CC BY
82
Физика конденсированного состояния
DOI: 10.18721/^14.12101 УДК 535.37
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ФТОРИДА БАРИЯ
П.А. Родный1, Е.А. Гарибин2, И.Д. Веневцев1, Ю.И. Давыдов3
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация;
2 ЗАО «ИНКРОМ», Санкт-Петербург, Российская Федерация;
3 Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, Российская Федерация
Рассмотрена проблема получения кристаллов БаР2 с преобладающим субнаносекундным компонентом рентгенолюминесценции. Проведен подробный анализ методов подавления медленного компонента указанной люминесценции данного соединения. Показано, что введение ряда примесей приводит к подавлению медленного компонента, однако, как правило, интенсивность субнаносекундного компонента также снижается, при этом ухудшаются прозрачность и радиационная стойкость кристалла. Приведены результаты измерения спектрально-кинетических характеристик кристаллов БаР2:Тш и БаР2:Бс. Показано, что проблему можно решить путем использования нелегированного кристалла БаБ2 в сочетании с фильтром, подавляющим медленный компонент люминесценции.
Ключевые слова: фторид бария, остовно-валентная люминесценция, сверхбыстрый сцинтиллятор, оптический фильтр
Ссылка при цитировании: Родный П.А., Гарибин Е.А., Веневцев И.Д., Давыдов Ю.И. Проблемы и перспективы применения люминесценции фторида бария // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2019. Т. 12. № 1. С. 11-27. БОГ: 10.18721ДРМ.12101
THE APPLICATION OF BARIUM FLUORIDE LUMINESCENCE: CHALLENGES AND PROSPECTS
P.A. Rodnyi1, E.A. Garibin2, I.D. Venevtsev1, Yu.I. Davydov3
1 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russian Federation;
2 CJS "INCROM", St. Petersburg, Russian Federation;
3 Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation
The problem of obtaining BaF2 crystals with a predominant sub-nanosecond luminescence component has been considered. A detailed analysis of methods for suppressing the slow component of the crystal luminescence was carried out. It was shown that the introduction of a number of dopants led to the suppression of the slow component, but, as a rule, the intensity of the sub-nanosecond component decreased, and the transparency and radiation hardness of the crystal also deteriorated. The results of spectral and kinetic measurements of BaF2:Tm and BaF2:Sc luminescence were presented. It was shown that the solution of the problem could be achieved by using an undoped BaF2 crystal in combination with a filter suppressing the slow luminescence component.
Keywords: barium fluoride, core-valence luminescence, ultrafast scintillators, optical filters
Citation: P.A. Rodnyi, E.A. Garibin, I.D. Venevtsev, Yu.I. Davydov, The application of
barium fluoride luminescence: challenges and prospects, St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics. 12 (1) (2019) 11-27. DOI: 10.18721/JPM.12101
Введение
Фторид бария BaF2 является предметом обширных исследований в течение нескольких десятилетий, с момента обнаружения в нем в начале восьмидесятых годов прошлого столетия субнаносекундной (0,7 — 0,8 нс) люминесценции, лежащей на границе ультрафиолетовой (УФ) и вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) областей спектра [1,2]. Позднее было показано, что за эту люминесценцию ответственны из-лучательные электронные переходы между верхней остовной (5p, Ba) и валентной (2p, F) зонами кристалла [3]. Явление получило название остовно-валентная люминесценция (ОВЛ) [4], или кросс-люминесценция [5]. Малое время спада ОВЛ позволило использовать BaF2 как быстрый сцинтиллятор и сделало его перспективным для применения в системах медицинской диагностики, ядерно-физических и астрофизических экспериментах. Известной проблемой применения фторида бария является наличие, кроме ОВЛ, широкой полосы люминесценции с максимумом 310 нм. Это излучение, за которое ответственны авто-локализованные экситоны (АЛЭ), обладает временем спада т = 630 нс. Подавлению этого длительного (и часто нежелательного) компонента люминесценции посвящены многочисленные исследования [6 — 9]; этот вопрос будет также рассмотрен в настоящей работе.
