научная статья по теме ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ LIF:CU И LIF:MG,CU Физика

Текст научной статьи на тему «ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ LIF:CU И LIF:MG,CU»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 2, с. 287-290

УДК 538.958

ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ LiF:Cu и LiF:Mg,Cu

© 2015 г. А. А. Шалаев1,2, Н. С. Бобина1, А. С. Паклин1, Р. Ю. Шендрик1, А. И. Непомнящих1,2

E-mail: alshal@igc.irk.ru

Представлены результаты спектральных исследований оптических и люминесцентных свойств монокристаллов фторида лития, выращенных методом Чохральского, активированных ионами меди и магния. Обсуждены влияние режимов термообработки и зависимость концентрации примеси магния на чувствительность полученных кристаллов LiF:Mg,Cu к ионизирующему излучению.

DOI: 10.7868/S0367676515020258

ВВЕДЕНИЕ

Детекторы на основе фтористого лития сегодня широко применяют в области индивидуальной термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД). По сравнению с другими составами, эти детекторы наиболее полно удовлетворяют всему комплексу требований дозиметрического контроля и к тому же тканеэквивалентны [1]. Широкое коммерческое распространение получили четыре типа детекторов: порошковые, таблетизированные, поликристаллические и монокристаллические.

Известно, что любой термолюминофор для ТЛД содержит две активные составляющие: центры рекомбинации и центры захвата электронов, наличие которых определяется вводимыми примесями. Для удовлетворения практических требований вводимые в люминофор примеси должны обеспечить:

1) устойчивые центры захвата и люминесценции, физические свойства которых мало зависят от других дефектов (вакансий, дислокаций) и различных временных воздействий (нагрев, охлаждение, климатические условия, удар и т.д.);

2) высокотемпературное положение основного дозиметрического пика термостимулирован-ной люминесценции (ТСЛ), т.е. необходимы центры захвата достаточной глубины (для обеспечения длительного сохранения дозиметрической информации), но не при температурах внутри-центрового тушения и ниже температурного свечения нагревательного элемента;

3) простую форму кривой термовысвечивания;

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии имени А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутск.

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет.

4) высокую интенсивность основного дозиметрического пика, для чего необходимо обеспечить эффективное создание центров захвата электронов с высоким выходом рекомбинационной люминесценции.

Этими требованиями мотивируется выбор необходимого активатора.

Из всех термолюминесцентных дозиметров на основе фторида лития, известных к настоящему времени, наибольшей чувствительностью обладают детекторы ЫЕМ§,Си,Р [2]. Такие детекторы представляют собой прессованную поликристаллическую таблетку и, как следствие, имеют высокий уровень хемилюминесцентного сигнала. Это ограничивает их использование при измерении малых доз. Также большим практическим недостатком является потеря чувствительности детекторов ЫЕМ§,Си,Р после нагрева до 240°С (стандартный режим высвечивания). Это лимитирует количество циклов термовысвечивания и уменьшает многократность использования этих детекторов. Некоторые авторы [3] связывают уменьшение чувствительности ЫЕМ§,Си,Р после нагрева до 240°С с переходом меди из одновалентного в двухвалентное состояние. При этом сокращается количество центров рекомбинации и, как следствие, уменьшается чувствительность. Однако до сих пор не создана окончательная модель, описывающая происходящие в ЫЕМ§,Си,Р энергетические процессы.

Монокристаллические детекторы лишены недостатков, присущих порошковым и таблетизи-рованным образцам — они обладают низким фоновым сигналом, более полным светосбором со всего объема детектора и низкой эффективностью взаимодействия с окружающей средой. Однако при разработке монокристаллических детекторов необходимо учитывать присущие им недостатки. Прежде всего, это трудности выращивания монокристаллического люминофора с однородны-

288

ШАЛАЕВ и др.

ми термолюминесцентными свойствами по всему объему монокристалла. Кроме того, с целым рядом эффективных активаторов, которые используют в порошковых и таблетизированных детекторах, вырастить монокристаллы не представляется возможным: ионы примеси не встраиваются в решетку кристалла должным образом, поэтому возможность активирования порошковых и таблетизированных образцов практически любыми примесями позволяет синтезировать термолюминесцентные детекторы с высоким световыходом, которым монокристаллические детекторы (например, ЫЕМ§,Т1) уступают по чувствительности.

Задача настоящих исследований мотивировалась созданием именно монокристаллического термолюминесцентного детектора ионизирующего излучения на основе фторида лития с наиболее эффективными для ТЛД примесями.

Одним из самых распространенных в мировой практике монокристаллических детекторов является ТЛД-100 (ЫЕМ§,Т1). Однако в этом люминофоре процесс термолюминесценции проходят через промежуточные стадии, что уменьшает чувствительность таких детекторов [4]. Мы предполагаем, что активация кристаллов ионами одновалентной меди позволит избежать этих промежуточных стадий вследствие прямых рекомбинационных переходов и приведет к повышению чувствительности термолюминофора.

