ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2007, том 41, № 5, с. 384-389
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 544.54:537.533
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДОВ-ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПО ДАННЫМ ЭКЗОЭМИССИИ
© 2007 г. И. В. Крылова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992, Москва, Воробьевы горы
E-mail: krylova@kge.msu.ru Поступила в редакцию 25.09.2006 г.
Представлены результаты исследования экзоэмиссии материалов высокочувствительных термолюминесцентных (ТЛ) и экзоэмиссионных (ЭЭ) дозиметров на основе a-Al2O3, BeO, LiF и предложена схема образования центров ТЛ и ЭЭ при действии слабопроникающих (в, a) излучений, их взаимосвязь с электронными и дырочными (F, VK) центрами и проявлением дозиметрических пиков при считывании дозы (термостимуляции). Разработан единый подход к трактовке явления термо-стимулированной эмиссии (ТСЭ) исследованных материалов на основе валентных превращений слабосвязанного с поверхностью кислорода. С позиций физико-химического механизма экзоэмиссии обоснованы трудности в создании комбинированных высокочувствительных ТЛ-ТСЭ-дозиметров.
Наиболее чувствительными, используемыми в настоящее время детекторами слабопроникающих ионизирующих излучений являются приготовленные в восстановительной атмосфере : С LiF.Mg.CuP, LiF.Mg.Ti и менее распространенные - пленки на основе ВеО [^.Однако дозиметрические свойства этих материалов, особенно природа центров ТЛ, по-прежнему вызывают большой интерес. ЭЭ-дозиметры и комбинированные ТЛ-ТСЭ-дозиметры на основе ВеО [2], LiF [3], [4, 5] для одновременного
детектирования проникающих (у-) и слабопроникающих (а-, в-) излучений , потоков нейтронов были предложены еще в 1970-х гг. Экзоэмиссия происходит из неглубоких (~10 нм) поверхностных слоев твердых тел [6, 7] и проявляет высокую чувствительность к слабопроникающим излучениям, тогда как ТЛ-явление объемное - в большей степени дает отклик на образование дефектов при действии проникающих излучений. В последнее время интерес к разработке высокочувствительных ЭЭ-дозиметров снизился ввиду их нестабильной работы, изменении их чувствительности при хранении и потери полученной дозы радиации до ее считывания. Особенности ЭЭ-дозиметрии обусловлены физико-химическими процессами взаимодействия нарушенной поверхности детектора с окружающей средой в ходе как облучения, так и считывания дозы [8, 9]. ТЛ и ТСЭ с детекторов а-Al2O3 : C исследованы в [10-13]. Найдена корреляция в температурном положении пиков ТЛ и ТСЭ (Гмакс = 180°C). Развивая "объемную" концепцию ЭЭ, основанную на зонной модели твердого тела, и регистрируя ТСЭ, авторы [10] оцени-
вают величину электронного сродства кристалла (0.12 эВ), не учитывая при этом роль адсорбционных слоев. Основные работы, касающиеся радиационных дефектов в кристалле a-Al2O3 : C (дозиметр ТЛД-500), посвящены исследованиям ТЛ, ТСЭ-отклик при этом не рассматривается [4, 5, 14]. В [15] нами были исследованы ТСЭ кристалла Al2O3 : ^ приготовленного в [4, 5], и зависимости ТСЭ от дозы при действии Р-излучения 9^г9^. Установлено, что температурное положение наиболее интенсивного пика ТСЭ зависит от дозы действующего излучения, а при дозах >1000 рад нарастающая кривая ТСЭ при отсутствии максимумов имела флуктуационный характер, обусловленный микропробоями в разноименно заряженных областях кристалла.
Представляет интерес природа радиационных дефектов в керамических материалах, в том числе в а^^^ подвергнутых облучению в условиях реактора и ускорителя электронов [1, 14, 16]. Целью настоящей работы было исследование радиационных дефектов и радиационно-индуцирован-ных процессов в детекторах на основе а^^, LiF, BeO и обсуждение данных, касающихся валентных превращений в адсорбционных слоях кислорода на облученной поверхности этих материалов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Ввиду наличия микропробоев в кристалле : C [15] представляло интерес исследование ТСЭ плазменно-напыленного слоя а^^^ имеющего пористую структуру, поглощающую
плазмообразующий газ и обеспечивающую стека-ние на подложку возникающих при облучении разноименных зарядов. Исследовали образцы покрытия a-Al2Oз/Al, приготовленные в плазме дугового разряда по технологии, используемой в космической технике, и высокочувствительные ТЛ-детек-торы ионизирующих излучений LiF.Mg.Cu.P, разработанные в Китае, LiF.H - в Финляндии и керамику ВеО - ТЛ-ТСЭ-детектор Termаlox-995 (CШA). Облучение производили действием потоков Р-О^г9^ или a-(239Pu) частиц. ТСЭ регистрировали в импульсном режиме при линейном нагреве образцов газопроточным счетчиком Гейгера с метаном в качестве гасящего газа или в вакууме вторично-электронным умножителем ВЭУ-6 [6]. Скорость нагрева составляла 7 град/мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Температурное положение пиков ТСЭ и ТЛ для а-А1203 : С (Р-излучение). На рис. 1 приведены кривые ТСЭ образца a-Al2O3/Al при действии Р-излуче-ния. В отличие от [4, 5] и в соответствии с [15], Тмакс наиболее интенсивного пика ТСЭ сильно зависит от дозы облучения: при малых дозах основной пик ТСЭ расположен при Т = 100-130°С, как и в [4, 5], тогда как при В = 60-1200 рад - при Т > 275°С. Одновременно при увеличении дозы проявляется и возрастает пик при Т = 220°С. Из соотношения Е = 25 кТмакс (Рендал-Уилкинс, 1945г.) следует, что с увеличением дозы облучения электроны испускаются из ловушек большей глубины. Те же закономерности мы наблюдали при регистрации ТСЭ кристалла a-Al2O3 : C [15]. В [14] при исследовании ТЛ кристалла a-Al2O3 : C обнаружен лишь небольшой сдвиг дозиметрического пика (Тмакс ~ 180°С) при увеличении дозы Р-излучения в интервале 1.2-290 Гр на 10°С в сторону низких температур. В ряде случаев наблюдали пики ТЛ малой интенсивности при Тмакс = 60-100, 330 и 360°С, ^ответствующие пикам ТСЭ на рис. 1. Сдвиг основного пика в низкотемпературную область авторы [14] объясняют его многокомпонентной природой. В определенных условиях эксперимента (при предварительном воздействии высоких доз р-излучения) наблюдали сдвиг основного пика ТЛ в высокотемпературную область. Изменение температурного положения пика, а также формы кривой авторы относят за счет заполнения глубоких электронных и дырочных ловушек. При построении модели центров ТЛ авторы [14] используют зонную модель диэлектрика a-Al2O3. Рассматриваются основные дозиметрические ловушки, глубокие электронные и дырочные ловушки, ловушки небольшой глубины, р- и Р+-центры. При облучении происходят процессы образования электронно-дырочных пар, захвата электронов основными и глубокими ловушками, электронно-дырочной рекомбинации
Рис. 1. Интенсивность термостимулированной эмиссии (I, имп/с) образца покрытия a-Al2Oз/Al после действия Р-излучения; дозы В = 13 (1), 61 (2) и 260 рад (3).