Другая проблема связана со спектральным положением полос ОВЛ: два максимума излучения расположены на длинах волн 220 и 196 нм (УФ- и ВУФ-диапазо-ны). Число фотоприемников в этой области спектра весьма ограничено; для этой цели долгое время использовались солнечно-слепые фотоэлектронные умножители с теллуро-цезиевым фотокатодом, что позволяло снизить выходной сигнал от медленной компоненты в 9 раз, однако сигнал от быстрого компонента также уменьшался в 1,84 раза [7].
В настоящее время разработаны солнечно-слепые фотодиоды с временем срабатывания 15 пс и с квантовой эффективностью около 12 % [10]. Недавно для лавинного фотодетектора (ЛФД, англ. APD — avalanche photodiode) получена квантовая эффективность 17 % вблизи 220 нм [11].
В последнее время наблюдается возобновление интереса к исследованию характеристик фторида бария, поскольку он рассматривается как рабочий материал нового калориметра, предназначенного для изучения процесса преобразования мюонов в электроны (эксперимент Ми2е, Фермилаб [11, 12]). Предпринимаются шаги по улучшению люминесцентных характеристик фторида бария путем введения примесей, изменения условий роста и отжига кристаллов, использования материала в форме наночастиц, композитов и керамик.
В настоящей работе проведено обобщение и анализ наиболее важных результатов по улучшению люминесцентных и сцинтил-ляционных характеристик фторида бария и приведены экспериментальные данные для кристаллов ВаР2:Тт и ВаР2:8с.
Выбор образцов ВаР2:Тш обусловлен тем, что тулий (Тт) — это одна из лучших примесей среди редкоземельных ионов для подавления медленного компонента люминесценции [5, 6]. Что касается второй примеси, то среди ионов с заполненной внешней оболочкой, в качестве «подавляющей» примеси наименее изучен скандий (8с).
Подавление медленного компонента люминесценции фторида бария путем введения примесей
Ионы с заполненной внешней оболочкой.
Большое число исследований посвящено «подавлению» не желательного для быстрых сцинтилляторов медленного компонента люминесценции (полоса 310 нм). Лучшими примесями для этой цели считаются ионы с заполненной внешней электронной оболочкой: Ьа3+, У3+, Ьи3+, 8с3+, Cd2+, поскольку они не дают дополнительных полос излучения. Первые эксперименты показали, что значительное подавление медленной люминесценции всегда сопровождается небольшим снижением ОВЛ [5, 6]. Например, в соединении ВаР2:Ьа(0,2%) медленный компонент уменьшается в 1,72 раза, быстрый — в 1,09 раза [13], а в соединении ВаР2Ьа(0,5%) — соответственно в 3,6 и 1,6 раза. По данным работы [8], подавление медленного компонента в кристаллическом ВаР2:Ьа начинается при содержании лантана свыше 1% (рис. 1). Концентрационная
зависимость интенсивности медленного компонента рентгенолюминесценции (РЛ) в BaF2:Y сходна с таковой для BaF2:La. (рис. 1). Недавно был получен кристалл BaF2:Y(1 ат.%), в котором медленный компонент подавлен в 6 раз, а интенсивность ОВЛ такая же, как в чистом BaF2 [14].
Введение кадмия существенно подавляет медленный компонент РЛ BaF2:Cd (кривая 3 на рис. 1). При содержании кадмия 0,35 мол.% интенсивность указанного компонента составляет менее 10% от таковой для нелегированного кристалла, при этом интенсивность быстрого практически не изменяется. К сожалению, рентгеновское облучение BaF2:Cd приводит к образованию в кристалле ионов Cd+, которые порождают полосы поглощения в видимой и УФ-областях спектра [8].
Наличие лютеция ^^ в BaF2 снижает интенсивность медленного компонента в 4 раза, однако быстрый также заметно уменьшается [15]. Помимо этого, отмечено ухудшение радиационной стойкости такого кристалла при введении лютеция. По данным работы [6], время спада ОВЛ BaF2:Lu(1,0 мол.%) составляет 0,4 нс; сле-
довательно, небольшой «проигрыш» в интенсивности ОВЛ компенсируется почти двукратным уменьшением постоянной спада люминесценции.
Спектрально-кинетические характеристики кристаллов BaF2 с содержанием скандия 0,5, 1,0 и 2,0 мол.% были изучены в работе [16], где интенсивность медленного компонента для соединения BaF2:Sc(1,0%) уменьшалась в 2,4 раза.
