Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Рабочая программа'
Данная рабочая программа по математике составлена на основе федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) общего образования ...полностью>>
'Бизнес-план'
Бизнес-план представляет собой всестороннее описание бизнеса и среды, в которой он действует, а также системы управления, в которой он нуждается для д...полностью>>
'Книга'
Этот уникальный труд впервые дает стройную систему научных представлений о методах лечения, которые не признаются или замалчиваются традиционной меди...полностью>>
'Документ'
Данная работа посвящена одному из важнейших вопросов атомной отрасли – управлению ядерными знаниями. В ней рассматривается современное состояние дел ...полностью>>

Азмаганбетова Жаннур Рамазановна Люминесценция чистых и активированных редкоземельными ионами Caso 4 при облучении вуф-радиацией и электронами 01. 04. 00 Физика диссертация

Главная > Диссертация
Сохрани ссылку в одной из сетей:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Л.Н. ГУМИЛЕВА

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТАРТУСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 539.12.04; 548:539.12.04. 535.37 На правах рукописи

Азмаганбетова Жаннур Рамазановна

Люминесценция чистых и активированных редкоземельными ионами CaSO4 при облучении ВУФ-радиацией и электронами

01.04.00 – Физика

Диссертация на соискание академической степени

доктора Ph.D.

Научные руководители:

д.ф.-м.н., профессор Нурахметов Т.Н.,

д.ф.-м.н., профессор Лущик А.Ч.

Тартуский Университет (Эстония)

Астана - 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения……………………………………..

3

Введение………………………………………………………………...

4

1

Электронные возбуждения и люминесценция сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов……………………..

8

1.1

Электронные возбуждения и радиационные дефекты в сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов…………………………

8

1.2

Собственная и примесная люминесценция в сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов…………………………

24

1.3

Термостимулированные и туннельные процессы в сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов…………………………

31

2

Объекты исследования, методы исследования и экспериментальные установки…………………………………...

36

2.1

Объекты исследования………………………………………………

36

2.2

Методы исследования и экспериментальные установки………….

43

2.2.1

Методы исследования………………………………………………..

43

2.2.2

Экспериментальные установки……………………………………...

47

3

Люминесценция чистых и активированных редкоземельными ионами CaSO4…………………………………

57

3.1

Люминесценция чистого люминофора CaSO4……………………..

57

3.2

Люминесценция СaSO4, активированных редкоземельными ионами Tb3+……………………………………………………….......

62

3.3

Люминесценция CaSO4, активированных редкоземельными ионами Eu3+, Gd3+ и Dy3+…………………………………………….

72

3.4

Люминесценция CaSO4, активированных ионами Mn2+………….

80

4

Термостимулированные и туннельные процессы в CaSO4…...

84

4.1

Термостимулированные и туннельные процессы в люминофорах CaSO4:Tb3+,Na+……………………………………………………….

84

4.2

Термостимулированные и туннельные процессы в люминофоре CaSO4, активированных ионами Gd3+, Dy3+, Eu3+, Mn2+…………..

91

4.3

Радиационное создание дефектов в CaSO4, активированных редкоземельными ионами…………………………………………...

98

Заключение…………………………………………………………...

103

Список использованных источников литературы

105

обозначения и сокращения

В настоящей диссертации применяются следующие сокращения с соответствующими определениями:

АЛД

автолокализованная дырка

АЛЭ

автолокализованный экситон

ВЗ

валентная зона

ЗЗП

зона запрещенных энергий

ЗП

зона проводимости

ЭВ

электронное возбуждение

СЭВ

собственное электронное возбуждение

РЭВ

размножение электронных возбуждении

RE3+

rear-earth (редкоземельные ионы)

ВУФ-радиация

вакуумная ультрафиолетовая радиация

X-радиация

рентгеновская радиация

γ-излучение

гамма излучение

ЭПР

электронный парамагнитный резонанс

ТСЛ

термостимулированная люминесценция

ТЛ

туннельная люминесценция

ФСЛ

фотостимулированная люминесценция

ЩГК

щелочно-галоидный кристалл

ФЭУ

фотоэлектронный умножитель

эВ

электрон-вольт

D

доза облучения

междоузельный атом галоида

междоузельный ион галоида

междоузельный ион щелочного металла

электрон

дырка

экситон

электронно-дырочная пара

анионная вакансия

катионная вакансия

При написании структурных формул индекс внизу показывает место в кристаллической решетке, индекс сверху – заряд относительно решетки (а, с- анионные и катионные узлы, i - междоузлие)

Введение

Актуальность темы

В физике твердого тела одной из актуальных проблем является поиск радиационно-чувствительных материалов, которые широко применяются как детекторы ионизирующих излучений и высокоэнергетических частиц. Для улучшения радиационной чувствительности материалов к внешним воздействиям необходимо целенаправленно изучить механизмы взаимодействия излучений с веществом, приводящие к созданию собственных и примесных электронных возбуждений.

