Введение к работе
Актуальность темы. Выяснение природы радиационных дефектов и механизмов их образования в различных материалах составляют основной предмет радиационной физики твердого тела. Необходимость проведения исследований в этом направлении тесно связана с проблемами создания научных основ методов надежного прогнозирования поведения материалов в полях ионизирующих излучений, управления радиационной чувствительностью материалов для атомной и ядерной энергетики, космической, лазерной техники, микро-и оптоэлектроники и т.п.
Успешное решение этих проблем во многом определяется уровнем знаний о природе радиационно-стимулированных явлений в модельных для данного класса кристаллических соединений системах. Для твердых тел с ионным типом связи модельными объектами уже более полувека служат щелочногалоидные кристаллы (ЩГК), при исследовании которых были обнаружены такие фундаментальные физические явления, как автолокализация электронных возбуждений (ЭВ) и неударное создание структурных дефектов при безызлуча-тельном распаде низкоэнергетических ЭВ в ненарушенных участках решетки.
В процессе накопления устойчивых радиационных дефектов важнейшую роль, определяющую конечный результат облучения, играют быстропротекающие процессы с участием короткоживущих дефектных состояний электронной и атомной подсистем твердого тела, возникающих, как промежуточные продукты распада ЭВ, на разных стадиях их энергетической релаксации. Экспериментальное исследование этих короткоживущих состояний в ЩГК, закономерностей их преобразования в стабильные дефекты необходимо для воссоздания реальной картины радиационно-индуцированных явлений, разработки теоретических модельных представлений о механизмах дефектообра-зования, которые могли бы быть использованы в качестве отправных при исследовании других типов твердых тел с более сложной структурой.
Практическая значимость подобных исследований определяется тем, что переходные процессы с участием короткоживущих дефектов могут оказывать непосредственное влияние на рабочие характеристики различных устройств в поле радиации, - прозрачность оптических окон, передающих волоконных линий, оболочек импульсных ламп; излучательнве свойства, состояние проводимости элементов
- 2 -квантовой и микроэлектроники и т.п.
Состояние вопроса. Экспериментальные возможности для исследования короткоживущих дефектных состояний в широкощелевых диэлектриках открылись с появлением в 70-х годах генераторов мощных импульсных пучков ускоренных электронов наносекундной длительности. Уже первые опыты их использования в сочетании с техникой время-разрешающей люминесцентной и абсорбционной спектроскопии дали ряд важнейших результатов, составляющих основу современных представлений о физике радиационного дефектообразо-сания в ионных кристаллах.
К их числу относятся данные о спектрах переходного, поглощения автолокализованных экситонов (Вильяме, Каблер, 1970), позволившие расшифровать их электронную структуру; установление тога факта, что' создание пар френкелевсккх дефектов происходит из экситонных состояний более высоких, чем ж- и б- излучатель-ные состояния АЛЭ (Кондо и др.,1972). Оказалось, что подавляющее большинство создаваемых облучением F.H пар дефектов при температуре кипения"'жидкого гелия являются неустойчивыми и спонтанно аннигилируют в ходе мономолекулярного процесса (Хираи, 1971); создание неустойчивых и стабильных дефектов происходит по разным законам (Карасава, 1976). Была обнаружена возможность эффективного образования короткоживущих F.H пар путем оптического возбуждения релаксированных триплетних АЛЭ (Вильяме,1976). 'Непосредственные измерения кинетики создания, F центров, выполненные'с применением'пикосекундных лазерных.-импульсов для возбуждения зона-зонных переходов (Брэдфорд и "др., 1975), показали, что акты возбуждения кристалла и появления F центров в основном состоянии разделены интервалом времени порядка 10"uс.
Таким образом,' 'к началу нашей работы'в 1977 г. ' усилиями нескольких научных групп преимущественно"в США и Японии.сформировались и показали' свою'высокую продуктивность экспериментальные методы, основанные'на использовании импульсных электронных и лазерных пучков для возбуждения кристаллов и техники абсорбционной спектроскопии с высоким временных разрешением для детектирования наводимой дефектности. В/лабораториях нашей страны подобной -техники с параметрами,': близкими к зарубежным, в то время не было, хотя для ее создания имелась необходимая аппаратура отечественного производства.
Характеризуя ситуацию в целом/ следует отметить, что иссле-
дования с использованием время-разрешенной спектроскопии, существенно расширив представления о сопровождающих создание дефектов в ЩГК элементарных процессах, не дали, однако, полного ответа на вопрос о природе доминирующих механизмов распада электронных возбуждений на пары структурных дефектов. Имеющаяся информация о неустойчивых дефектах носила в значительной мере фрагментарный характер и была явно недостаточной для воссоздания целостной картины явлений.
Так, полностью оказались исключенными из экспериментального обследования кристаллы щелочных галоидов со структурой решетки типа CsCl.