Поскольку кристалл RbF обладает ОВЛ [4], возникла идея увеличения интенсивности быстрого компонента путем введения фторида рубидия RbF во фторид бария. Эксперимент с кристаллом BaF2:Rb выявил отсутствие ОВЛ и небольшое уменьшение медленного компонента РЛ [17].
Редкоземельные ионы. Большое число исследований посвящено подавлению не желательного для быстрых сцинтиллято-ров медленной компоненты люминесценции (полоса 310 нм). С этой целью в кристаллы фторида бария вводились примеси трехвалентных редкоземельных (RE3+) ионов. Было установлено, что любая редкоземельная примесь уменьшает интенсивность медленного компонента сцинтилляции
Рис. 1. Концентрационные зависимости интенсивностей медленного компонента рентгенолюминесценции (РЛ) кристаллов BaF2:La (1), BaF2:Y (2) и BaF2:Cd (3) (по данным [8])
[5, 6]. Долгое время считалось, что причиной подавления медленного компонента сцинтилляций ионами КЕ3+ является присутствие межузельных ионов фтора Б-, которые служат зарядовыми компенсаторами трехвалентной примеси. Предполагалось, что поскольку указанные межузельные ионы создают энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны кристалла (в запрещенной зоне), они могут захватывать дырки из валентной зоны [8]. Этот захват является конкурирующим процессом между образованием ^-центров и автолокали-зованных экситонов, или (Р^е_)*-центров, в результате которого интенсивность люминесценции АЛЭ снижается. Несмотря на привлекательность этой модели, она не объясняет подавления медленного компонента в кристаллах ВаБ2, допированных двухвалентными ионами Cd2+, М£2+ и 8г2+
[18]. Сравнивая зависимости интенсив-ностей РЛ в кристаллах ВаБ2:Ьа и ВаБ2:К, авторы работы [8] пришли к заключению, что межузельные ионы Б- только частично ответственны за эффект подавления. Было показано также, что основной вклад в этот эффект вносит диффузия экситонов к центрам, на которых происходит их безызлуча-тельная аннигиляция [8].
Подавление медленного компонента люминесценции фторида бария термическим тушением
Для устранения медленного компонента можно использовать особое свойство ОВЛ — высокая температурная стабильность ее интенсивности (проверено до 500°С [18]). При этом медленный компонент испытывает существенное уменьшение интенсивности и времени спада РЛ при повышении температуры, начиная от комнатной. Если, например, выбрать рабочую температуру устройства 120°С, то интенсивность медленного компонента будет ниже, чем интенсивность быстрого, а время спада люминесценции АЛЭ составит примерно 40 нс. Такой режим работы сцинтиллятора можно осуществить в отдельном физическом эксперименте, однако он вряд ли подходит для технических устройств. В эксперименте
[19] показано, что при 220°С медленный компонент РЛ фторида бария полностью подавлен, а световыход субнаносекунд-ного компонента составляет 1000 фото-нов/МэВ.
Преобразование экситонного излучения в быстрое активаторное свечение
Основная идея этих экспериментов - не подавлять люминесценцию автолокализо-ванных экситонов, а преобразовывать ее в быстрое активаторное свечение. Известно, что наиболее эффективными разрешенными (то есть быстрыми) электронными переходами 5й ^ 4/ обладают элементы начала ряда лантаноидов: Се, Рг, Nd. Более тяжелые редкоземельные элементы, как правило, обладают медленной УФ-люминесценцией, за которую ответственны Н8(Ы£Ы-8рт)-пе-реходы 5й ^ 4/, запрещенные по спиновому правилу отбора. Кроме того, наличие большого количества 4/-уровней в некоторых ионах (Nd, Еи, ТЬ, Ву) приводит к медленной (нежелательной) люминесценции, обусловленной запрещенными переходами 4/ ^ 4/. Следовательно, наиболее перспективными активаторами фторида бария представляются легкие редкоземельные ионы Се3+, Рг3+, Nd3+, а также ионы с относительно малым количеством 4/-уровней: Gd3+ и Тт3+.