Излучательный распад примесных и собственных электронных возбуждений хорошо изучен в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК). Именно, в ЩГК открыт ряд новых явлений, представляющих принципиальный интерес для физики твердого тела. Это такие фундаментальные явления, как автолокализация дырок и экситонов в идеальной решетке при низких температурах [1]. Свечение и сосуществование свободных и автолокализованных экситонов. Передача энергии экситонами и электронно-дырочными парами к примесным центрам люминесценции.

Быстрое развитие наукоемких производств требует новых высококачественных материалов, применяемых как рабочее тело, для твердотельных дозиметров, люминофоров, сцинтиляторов и др., к которым предъявляются повышенные требования в эффективности, надежности и долговечности.

Кристаллы CaSO4, активированные редкоземельными ионами (RE3+) Dy3+ и Eu3+ являются действующими дозиметрами для регистрации γ-и рентгеновских излучений. Фосфоры CaSO4:Mn давно используются в качестве дозиметров вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) радиации и как объекты сравнения при разработке селективных дозиметров быстрых нейтронов. Для получения новых термолюминесцентных дозиметров, основой которых служат сульфаты щелочноземельных металлов, используются различные технологии производства и обработки конечного продукта. Обычно производители не достаточно удаляют внимание в специфику релаксационных процессов, приводящих к излучению примесей Dy3+, Eu3+ и т.д.

В связи с поиском различных люминофоров для применения в осветительных приборах и плоских плазменных телевизионных дисплеях [2-4] широко исследуются оксианионные соединения на базе щелочноземельных сульфатов. В последнее время интерес к этим широкозонным системам возник в связи с возможностью их использования в экологически чистых лампах с ксеноновым разрядом, где излучение ксенона возбуждает молекулярный оксианион SO42- с последующим преобразованием энергии в излучение ионов RE3+.

Интерес, вызываемый в этом плане сложными сульфатами щелочноземельных металлов, обусловлен их высокой радиационной чувствительностью, явно выраженными ионными свойствами, прозрачностью в удобной для исследования области спектра, а также сравнительной легкостью синтеза.

Знание последовательных процессов релаксации электронных возбуждений, происходящих в дозиметрических материалах и других люминофорах, дает возможность регулировать процесс распада электронных возбуждений и разрабатывать технологии приготовления новых люминофоров с заданными свойствами.

Цели и задачи исследования

Выяснение природы собственной и примесной люминесценции, элементарных механизмов передачи энергии к центрам люминесценции при облучении радиацией с энергией в интервале 4-30 эВ и радиационных процессов при низкотемпературном облучении электронами с энергией 5 кэВ в сульфатах кальция, легированных редкоземельными ионами Tb3+, Gd3+, Dy3+, Eu3+ и ионами Mn2+.

Достижение данной цели требовало решения следующих задач:

  1. Исследовать спектры излучения центров люминесценции чистых CaSO4 и люминофоров CaSO4:Tb3+,Na+, CaSO4:Gd3+,Na+, CaSO4:Dy3+,Na+, CaSO4:Eu3+,Na+ и CaSO4:Mn2+.

  2. Исследовать спектры возбуждения внутрицентрового излучения примесных центров при облучении ВУФ- радиацией в области фундаментального поглощения CaSO4 в широкой области температур 5-300 К.

  3. Выявить основные механизмы передачи энергии от CaSO4 к примесным центрам.

  4. Изучить низкотемпературную катодолюминесценцию и термоактивационную люминесценцию при нагреве в области 5-420 К чистых и активированных CaSO4.

  5. Разделить туннельные и термостимулированные процессы в облученных при низких температурах люминофорах CaSO4.

Научная новизна исследования

Научная новизна настоящей диссертации заключается в том, что в работе впервые:

  1. Выявлено, что в активированных разными примесными ионами CaSO4 излучение Tb3+(2,27 эВ и 3,27 эВ), Gd3+(~ 4 эВ), Dy3+(2,65 эВ), Eu3+(2,1 эВ) и Mn2+(2,57 эВ) эффективно возбуждается в спектральной области 8,0-8,6 эВ, где происходит фотовозбуждение оксианионного комплекса SO42-. Эта область возбуждения особенно актуальна, так как совпадает с резонансным излучением -разряда (8,44 эВ), используемого во многих плазменных дисплеях и люминесцентных лампах.

  2. Выявлено также, что второй основной механизм передачи энергии к примесным центрам связан с созданием фотонами hex>9,5 эВ разделенных электронов и дырок. Этот механизм особенно эффективен в области 25-30 эВ, где каждый возбуждающий фотон создает две и более электронно-дырочные пары.