К сожалению, сегодня практически нет работ по оптической спектроскопии одновалентной меди в кристаллах ЫБ, хотя проводились обширные исследования структуры и свойств этого иона в других кристаллических матрицах (№С1, ЫС1, [5—7]. Это связано с тем, что однова-

лентные ионы меди активно восстанавливаются до металла, либо окисляются до двухвалентного состояния. Такая нестабильность иона Си в одновалентном состоянии усложняет получение кристаллов ЫЕСи+.

Нами была проведена работа [8] по поиску оптимальных вариантов приготовления шихты и подбору условий для выращивания кристаллов фторида лития, активированного одновалентной примесью меди. В итоге были получены кристаллы ЫЕСи+ и ЫЕСи,М§. Выращивание кристаллов ЫЕСи,М§ было следующим этапом работы после того, как мы в ходе спектральных измерений кристаллов ЫЕСи убедились, что подобранные нами ростовые условия способствуют вхождению меди именно в одновалентном состоянии. Данная статья посвящена исследованию влияния примеси меди и магния на термолюминесцентные свойства фторида лития.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для наших исследований выращивали монокристаллы фторида лития методом Чохральского. Активирование медной примесью осуществлялось специально подготовленной шихтой, содержащей хлорид меди [8]. Содержание меди по данным атомно-абсорбционного анализа в образцах составило порядка 0.0004 до 0.002%. Как показано в [9], такой концентрации меди достаточно для эффективного протекания люминесцентных процессов в широко распространенном термолюминофоре LiF:Mg,Cu,P. В качестве магниевого активатора использовали MgF2. Концентрация магния в наших образцах варьировалась в пределах 0.05—0.2%.

Спектры возбуждения и свечения были получены с помощью люминесцентного спектрофлуо-риметра Perkin-Elmer LS55; поглощение образцов измеряли в видимой и ультрафиолетовой области (200—500 нм) на спектрофотометре Perkin-Elmer Lambda 950UV/Vis/NIR. Спектры возбуждения, свечения и поглощения регистрировали при комнатной температуре.

Термолюминесцентные измерения проводились на лабораторной установке "STEND", разработанной в Иркутском государственном Университете. Такая установка позволяет реализовать различные профили нагрева для термообработки и высвечивания образцов.

Для облучения образцов использовали Sr60—Y60 источник Р-излучения. Образцы облучали тестовой дозой 0.3 Гр после чего они высвечивались. Высвечивание представляет собой линейный нагрев со скоростью 4°С/с до температуры 300°C. Для каждого образца проводили серию последовательных высвечиваний для исследования изменения чувствительности люминофоров после нагрева до 300°C.

Результаты исследования получены с использованием материально-технической базы Байкальского аналитического центра коллективного пользования СО РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены спектры фотолюминесценции, возбуждения и поглощения монокристалла ЫЕСи. В спектре поглощения наблюдается широкая полоса в области 250—320 нм с последующим увеличением оптической плотности на меньших длинах волн.

Широкая полоса в области 400 нм наблюдается в спектре фотолюминесценции при возбуждении 200 нм (рис. 1, кривая 1), которая, возможно, обусловлена неконтролируемыми кислородными примесями [10]. Такая люминесценция наблюдается в неактивированных кристаллах фторида лития.

ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ

289

Интенсивность, отн. ед.

I1 ЫБ: Си

(1) свечение

(2) возбуждение '

(3) поглощение !

• \ ; / 1 »

■ - ■ Ьехе = 200 пт

- ■ Ьехе = 274 пт" —■ Ьет = 360 пт

- ■ - Ьет = 450 пт_

к, см-1 Выход ТЛ, отн. ед. 3.0

Е1Б: мб, Си

2.5 1.0 2.0

V.

•У;

:3

1.5 1.0 0.5

200 250 300 350 400 450 500 550 X, нм

Рис. 1. Спектры свечения, возбуждения и поглощения кристаллов ПК Си.

0.5

1 — 1-е высвечивание

2 — 2-е высвечивание

3 — 3-е высвечивание

3

1 •

! \

Время облучения г • 2 2

" 1 мин /Л

/ 1

* * % V

1 1 1 *

100

200

300 Т, °С

Рис. 2. Кривые термовысвечивания кристаллов ЬШМ^Си (Мб 0.2%) полученные в результате последовательного нагрева до 300°С.

0

Возбуждение в полосе 275 нм (в области широкой полосы поглощения) сдвигает полосу свечения в коротковолновую сторону — 360 нм.

В спектре возбуждения в полосе свечения при 360 нм выделяются пики около 200, 230 и 275 нм (который хорошо согласуется со спектром поглощения). Причем полосы при 230 и 275 нм появляются в этом спектре возбуждения после активации фторида лития примесью меди. Из литературы известно [10], что поглощение металл-кислородных центров находится в области 180—230 нм, а их люминесценция наблюдается в области 400—450 нм. Следовательно, полоса возбуждения в 230 нм может быть обусловлена медь-кислородными центрами.

Полоса свечения 360 нм в спектре фотолюминесценции при возбуждении светом 275 нм появляется только после активирования кристаллов фторида лития примесью меди.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком