Люминесценция кристаллов вольфраматов двухвалентных элементов и свинца тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Якимова, Ирина Олеговна

• Якимова, Ирина Олеговна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Якимова, Ирина Олеговна

ВВЕДЕНИЕ

1 КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ И ЛЮМИНОФОРЫ б

1.1 Сцинтилляция, ее характеристики

1.2 Кристаллическая структура вольфраматов

1.3 Физико-химические свойства вольфраматов

1.4 Дефекты структуры вольфраматов AWO

1.5 Спектры высвечивания кристаллов вольфраматов (AW04)

1.6 Кинетика затухания люминесценции PbW

1.7 Термостимулированная люминесценция вольфраматов

1.8 Центры и механизм свечения вольфраматов

1.9 Влияние примесей на люминесцентные характеристики PbW

1.10 Влияние отжига и облучения электронами на люминесцентные характеристики вольфраматов

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ

2.1 Исследуемые материалы

2.2 Метод химического анализа

2.3 Измерение спектров пропускания

2.4 Измерение спектров рентгенолюминесценции

2.5 Измерение спектров термостимулированной люминесценции

2.6 Метод облучения и дозиметрического сопровождения образцов на ускорителе ЭЛУ

2.7 Метод восстановительного отжига

3 ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТОВ

3.1 Влияние среды выращивания на ТСЛ кристаллов PbW

3.2 Распределение дефектов по кристаллу PbW04, выращенному в окислительной атмосфере

3.3 Влияние нестехиометрии на ТСЛ кристаллов PbW

3.4 Влияние термообработки на ТСЛ кристаллов PbW

3.5 Влияние облучения электронами на TCJ1 кристаллов PbWC>

3.6 Влияние легирования на TCJ1 кристаллов PbWC>

4 РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТОВ

4.1 Влияние среды выращивания на рентгенолюминесценцию кристаллов Pb W

4.2 Влияние распределения дефектов по кристаллу PbWC>4, выращенному в окислительной атмосфере, на рентгенолюминесценцию

4.3 Влияние нестехиометрии на рентгенолюминесценцию кристаллов PbW

4.4 Влияние термообработки на рентгенолюминесценцию кристаллов вольфраматов

4.5 Влияние облучения электронами на рентгенолюминесценцию кристаллов вольфраматов

4.6 Влияние легирования на рентгенолюминесценцию кристаллов вольфраматов

5 ПРОПУСКАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ВОЛФРАМАТОВ

5.1 Влияние среды выращивания на пропускание кристаллов вольфраматов

5.2 Влияние распределения дефектов по кристаллу PbW04, выращенному в окислительной атмосфере, на пропускание

5.3 Влияние нестехиометрии на пропускание кристаллов PbWC>

5.4 Влияние термообработки на пропускание кристаллов PbW

5.5 Влияние легирования на пропускание кристаллов вольфраматов

6 ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТОВ

ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СВИНЦА

7 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Люминесценция кристаллов вольфраматов двухвалентных элементов и свинца»

В течение долгого времени потребность в сцинтилляторах для физики высоких энергий была достаточно ограниченной и в основном удовлетворялась наиболее распространенным сцинтилляционным кристаллом йодистого натрия Nal(Tl), находящим применение во многих областях [1]. В последнее десятилетие интенсивное развитие экспериментов в физике высоких энергий (медицина и технология) стимулировало исследование и усовершенствование более широкого класса сцинтилляторов. Так, исследование германата висмута (В GO) проводилось для международного проекта, связанного с коллайдером L3 в Центре ядерных исследований в Женеве (ЦЕРН). Полученные результаты позволили применять кристаллы BGO в медицине. Кристаллы иодида цезия Csl и CsI(Tl), предназначенные для электромагнитных калориметров, изучались для целого ряда проектов (Cleo II, Crystal Barrel, KTeV, Belle и ВаВаг) и они нашли применение в качестве сцинтилляционных детекторов для технологии. Аналогичное применение нашли быстродействующие флюориды BaF2 и CeF3.

Вольфраматы щелочноземельных элементов и свинца уже давно привлекают внимание физиков и являются перспективными материалами в физике высоких энергий. Поиск материалов с наиболее оптимальными характеристиками для физики высоких энергий, ядерной физики, геофизики, медицины привел к исследованию кристаллов вольфраматов.