Соединение BaF2:Ce. Церий служит активатором во многих современных люминофорах и сцинтилляторах, поэтому предполагалось, что введение ионов Се3+ во фторид бария позволит увеличить световыход кристалла и получить время спада сцинтилляций в несколько десятков наносекунд. Ранние эксперименты показали, что при оптимальной концентрации (около 0,2 мол.%) ионов Се3+ (оптимальна концентрация, при которой максимальна интенсивность люминесценции), световыход ВаБ2:Се оказался несколько ниже такового у чистого ВаБ2 [20, 21]. Было высказано предположение, что если содержание ионов Се3+ в кристалле превышает 0,2 мол.%, то происходит образование цериевых агрегатов [21] либо (Се3+-02-)-центров [21]. В более позднем исследовании [22] было получено небольшое увеличение световыхода кристалла ВаБ2:Се и показано, что в рекомбинацион-ном процессе принимают участие автолока-лизованные дырки в виде Ук- и Л-центров.
Последующие исследования позволили увеличить световыход ВаБ2:Се в 2,5 раза, по сравнению с чистым фторидом бария, однако кинетические характеристики РЛ не удалось существенно улучшить [23]. Кристалл ВаБ2:Се демонстрирует необычные свойства: спектр РЛ соответствует излучению ионов Се3+ (полосы 308 и 322 нм),
а кинетика — излучению автолокализо-ванных экситонов (основная постоянная спада — 250 нс). При непосредственном УФ-возбуждении ионов Се3+, в кристалле BaF2 регистрируется постоянная спада люминесценции, равная 31 нс [22]). Эта особенность соединения BaF2:Ce обусловлена наложением полосы поглощения ионов Се3+ на полосу излучения автолокализован-ных экситонов в области 280 — 300 нм, что приводит к переносу энергии от экситонов к ионам церия (АЛЭ ^ Се3+).
Введение в соединение BaF2:Ce примеси лютеция приводит к уменьшению интенсивности двух основных полос излучения Се3+ и к появлению новой широкой полосы РЛ с максимумом при 355 нм [15]. Предполагается, что полоса РЛ на длине волны 355 нм в BaF2:Ce,Lu связана с межузельны-ми ионами фтора.
Соединение BaF2:Pг. Трехвалентный празеодим обладает в различных кристаллах меньшим временем спада (переходы 5й ^ 4/) и немного меньшей интенсивностью РЛ, по сравнению с таковыми для примеси Ce3+. Кристалл BaF2:Pr3+ имеет основную постоянную спада 28 нс, а при содержании Рг3+ свыше 1% появляется более быстрый компонент длительностью 7 — 8 нс [24]. Однако полоса излучения 5й ^ 4/ перекрывается с полосой остовно-валентной люминесценции, и в результате происходит перенос энергии от переходов ОВЛ к ионам Рг3+ (ОВЛ не регистрируется). Другой недостаток кристаллов, содержащих ионы Рг3+,— это наличие переходов / ^ /, обладающих медленным излучением.
Соединение BaF2:Nd. Первые эксперименты показали очень слабую (ниже уровня ОВЛ) (5й ^ 4/)-люминесценцию Nd3+ в BaF2 (немного выше интенсивности РЛ в BaY2F8:Nd) [25]. В дальнейшем на кристаллах более высокого качества было показано, что образцы BaF2:Nd (1%) излучают в УФ-области спектра (175 — 200 нм), с основной постоянной спада в 12 нс [26]. Световыход кристалла оказался всего на 7 % ниже такового для BaF2. Добавка лантана улучшает характеристики: кристалл (La09,Ba01)F29:Nd обладает узкой (12 нм) полосой люминесценции с максимумом при 175 нм и коротким временем спада т = 6,1 нс [27].
Соединение BaF2:Tm. Интерконфигурационные переходы 5й ^ 4/ ионов Тт3+ в BaF2 проявляются в виде полосы люминес-
ценции с максимумом 178 нм и временем спада 5 — 6 нс [28]. Интенсивность этой люминесценции ниже, чем интенсивность ОВЛ. При увеличении концентрации Тт3+ от 0,1 до 10% интенсивность полосы АЛЭ существенно снижается (как и для других редкоземельных ионов), но выход субнано-секундного компонента при концентрации тулия СТт > 0,1% также уменьшается.