на Р+-центрах, захват дырок р-центрами, глубокими дырочными ловушками и процессы рекомбинации на глубоких дырочных ловушках. Установлена электронная природа основного ТЛ-пика. Изменения в температурном положении и ширине этого дозиметрического ТЛ-пика (180°С) обусловлено заполнением глубоких ловушек, хотя это положение требует дальнейших исследований [14].
Неудачи многочисленных попыток создания высокочувствительных комбинированных ТСЭ-ТЛ-дозиметров слабопроникающих ф-, Р-) излучений, потоков нейтронов, проникающих у-излу-чений объясняется тем,что механизм ТЛ-явления объемного характера, основанный на зонной модели твердого тела, существенно отличается от механизма ТСЭ-явления поверхностного характера. ^руктурные поверхностные дефекты (ловушки), образующиеся при действии ионизирующих излучений, активно взаимодействуют с газовой средой. Пики ТЛ малой интенсивности при 50-100, 330 и 360°С, наблюдавшиеся в [14], и пики ТСЭ, наблюдавшиеся нами в [15] для a-Al2O : ^ обусловлены присутствием адсорбционных слоев. При облучении a-Al2O3 потоком нейтронов автор [17] обнаружил пики ТЛ при температурах 105, 285 и 370°С. Дырочная природа пика при Т = 285°С обусловлена, по мнению автора, внедренным кислородом, пика при Т = 370°С - агрегатом из двух внедренных междоузельных атомов О [17] (рис. 1).
Установлено [9], что в ходе регистрации ТСЭ с a-Al2O3 и BeO газопроточным счетчиком в атмосфере СН4 интенсивность дозиметрического пика при Тмакс = 290°С cущественно зависит от времени выдержки образца в воздухе или в атмосфере СН4
I х 104, имп с 1
200
1 1
< II ¡1 VI! ■ш 1\
к ¡1 1 1,\ ел
II ,
1'/; ш | \\ \
300
т, °с
400
Рис. 2. Интенсивность термостимулированной эмиссии (I, имп/с) керамики ВеО после действия потока электронов от электронной пушки (Е = 1.5 кэВ, Г = 15 мин) на исходный образец, подвергнутый термовакуумной обработке (1), после адсорбции О2 (2), Н2 (3) и Н2О (4) при Т = 360°С на предварительно облученный образец.
I, имп с 1
400
80
60
40
20
12 х 102, имп с 1 16
100
200 т, °с
300
12
8
4
400
при охлаждении. Доза ^-излучения 9^г90У составляла 16 рад. При длительном хранении в СН4 интенсивность пика ТСЭ с а-А12О3 возрaстaлa в 1.5-2 раза. После действия рентгеновского излучения при регистрации ТЛ для порошка а-А12О3 авторы [11] обнаружили пики при 25, 105, 155 и 320°С Пик при 155°С по интенсивности преобладал в случае приготовления образцов в восстановительной атмосфере (Аг + Н2), тогда как пик при Тмакс = 320°С -при приготовлении в окислительной атмосфере (О2). Наблюдалась корреляция между ТЛ и ТСЭ, что позволило авторам [11] трактовать ТСЭ как эмиссию с объемных дефектов, диффундирующих, однако, к поверхности. Таким образом, влияние адсорбированных газов на соотношение ин-тенсивностей температурных пиков установлено не только в ТСЭ, но и в явлении ТЛ.
На рис. 2 приведены полученные нами результаты измерения ТСЭ с керамики ВеО (Teгmalox 995) при регистрации ВЭУ в вакууме после термовакуумной обработки (кривая 1), последующей адсорбции кислорода (2) и водорода (3) при 360°С. Интенсивность сдвоенного максимума ТСЭ при Т = 280-330°С повышается в результате адсорбции как кислорода (Тмакс = 320°C), так и водорода (Тмакс = 300°С). Эмиссионно-активными здесь являются дырочные центры Кк-(О5-) и КоИ-центры.
Рис. 3. Интенсивность термостимулированной эмиссии (I, имп/с) де
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.