Сцинтилляционные свойства вольфраматов двухвалентных ионов известны достаточно давно [1]. Им посвящено большое количество исследований. Важной особенностью вольфраматов кадмия, кальция, цинка является высокий атомный номер и большая плотность. Они обеспечивают хорошую эффективность регистрации при относительно малых объемах и обладают достаточно высоким световым выходом, однако медленное затухание сцинтилляций ограничивает их применение случаями, когда не требуется большой скорости счета. Вольфраматы щелочноземельных металлов используются в детекторах рентгеновского излучения, в медицинских и промышленных томографах, а также в детекторах полного поглощения у-квантов в условиях небольших загрузок [2].

Характерная особенность вольфраматов — способность к свечению при отсутствии активаторов. Люминесцентные и сцинтилляционные свойства вольфраматов сильно зависят от их предыстории и, следовательно, от дефектов структуры.

В настоящее время одна из задач при исследовании высвечивания вольфраматов - установление природы центров свечения и центров захвата электронов, а так же роли дефектов структуры в формировании этих центров.

Остается много неясных вопросов, связанных с возникновением и релаксацией возбужденных электронных состояний и с переносом энергии к центрам высвечивания в этих кристаллах. Решение этих проблем позволит управлять оптическими свойствами этих кристаллов, в частности, позволит повысить световыход.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Якимова, Ирина Олеговна

выводы

1. На основе данных, полученных при проведении исследований спектров пропускания, ТСЛ и РЛ уточнена структура запрещенной зоны нелегированных кристаллов PbW04, что позволяет наиболее полно представить механизмы возникновения, релаксации возбужденных состояний и переноса энергии к центрам высвечивания.

2. В результате исследования влияния условий выращивания, термообработки, облучения электронами на пропускание, ТСЛ и РЛ кристаллов PbW04 установлено, что повышение светового выхода кристаллов PbW04 достигается выращиванием кристаллов PbW04 в атмосфере азота, их восстановительным отжигом, легированием La и La+Y и электронным облучением кристаллов PbW04, выращенных на воздухе. Добавление W03 в шихту в процессе синтеза так же может использоваться для повышения светового выхода кристаллов PbW04.

3. В результате исследования спектров РЛ кристаллов вольфраматов двухвалентных элементов определена корреляция положения коротковолнового максимума люминесценции с температурой плавления кристаллов вольфраматов и, следовательно, с энергией связи. Наблюдаемая зависимость объяснена корреляцией А^ с ЭО, а различие люминесцентных характеристик кристаллов вольфраматов - различной поляризацией кристаллической решетки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Якимова, Ирина Олеговна, 2008 год

1. Глобус М. Е., Гринев Б. В. Неорганический сцинтилляторы. Новые и традиционные материалы. X.: Акта, 2000.

2. Цирлин Ю. А., Глобус М. Е., Сысоева Е. П. Оптимизация детектирования гамма-излучения сцинтилляционными кристаллами. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

3. Цирлин Ю.А. Светособирание в сцинтилляционных счетчиках. -М.: Атомиздат, 1975.

4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела.- М.: Гостехиздат, 1957.5. http://nuclphys.sinp.msu.ruyradiation/rad 3 .htm

5. Кристаллы сцинтилляторов и детекторы ионизирующих излучений на их основе / Л.В. Атрощенко, С.Ф. Бурачас, Л.П. Гальчинецкий и др. -Киев: Наукова Думка, 1998.

6. Влияние структурных дефектов на физические свойства вольфраматов / Л.Н. Лимаренко, А.Е. Носенко, М.В. Пашковский и др.-Львов: Вища школа, 1978.

7. Овечкин А.Е. Влияние дефектов нестехиометрии на спектрально-кинетические свойства вольфраматов: Автореф. дис.канд. физ.-мат. наук.- Харьков.- 1988.- 12 с.

8. Nagornaya L., Ryzhikov V. Fast scintillators based on large heavy tungstate single crystals // Heavy scintillators / Ed. by F. Notaristefani et al. -Chamonix, France, 1992. P. 367-374.

9. Devitsin E.G., Kozlov V.A., Potashov S.Y. e.a. // Nucl. Instrum. and Methods.- 2002. A 486. - P. 336-344.

10. Kazenas A.K., Chizhikov D.I. Pressure and vapor content over oxides of chemical elements.- Moscow: Nauka, 1976.

11. Zadneprovski B.I. e.a. // Inorg. Mater.- 1999.- V. 35. P. 295-298.

12. Ishii M. e.a. // Proceedings of the Fifth International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications.- SCINT'99.- Moscow State University.- 2000.- P.402-405.15. http://link.aps.0rg/d0i/l 0.1103/PhysRevLett. 14.223

13. Loo W. // J. Solid State Chem.- 1975/- V. 14.- P. 359-363.

14. B. Han, Feng X., Hu G. e.a. // J. Appl. Phys.- 1998.- V. 84.-P. 2831-2834.

15. Yan D. Some important issues on quantity production and quality improvement and assurance o/PWO crystals // Proc. of The Intern. Workshop on Tungstate Crystals / Ed. by S. Baccaro. -Roma.- 1998. P. 9-22.