В работе [29] исследована (5й ^ 4/)-лю-минесценция ионов Nd3+, Sm3+, Но3+, Ег3+, Тт3+ во фториде бария и других щелоч-но-земельных фторидах. Показано, что во фторидах экситонный механизм переноса энергии к 5^-состояниям этих ионов неэффективен.
Подавление медленного компонента люминесценции фторида бария двойным легированием
Соединение BaF2:Gd,Се. Идея введения 10% Gd3+ во фторид бария с добавлением соактиватора Ce3+ была выдвинута в статье [30] для того, чтобы не только подавить медленный компонент излучения, но и улучшить другие характеристики материала. Выращенный кристалл Ba09Gd01F21 имел большую плотность, равную 5,11 г/ см3 (4,89 г/см3 для нелегированного BaF2), и более высокую механическую прочность — 240 кг/мм2 (80 кг/мм2 для BaF2). При введении в соединение ионов Ce3+, максимум полосы люминесценции автолокализован-ных экситонов смещался в длинноволновую область до значения 350 нм. Кристалл Ba09Gd01F21:Ce(0,1 мол.%) обладал свето-выходом в 46 % по отношению к чистому фториду бария и постоянной спада люминесценции 30 — 40 нс. Отметим, что характерная для иона Се3+ постоянная спада проявляется в спектре за счет смещения полосы люминесценции в длинноволновую область. Медленный же компонент РЛ в кристалле был практически полностью подавлен. Оптимальная (до начала тушения) концентрация ионов Се3+ в кристалле Ba09Gd0 1 составляет 0,2 — 0,3 мол.% [30]. К сожалению, радиационная стойкость кристалла Ba09Gd01F21:Ce(0,1 то1.%) ниже, чем таковая для чистого фторида бария.
Соединение BaF2:La,Eг. Как отмечалось выше, ионы второй половины ряда лантаноидов обладают медленным (5й ^ 4/)-из-лучением, которое осуществляется из ^ 5^-состояния. В частности, в кристалле BaF•Er3+ доминирует медленное излучение
переходов 5d(HS) ^ 4/ которое имеет высокую интенсивность из-за наличия энергетического уровня 2F5/2 между 5^-состояниями LS (low-spin) и HS (high-spin). Этот уровень способствует безызлучательному переносу энергии к компоненте люминесценции 5d(HS) ^ 4/ запрещенной по спиновому правилу отбора. Путем введения 30% LaF3 во фторид бария (кристалл BaLaF2:Er3+) было получено красное смещение 5^-полос возбуждения Er3+, и уровень 2F5/2 оказался расположенным энергетически выше уровней 5d (LS) и 5d (HS) [31]. В результате в кристалле, полученном авторами, преобладали переходы 5d(LS) ^ 4/, разрешенные по правилам отбора и дающие две полосы излучения в областях 140 — 150 и 152 — 160 нм со временем спада люминесценции 35 нс [31].
Соединение BaF2:La,Ce. Поскольку лантан обычно служит «подавителем» медленного компонента РЛ, а церий — лучшим активатором, то представляло интерес ввести во фторид бария эти ионы совместно. Эксперимент, проведенный в работе [32], показал, что постоянная времени спада в соединении BaF2:La,Ce составляет 76 нс, медленный компонент существенно подавлен, а световыход ниже чем в чистом фториде бария.
Радиационная стойкость дотированных кристаллов фторида бария
Кристаллы, предназначенные для работы в коллайдерах, должны обладать высокой радиационной стойкостью [5], и этому требованию вполне удовлетворяют кристаллы фторида бария высокой степени чистоты [33, 34]. Под действием радиации в кристалле образуются F-центры, дающие широкую полосу оптического поглощения с максимумом при 570 нм. Это поглощение не сказывается на положении и интенсивности полос остовно-валентной люминесценции. Введение примесей (RE3+, Me2+ и др.), как правило, снижает радиационную стойкость фторида бария [34]. Кристаллы, допированные La3+, приобретают красную окраску после облучения рентгеновскими лучами, что обусловлено образованием межузельных ионов фтора. Для повышения радиационной стойкости BaF2:La (уменьшения числа межузельных ионов фтора) в кристалл вводят одновалентный металл в той же концентрации, что и концентрация
ионов лантана. Показано, например, что кристалл BaF2:La(0,3%)K(0,3%) обладает более высокой радиационной стойкостью, однако он обладает меньшим подавляющим действием, чем кристалл, не содержащий калия, — BaF2:La(0,3%) [8]. Кристаллы, содержащие щелочные металлы, после рентгеновского облучения окрашиваются в голубой цвет, что исследователи связывают с образованием /-агрегатов, образующихся ввиду наличия вакансий фтора [8].