  3. При прямом фотовозбуждении примесных центров в CaSO4:Tb3+,Na+ выделены две группы 4f - 4f электронных излучательных переходов (5D4 7FJ и 5D37FJ), относительные интенсивности которых различны при передаче энергии примесному иону Tb3+ от возбужденного оксианионного комплекса или при рекомбинационном возбуждении Tb3+-центров. Соотношение интенсивностей этих двух групп излучательных переходов зависит от концентрации ионов и различно в стационарном свечении и туннельной фосфоресценции.

  4. Слабые низкотемпературные широкополосные свечения номинально чистого CaSO4 (в области 1,8-3,0 эВ, 3,8 эВ и 4,4 эВ) резко ослабляются при введении в матрицу ионов Tb3+, Gd3+, Dy3+, а также зависят от атмосферы синтеза и температуры окончательной прокалки люминофора. В неактивированном CaSO4 зарегистрирована новая полоса люминесценции 4,4 эВ, возникающая при электронно-дырочной рекомбинации в регулярной решетке или вблизи точечного дефекта.

Связь с планом научно-исследовательских работ

Диссертационная работа выполнялась в Евразийском Национальном университете имени Л.Н. Гумилева и в Институте Физики Тартуского Университета (Эстония) в рамках гос.бюджетной программы «Международное сотрудничество в области науки 2007-2009гг.» по теме: «Иследование физико-химических процессов в органических и неорганических материалах и разработка технологии получении новых сцинтилляционных материалов» (контракт №356 от 18 октября 2007, контракт №202 от 23 февраля 2008, контракт №166 от 5 февраля 2009), «Фундаментальные и прикладные научные исследования» по теме: «Исследование радиационно-, фото- и термостимулированных процессов, структурно-фазовых превращений и моделирование дефектообразования в ионных кристаллах» (контракт №ФН-1.13-2Д от 14 февраля 2006г., контракт № 13-2Д от 6 марта 2007г., контракт №5-2Д от 5 марта 2008г.)

Научно-практическая значимость работы

Результаты, полученные при исследовании люминофоров CaSO4:Tb3+,Na+ могут быть применены при изготовлении экологический чистых ламп, плоских плазменных дисплеев. Термолюминесцентные дозиметры на основе CaSO4 активированных (Dy3+, Eu3+, Mn2+ и т.д.) могут найти применение для исследования поглощенной дозы, радиационного излучения в индивидуальной дозиметрии, для мониторинга окружающей среды и т.д.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Экспериментальные результаты по исследованию спектров возбуждения внутрицентровых свечений примесей   Tb3+ (2,27 эВ и 3,27 эВ), Gd3+ (~ 4 эВ), Dy3+ (2,65 эВ), Eu3+ (2,1 эВ)   в люминофорах CaSO4:RE3+,Na+ и CaSO4:Mn2+ (2,57 эВ).

  2. Результаты исследования по идентификации электронных переходов в свечении ионов Gd3+ и Dy3+ в люминофорах CaSO4:Gd3+,Na+ и CaSO4:Dy3+,Na+.

  3. Результаты исследования процессов передачи энергии собственными электронными возбуждениями примесным ионам Tb3+, Gd3+, Dy3+, Eu3+ в CaSO4:RE3+,Na+ и в CaSO4:Mn2+. Выделение процессов с участием возбужденных оксианионов и рекомбинацией электронов и дырок.

  4. Результаты исследований по обнаружению туннельной фосфоресценции и низкотемпературных пиков ТСЛ в облученных электронами и ВУФ - радиацией в CaSO4:RE3+,Na+ (RE3+=Tb3+, Gd3+, Dy3+, Eu3+) и CaSO4:Mn2+.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах: 6-ая Международная конференция «Ядерная и радиационная физика» 2007г. Алматы, Казахстан; 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (ICL’08) 2008. Lion, France; International Conference on Functional materials and nanotechnologies (FM&NT - 2009) 2009 Riga, Latvia; VI Международная научная конференция «Наука и образование - 2009» ЕНУ имени Л.Н.Гумилева, 2009.г., Астана, Казахстан; III Международной конгресс студентов и молодых ученых, посвященный 75 – летию КазНУ им.алб-Фараби: «МИР НАУКИ», 2009.г., Алматы, Казахстан.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них 3 статьи в журналах: «Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева» - 1 статья, «Journal of Luminescence» - 1 статья (Lion, 2009), «Доклады НАН РК» - 1 статья; 7 тезисов докладов.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, основной части, включающей три главы, заключения, списка использованных источников, состоящего из 144 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 6 таблиц и 43 рисунка.

1 Электронные возбуждения и люминесценция в сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов



Скачать документ

Похожие документы:

Поиск не дал результатов..