16. Феофилов П. П. Спектроскопия кристаллов.- М.: Наука, 1966.

17. Феофилов П. П., Морозов А. М., Толстой М. И. // Оптика и спектроскопия.- 1966.- Т. 21.- С. 64-67.

18. Nassau К., Loiacono G. М. // J. Phys. Chem. Solids.- 1963.- V. 24.-Р. 1503-1507.

19. Кононов О. В. Природа и структурные типы центров стационарной люминесценции шеелита // ЖПС.- 1974.- Т. XXI,- Вып. 4.

20. Kinloch D. R., Novak W., Raby P., Toepke I. New developments in Cadmium Tungstate // IEEE Trans on Nuclear Science. -1994. -V. 41. -№4.

21. Korzhik M. V. PbW04 scintulator. Current status of R&D // Ibid. -P. 241-248.

22. Yin Z.W., Xue Z. L. Recent progress on the R&D of large size CsI(Tl) and PbW04 crystals // Inorgaanic Scintillators and Their Applications. Proc. of the Intern. Conference «SCINT 95»/Ed. by P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk.- Delft.- 1995. P. 490-494.

23. Lead tungstate (PbW04) scintillators for LHC EM-calorimetry / P. Lecoq, I. Dafinei, E. Auffray e. a. // Nucl. Instrum. and Metods.- 1995.-P.291-298.

24. Nikl M., Nitsch K., Hybler J. e.a. // Phys. Status Solidi.- 1996.- В 196.-K7.

25. Kobayashi M., Ishii M., Usuku Y. e.a. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.- 1993.- A 333.- P. 429-433.

26. Verwey J.F. // J. Phys. Chem. Solids.- 1970.- V. 31.- P. 163-168.

27. Fyodorov A., Korzhik M.V., Missevitch O. e.a. //Radiation Measurements.- 1996.- V.26.- №1.- P. 107-111.

28. Kolobanov V.N., Kamenskikh I.A., Mikhailin V.V. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res.- 2002.- A 486.- P. 496-503.

29. Гурвич A. M., Михайлин В. В., Мелешкин Б. Н. и др. // Журнал прикладной спектроскопии. 1976.- Т. 23. - С. 158-160.

30. Lecoq P. The lead tungstate calorimeter of the CMS experiment at LHC // Inorganic scintillators and their applications. Proc. Of the Intern. Conference «SCINT 95» Delft.- 1995. - P. 52-61.

31. Nikl M., Polak K., Nitsch K. Luminescence and scintillation of PbW04 single crystals // Inorganic Scintillators and Their Applications. Proc. of the Intern. Conference «SCINT 95» / Ed. by P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk. Delft.- 1995, P. 257-259.

32. Loo W. Luminescence of lead Molybdate and lead tungstate // Phys. Stat. Sol.- 1979.- V. (a) 27.- P. 565-574.

33. Groening J.A., Blasse. G. // J. Solid State Chem.-, 1980.- V. 32.-P. 9-20.

34. Radiation damage and thermoluminiscence of Gd-doped PbW04 / S. Baccaro, P. Bohacek, A. Cecilia e.a. // Phys. Stat. Sol.- 1997.- V. (a) 164.

35. Lammers M.J., Blasse G., Robertson D.S. // Phys. Stat. Sol.- 1981.-V. (a) 63.-P. 569-572.

36. Grassmann H., Moser H. G., Lorentz E. // J. of Luminescence.- 1985.-V. 33.-P. 109-113.

37. Zhu Y.C., Lu J.Ge., Shao Y.Y. e.a. // Nucl. Instrum. and Methods. Phys. Res.- 1986.- A244.- №3,- P. 579-581.

38. Hofstaetter A., Oeder R., Scharmann A. e.a. // Phys. Stat. Sol.- 1978.-V. (b) 89.- P. 375-380.

39. Annenkov A. N., Auffray E. e.a. // Rad. Meas.- 1998.- V. 29.- P. 27-38.

40. Анненков A.H. Разработка технологии массового производства радиационно стойких монокристаллических сцинтилляторов вольфрамата свинца: Дис.канд. техн. наук.- М., 2005.- 145 с.