В облученном кристалле BaF2:La уровень оптического поглощения вблизи 500 нм выше, чем в чистом фториде бария, однако в УФ-области спектра интенсивность этого поглощения для этих кристаллов становится сравнимой [13]. Радиационная стойкость кристалла BaF2 (полосы поглощения в области 200 — 800 нм) ухудшается при введении Тт, Nd, Gd, Ей. Следует отметить, что наиболее опасная остаточная примесь, которая подавляет ОВЛ, — это свинец, максимум полосы поглощения которого расположен на длине волны 205 нм [13].
Другие способы снижения интенсивности
медленного компонента люминесценции
Применение наночастиц. Известно, что наночастицы имеют высокое отношение поверхность/объем и поэтому обладают свойствами, отличными от таковых для соответствующих монокристаллов [35, 36]. При уменьшении размеров наночастиц возможно увеличение интенсивности люминесценции и уменьшение времени ее спада. Эти эффекты хорошо изучены для экситонов в полупроводниковых наноча-стицах. Исследование же широкозонных диэлектрических материалов, в которых реализуются экситоны малого радиуса, находится лишь в начальной стадии. Еще одним преимуществом наночастиц над обычными частицами является возможность введения более высоких концентраций активатора для увеличения интенсивности люминесценции.
Особенности люминесценции нано-частиц фторида бария размером от 20 до 100 нм изучены в работе [35]. Интенсивность полосы ОВЛ при уменьшении размеров наночастиц от 80 до 30 нм практически не отличается от интенсивности ОВЛ для монокристаллического образца BaF2, и только для образцов размером 20 нм она падает в 1,5 раза. Интенсивность лю-
минесценции автолокализованных экси-тонов падает на порядок при переходе от монокристалла к наночастицам размером 20 нм. Размеры исследуемых наночастиц (20 — 100 нм) существенно превышают длину диффузии остовной дырки (около 1,5 нм), что и объясняет относительную стабильность интенсивности ОВЛ. Интенсивность люминесценции АЛЭ уменьшается, начиная с размеров наночастиц 80 нм. Критический размер наночастиц фторида бария, для которых наблюдается резкий спад интенсивности люминесценции АЛЭ, составляет около 50 нм. Этот размер соизмерим с длиной термализации фотоэлектронов (30 — 100 нм) во фторидах [35].
Наночастицы ВаБ2:Се были получены и исследованы в ряде работ [37, 38]. В работе [37] полученные наночастицы ВаБ2:Се размером 18 ± 3 нм обладали цериевой полосой люминесценции с максимумом при 370 нм; при этом отсутствовали остовно-валентная и экситонная полосы люминесценции. В работе [38] исследованы люминесцентные характеристики наночастиц ВаБ2:Се размером от 1 до 30 нм. Образцы обладали широкой полосой люминесценции с максимумом при 355 нм. Максимальная интенсивность люминесценции достигалась при содержании церия примерно 15 %. Большую, по сравнению с монокристаллами, оптимальную концентрацию ионов Се3+ в нанопорошках авторы объясняют уменьшением числа дефектов (ловушек) с уменьшением размера наночастиц.
Использование композитов. Наночастицы, обладающие хорошими сцинтилляци-онными свойствами, трудно использовать в качестве радиационных детекторов. Для создания объемных сцинтилляторов используют композиты, состоящие из тяжелых неорганических микро- и наночастиц и сверхбыстрых органических люминофоров. В композитном сцинтилляторе неорганические («тяжелые») частицы эффективно поглощают ионизирующие излучение, при этом часть поглощенной энергии передается контактирующим с частицами органическим молекулам, в которых затем индуцируются наносекундные сцинтилляционные вспышки. В качестве органического связующего выбирают обычно полимер на основе полистирола, активированного сцин-тилляторами РРО (2,5-дифенилоксазол) и РОРОР (1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил) бензол), который обладает быстрыми (ме-
нее 2 нс) сцинтилляциями.
