведено комплексное исследование абсорбционных и люминесцентных характеристик чистых и РЗ-легированных монокристаллов LiBaF3, направленное на выяснение фундаментальных закономерностей люминесценции и вопросов, связанных с возможностью использования данных кристаллов в качестве люминесцентных преобразователей ионизирующего излучения.
Показано, что в зависимости от типа легирующих добавок монокристаллы LiBaF3 являются перспективным материалом для широкой гаммы применений, начиная от сцинтилляционных и заканчивая дозиметрическими.
Установлено, что легирование кристаллов LiBaF3 ионами церия позволяет создать быстродействующий сцинтилляционный материал (т~50 не), в котором излучение сдвинуто в более длинноволновый (по сравнению с неактивированными образцами) диапазон излучения (А.изл=325 нм), удобный для регистрации традиционными фотоприемниками. Определен уровень посторонних примесей (и прежде всего кислорода и магния), приводящий к излучательным и безызлучательным потерям сцинтилляционной эффективности на основе кристалла LiBaF3(Ce).
Термолюминесцентные параметры легированных ионами магния кристаллов LiBaF3 свидетельствуют об их потенциально высоких дозиметрических свойствах. Эффективность термовысвечивания LiBaF3(Mg) (основной пик ТСЛ при 330С) в 10 раз выше, чем у дозиметрических
кристаллов LiF(Mg,Ti).
Личный вклад автора состоит проведении экспериментов по изучении абсорбционных и люминесцентных свойств чистых и легированных кристаллої [1-4,6,8-10], исследованию термообесцвечивания и термостимулированно? люминесценции облученных образцов [1,3,6,8,9]; определении роли активаторов влияющих на процессы люминесценции и запасания энергии в кристаллах m основе LiBaF3 [1-10]; участии в обсуждении и анализе полученных результатої и формулировании выводов.
Публикации и апробация работы. Результаты диссертационной работь: изложены в 10 работах, из них 6 статей опубликовано в отечественных і международных журналах. Результаты исследований докладывались у обсуждались на 11 следующих международных конференциях: 18th Internationa: 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 theii Application (SCINT'97), 22-25 September, 1997, Shanghai, China; IEEE Nucleai Science Symposium, 9-15 November, 1997, Albuquerque, USA; 1-й Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений (ТТД'97). 28 ноября-2 декабря, 1997, Свердловск, Россия; Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR'97), 6-10 October, 1997, Ustron, Poland; 10-й конференции по Радиационной Физике, 21-25 сентября, 1999, Томск, Россия; International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (ICL'96), 23-27 August, 1999, Osaka, Japan; Internationa] Conference on Inorganic Scintillators and their Application (SCINT'99), 16-20 August, 1999, Moscow, Russia; Urals Workshop on Scintillations Materials and theii Application (SCINTMAT'2000), 1-4 February, 2000, Ekaterinburg, Russia.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах текста, содержит 66 рисунков и 14 таблиц, состоит из шести глав, введения, выводов и списка литературы, включающего 141 наименование.