41. Thermally stimulated luminescence properties of lead tungstate crystals / A. Annenkov M., Bohm A., Borisevich e.a. // Inorganic Scintillators and their Applications // Moscow State University.- 2000.

42. Martini M. e.a.//Chem. Phys. Lett. 1996.-V. 260.-P. 418-422.

43. Blasse G., Rokkers G. // J.Solid State Chem.- 1983.- V. 49.- №1,-P. 126-128.

44. Реут Е.Г. // Изв. АН СССР. Сер. физ.- 1985.- Т. 49.- №10.- С.2032-2038.

45. Реут Е.Г. // Изв. АН СССР. Сер. физ.- 1979.- Т. 43.- №10.- С.1186-1193.

46. Hofstaetter A., Oeder R., Scharmann A. e.a. // J. of Luminescence.-1981.- 22.-№4.- P. 419-428.

47. Korzhik M.V. PbW04 scintulator. Current status of R&D // Ibid. -P. 241-248.

48. Deych R. 11 Inorganic Scintillators and Their Applications. Proc. of the Intern. Conference «SCINT 95»/ Ed. by P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk. -Delft.- 1995.- P. 36-39.

49. Овечкин A.E., Викторов Л.В., Нагорная Л.Л. // ЖПС.- 1988. Т. 48.-№3.- С.336-340.

50. Кронгауз В. Г. Рентгенотоминесценция и механизмы миграции энергии в кислородсодержащих люминофоров // Люминесцентные материалы и особо чистые вещества.- Ставрополь: ВНИИ люминофоров и особо чистых веществ.- 1975. Вып. 12. - С. 12 - 20.

51. Гурвич A.M., Гутан В.Б., Михалев А.А. Природа центров свечения, захвата, тушения кальций-вольфрамного люминофора // Люминесцентные материалы и особо чистые вещества. Ставрополь: ВНИИлюминофоров и особо чистых веществ.- 1975.- Вып. 12.- С.30-40.

52. Ovechkin А. Е., Ryzhikov V. D., Tamulattis G. е.а. // Phys. Stat. Sol.-1987.-V. (a) 103.- P. 285-290.

53. Kochler H.A., Kikuchi C. // Phys. Stat. Solidi.- 1971.- B. 43.-P.423-432.

54. Lead tungstate (PbW04) scintillators for LHC EM-calorimetry / P. Lecoq, I. Dafinei, E. Auffray e.a. // CERN PPE.- 1994.

55. Ребане K.K., Саари П.М. // Изв. АН СССР. Сер.физ.- 1976.- Т. 40.- №9.

56. Овечкин А. Е., Нагорная Л. Л., Майстренко В. И. Исследование люминесценции кристаллов ZnW04 и CdW04 // Тез. докл. XXX совещания по люминесценции. Ровно.- 1984.

57. Пашковский М.В., Овечкин А.Е., Нагорная Л.Л. // Физ.электроника.- 1986.- Т. 32 С. 18-22.

58. Spectroscopy and origin of radiation centers in PbW04 / M.V.Korzhik e.a. //Phys. Stat. Sol.- 1996,- A. 154.

59. Батенчук M.M.//Физ.электроника. 1985. - Т. 30. - С. 111-113.

60. Батенчук М.М. Влияние дефектов люминесценции и сцинтилляционные свойства вольфраматов: Авт. дис. канд. физ.-мат. наук. Львов.- 1985. - 12с.

61. Батенчук М.М., Мороз З.Т., Нагорная Л.Л. и др. Спектрально-кинетические характеристики люминесценции и возможная модель центров свечения в CdW04 и ZnWC>4 Н Тез.докл. XXX совещания по люминесценции. Ровно.- 1984. - С. 133.

62. Moreau J.M., Galez Ph., Peigneux J.P. e.a. // J. Alloys and Сотр.- 1996.-V. 238.-P. 46-50.

63. Barta C., Dolejsi J., Bohun A. // Kristall und Technik.- 1970.- Y.5.-S. 433-437.

64. Kobayashi M., Usuki Y., Ishii M. e.a. // Nucl. Instrum. and Methods.1997,- A. 399.-P. 261-268.

65. Influence of La3+ doping on Radiation Hardness and thermoluminescence characteristics of PbWC>4 / S. Baccaro, P. Bohacek, B. Borgia // Phys. Stat. Sol.- 1997.- A. 160.