Фактически за пределами внимания исследователей остались вопросы, связанные с выяснением влияния на процессы распада ЭВ с рождением дефектов температуры радиационного воздействия, состояния исходной дефектности кристаллов. Использование для систематического изучения этих вопросов прогрессивных время-разрешающих экспериментальных методов необходимо для получения новой информации, важной для понимания механизмов радиационного де-фектообразования и, следовательно, для разработки способов управления радиационной стойкостью ионных кристаллов.
Практически незатронутой оказалась проблема высокой плотности используемых для исследования короткоживущих дефектов в ЩГК импульсных пучков возбуждающей радиации, влияния мощностных режимов возбуждения на элементарные радиационные процессы. В то же время изучение этой проблемы с привлечением скоростных методов регистрации явлений необходимо для понимания специфики взаимодействия и распада электронных возбуждений в условиях высокой скорости их генерации, при одновременном действии мощных акустических, электрических, тепловых полей, реализующихся, в частности, при облучении материалов тяжелыми заряженными частицами.
Цели и задачи работы. Общей задачей работы являлось проведение систематических исследований кинетики создания и эволюции короткоживущей дефектности в широком круге представителей класса щелочно-галоидных кристаллов при различных условиях импульсного электронного облученкя с целью выявления общих закономерностей образования первичных неустойчивых и стабильных дефектов, роли короткоживущих дефектных состояний ионной и электронной подсистем кристаллов в процессах создания устойчивых струк-
-4.-турных нарушений.
Выполнение этой общей задачи потребовало решения следующих задач.
-
Создания импульсного оптического спектрометра с наносе-кундным временным разрешением.
-
Исследования спектральных и кинетических характеристик центров поглощения и люминесценции, создаваемых в различных кристаллах из ряда ЩГК под действием изодозных импульсов электронного облучения в широком температурном интервале с целью выявления механизмов влияния температуры и строения решетки на процессы генерации радиационных дефектов.
-
Изучения влияния плотности импульсного электронного облучения в режимах, близких к пороговьм для хрупкого раскола кристаллов, на процессы образования и аннигиляции дефектов с целью выявления механизмов передачи энергии от электронной к атомной подсистеме кристалла.
Научная новизна. 1. Выполнено первое систематическое исследование процессов создания и эволюции короткоживущих центров окраски, создаваемых в ряде ЩГК с простой и гранецентрированной кубической решеткой под действием импульсных пучков ускоренных электронов наносекундной длительности в диапазоне температур 80...650К. Впервые сделаны количественные оценки эффективности создания центров различных типов при различных температурных и мощностных режимах" импульсного облучения.
-
Впервые обнаружены и изучены спектры переходного оптического поглощения, обусловленные автолокализованными экситонами в кристаллах CsBr, CsJ, CsCl, MgF2, KC1:J.
-
Впервые методом абсорбционной спектроскопии с временным разрешением обнаружено явление прямого преобразования термически возбужденных автолокализованных экситонов из наинизшего триплетного излучательного состояния'в пары разделенных в пространстве ' заряженных френкелевских дефектов - а и I центров окраски.
-
Обнаружена корреляция термоактивированных процессов радиационного создания разделенных дефектов с процессами пострадиационной релаксации короткоживущей дефектности (АЛЭ в зг-излу-чательном состоянии и неустойчивых пар близкорасположенных F v Н центров окраски) и установлена связь параметров этих процессов с геометрией кристаллов.
- 5 - 5. Впервые обнаружены и изучены нелинейные явления в неактивированных ЩГК при высоких уровнях мощности импульсного возбуждения, - подавление канала низкотемпературного распада ЭВ с образованием короткозшвущих дефектных состояний и увеличение выхода пар разделенных дефектов,- связанные с конкуренцией ко-лебательно-нерелаксированных и термализованных автолокализован-ных дырок в процессе рекомбинационного создания экситонов. Основные защищаемые положения.
1. Радиационное создание дефектов Френкеля, а,I-пар центров окраски, в ЩГК при температурах выше 80К происходит преимущественно в результате прямого термоактивированного распада двухгалоидных автолокализованных экситонов с релаксированной в наинизшее Jt-излучательное состояние электронной подсистемой.
-
Основным механизмом радиационного создания разделенных в пространстве F и Н центров в ЩГК при температурах вблизи комнатной является процесс термоактивированного движения галоидного ядра АЛЭ в сторону F - Н разделения, стартующий из наинизших релаксированных возбужденных состояний кристалла, - к-люминесцентного состояния АЛЭ в ЩГК-І и состояния "тесных" (FH)-nap -в ЩГК-П.