66. NiklN., Bohacek P., Nitsch e.a.//Appl. Phys. Lett- 1997.-V. 71.-P. 3755-3757.

67. Decay kinetics of the green emission in PbW04:Mo / M. Nikl, E. Mihokova, A. Yedda e.a. // J. of luminescence.- 2003.- Y. 102.- P. 618-622.

68. Kobayashi M., Usuki Y., Ishii M. e.a. // Nucl. Instrum. and Methods.1998.- A. 404. -P. 149-156.

69. Nikl N. et al. // J. Appl. Phys.- 1997.- V. 82.- P. 5758-5762.

70. Auffray E., Lecoq P., Annenkov A. e.a. // Nucl. Instrum. and Methods. -1998. A. 402.-P. 75-84.

71. Заднепровский Б. И., Нефедов В. А., Смирнов А. А. и др. // Неорганические материалы.- 1999.- Т. 35.- №3.- С. 370 373.

72. Characteristics of Scintillating PbW04 Crystals Produced at Different Growing-Condition / M.V. Belov, E.G. Devitsin, V.A. Kozlov e.a. // Preprint FIAN, Moscow.- 1995.- №29.

73. Томбак М. И., Гурвич А. М. // ЖПС.- 1966.- № 4.- С. 564 568.

74. Peschmann К. R., Couch J. L., Parkerd L. // SPIE Digital Radiography.-1981.- V. 314.-P. 50.

75. Чупахин M.C. Крючкова О.И. Рамендик Г.И. Аналитические возможности искровой масс-спектрометрии.- М: Атомиздат,1972.

76. Методика масс-спектрального определения примесей в оксидах ЩЗ и РЗ металлов № 08-95.- М: Гиредмет, 1995.

77. Методика выполнения измерений показателя ослабления.- М: МИСиС, 2001.82. http://www.phys.univ.kiev.ua/exphys/SpecLabs/carbasol.pdf

78. Электровакуумные электронные и ионные приборы: Справочник / Б.В. Кацнельсон; Под ред. А.С. Ларионова.- М.: Энергия, 1976.

79. Гурвич А. М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров.-М: Высшая школа, 1982.

80. Ладыгин Е.А. Физические основы радиационной технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.- М: ЦНИИ Электроника, 1972.86. http://termotest.narod.ru

81. Багдасаров Х.С. Кристаллизация из расплава // Современная кристаллография.- Т. 3 / А.А. Чернов, Е.И. Гиваргизов, Х.С. Багдасаров и др.- М.: Наука, 1980.- С. 337-375.

82. On the origin of the transmission damage in lead tungstate crystals under irradiation / A. Annenkov, E. Auffray, M. Korzhik, e.a. // CMS Note 1998/041.-CERN.- 1998.

83. Спектроскопия вольфраматов с использованием синхротронного излучения / И.А. Каменских, В.Н. Колобанов, В.В. Михайлин и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ.- 2002.- Т. 66.- №12.

84. Мохосоев М.В., Алексеев Ф.П., Луцык В.И. Диаграммы состояния молибдатных и вольфраматных систем.- Новосибирск: Наука, 1978.

85. Панова A.M. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1985. - Т. 49.- №10. -С.1194-1198.

86. The luminescence of magnesium tungstate dihydrate MgW04-2H20 / G. Blasse, G.J/ Dirksen, M. Hanzenkamp e.a. // Mat. Res. Bull.- 1987.- V. 22.

87. Studies of electronic excitations in MgMo04, CaMo04 and CdMo04 crystals using VUV synchrotron radiation / V.B. Mikhailik, H. Kraus, D. Wahl e.a. // Phys. Stat. Sol. 2005. -V. 242, Issue 2.

88. Photoluminescence properties of BaMo04 amorphous thin films / P.S Pizani, C.A. Paskocimas, E. Longo e.a. // J. of Solid State Chem.- 2005.- V. 178.- Issue 7.

89. Optical and luminescence studies of ZnMo04 using vacuum ultraviolet synchrotron radiation / V.B. Mikhailik, H. Kraus, D. Wahl e.a. // Nucl. Instrum. and Methods. 2006. -V. 562, Issue 1.96. http:// www.dental-revue.ru/wiki/index.php

90. Electronic band structures of the scheelite materials CaMo04, CaW04, PbMo04 and PbW04 / Y. Zhang, N. Holzwarth, R. Williams // Phys. Rev.-1998.-B. 57.-№20.