-
Возникающие при высокоплотном импульсном облучении кристаллов нелинейные эффекты. - уменьшение выхода АЛЭ в наинизших релаксированных состояниях и возрастание выхода пар разделенных дефектов, - связаны с конкуренцией в процессе электронного захвата дырочных состояний двух типов: колебательно-нерелаксиро-ванных (одно- или двухгалоидных) автолокализующихся дырок и термализованных' Vk центров.
-
Основной вклад в процесс образования устойчивых дефектов при температурах ниже 80К в ЩГК вносят АЛЭ, ядерная подсистема которых находится в состоянии колебательной релаксации после преобразования дырки из одно- в двухгалоидную конфигурацию.
Практическая значимость. Полученные в результате проведенных исследований данные о короткоживущих дефектных состояниях, их роли в процессе образования устойчивых радиационных дефектов, о влиянии различных факторов (температуры и мощности импульсного радиационного воздействия, строения решетки, состояния дефектности структуры) на распад элементарных возбуждений в ЩГК открывают новые возможности для разработки путей сознательного управления стойкостью материалов к действию ионизирующих
- 6 -излучений. Данные по обнаружению и бучению нелинейных плот-ностных явлений в системах с автолоіализущимися электронными возбуждениями необходимо учитывать ,три оценке эффективности различных устройств (сцинцилляторон дозиметров излучений) в трактах с высокой радиационной загруз:ой, при рассмотрении вопросов воздействия на ионные кристала тяжелых ускоренных частиц.
Выявленные с помощью время-разрецающей техники закономерности влияния точечных нарушений периодичности решетки на топографию локализации и каналы распада электронных возбуждений позволяют использовать их для создания различного рода запоминающих устройств, для изучения природи и разработки методов экспресс-диагностики биографической дефектности оптических материалов. На базе проведенных исследований предложен конкретный способ диагностики, защищенный авторским правом.
Апробация работы. Результаты настоящей работы были доложены на следующих конференциях и семинарах: IV-IX Всесоюзных конференциях по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Рига, 1978,1983. 1986, 1989, Томск, 1993. 1996), Всесоюзной конференции по метрологии быстропротекающих процессов (Москва, 1978), II Всесоюзной конференции по квантовой химии твердого тела (Рига, 1985), III-V Всесоюзных совещаниях по радиационным гетерогенным процессам (Кемерово,1982, 1986, 1990, 1995), симпозиуме по радиационной химии (Тбилиси, 1978), Всесоюзном5"совещании по кинетике и механизмам химических реакций в твердом теле (Черноголовка, 1986). VII-IX Всесоюзных конференциях по физике БУФ и его взаимодействию с веществом (Эзерниеки. 1986. Иркутск, 1989, Томск, 1991), научно-технической конференции по материаловедению в атомной технике (Свердловск, 1986), IX Всесоюзной конференции "Сцинцилляторы-86" (Харьков, 1986), Всесоюзном совещании по люминесценции (Таллин, 1987). VI Всесоюзном совещании по физике люминофоров (Ставрополь, 1989), VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск, 1988), Международном конгрессе по симметрии в физическом пространстве (Малабри, Франция, 1990), Прибалтийских семинарах по физике ионных кристаллов (1980-1986).
Публикации и личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором лично или совместно с коллегами, - сотрудниками и студентами кафедры лазерной и
световой техники Томского политехнического университета. Основные результаты опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях.
В главах III и VI автор частично использовал результаты совместных исследований с В.М.Лисицыным, А.А.Малышевым. Часть результатов глав IV-VI вошла в кандидатские диссертации В.А.Кравченко (1988), Е.В.Кабановой (1992), выполненные под руководством автора. Общая постановка задачи, руководство циклом обобщенных в диссертации работ и разработка представленных на защиту положений принадлежат автору.
Об"ем и структура. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 217 наименований. Общий объем диссертации при сквозной нумерации 243 страницы, из них непосредственно текст изложен на 186 с, рисунков 77, таблиц 7.
Поскольку в работе затронут довольно широкий круг вопросов, так или иначе связанных с разрабатываемой темой, то краткий анализ состояния исследований и постановка задачи даны в отдельной главе (глава I). Во второй главе приводится описание импульсной техники оптической спектроскопии с наносекундным временным разрешением и сопутствующего метрологического обеспечения исследований.
В третьей и поспедующих главах приводятся результаты экспериментов и анализа полученных данных.
Последовательно рассмотрены вопросы, связанные с выяснением механизма образования наряженных анионных вакансий в щелочных йодидах при импульоно» облучении (глава 3), влияния строения решетки и температуры на выход и кинетику релаксации элементарных центров окраски и люминесценции в ряду ЩГК (глава 4), особенностей распада электронах возбуждений по излучательному и безызлучательному каналам і условиях высокой плотности импульсного возбуждения (глава 5), наличия в образцах точечных структурных нарушений собственной ьпримесной природы (глава 6).
В заключении излагаются оснвные результаты и выводы работы.