Фторид бария имеет низкий показатель преломления п = 1,478 на длине волны 500 нм, что удобно для его сочетания с полимерной матрицей. В работе [38] были приготовлены нанокомпозиты ВаБ2:Се с использованием эпоксидных смол. Свето-выход композита ВаБ2:15%Се был приблизительно в 5 раз выше такового для кристалла ВаБ2:Се(2%).
Оксид цинка известен как эффективный сцинтиллятор с субнаносекундным (подобно ВаБ2) временем свечения. За его люминесценцию ответственны связанные экситоны [39]. В работе [40] удалось внедрить наночастицы оксида цинка (2п0) размером 7,5 — 30 нм в пленки фторида бария. Использовался метод радиочастотного магнетронного напыления с последующим термическим отжигом образцов. Считается, что низкий показатель преломления фторида бария, по сравнению с оксидом цинка, у которого п и 2,4, способствует формированию оптических волноводов в кристалле. Показано, что интенсивность субнаносе-кундного компонента свечения 2п0 в ВаБ2 существенно возрастает при повышении температуры отжига от 400 до 800°С [40].
Создание керамики. В последнее время предпринимаются попытки улучшения кинетических и других характеристик фторида бария путем создания керамики, в том числе нанокерамики [23, 41]. Следует отметить, что керамика обладают рядом преимуществ по сравнению с монокристаллами, в частности высокой механической и термической прочностью.
Оптическая керамика фторида бария была приготовлена методами горячего прессования и горячего формования на установке К-2718 (ЗАО «ИНКРОМ») [23, 41]. Максимальная прозрачность керамик в широком оптическом диапазоне достигалась путем варьирования двух основных параметров: температуры и степени деформации. Для повышения интенсивности быстрого компонента и уменьшения постоянной спада более медленного компонента осуществлялся отжиг керамик в атмосфере газообразного тетрафторида углерода СБ4, в течение 24 ч при температуре порядка 1180°С. В результате удалось получить керамику, прозрачность которой находится на уровне прозрачности соответствующего монокристалла в видимой области спектра и немного ниже таковой в коротковолновой области (X < 250 нм).
Применение фильтров и других устройств.
Субнаносекундное излучение фторида бария может быть выделено соответствующим УФ-фильтром, однако, как правило, фильтр снижает интенсивность излучения. Недавно был разработан специальный коротковолновый фильтр, который подавляет медленный компонент люминесценции фторида бария до 1% [42].
Для того чтобы сделать «быстрое» УФ-излучение фторида бария более приемлемым для фотоэлектронных умножителей, чувствительных в видимой области спектра, используют шифтеры — органические вещества, сдвигающие УФ-излучение в более длинноволновую область. В работе [43] были опробованы дефенилантрацен, пери-лен и другие шифтеры; их использование приводило к тому, что постоянная времени возрастала до 2,5 — 7 нс, а световыход снижался.
Поскольку время спада быстрого и медленного компонентов отличаются почти на 3 десятичных порядка, имеется возможность разделять эти компоненты на выходе фотоприемника с помощью электронных устройств. Схема такого устройства предложена в работе [44].
Методика эксперимента
Выращивание исследуемых кристаллов осуществлялись методом Степанова — Стокбаргера в ЗАО «ИНКРОМ». Полученные образцы были классифицированы как кристаллы марки ВУФ, т. е. как материалы, обладающие высокой прозрачностью в коротковолновой области спектра. Для спектральных измерений использовались полированные образцы монокристаллов, приготовленных в виде параллелепипедов размером 5 * 10 * 15 мм. Спектры оптического пропускания образцов регистрировались по продольному размеру образца (15 мм) с помощью спектрофотометра ВМР-2. Спектры люминесценции получали при непрерывном рентгеновском возбуждении (40 кВ, 14 мА). Регистрирующая часть установки содержала монохроматор МДР-2 и систему счета фотонов Натата18и Н8259-01. Измерение кривых термостиму-лированной люминесценции (ТСЛ) производилось на образцах толщиной 1 мм. Образцы предварительно облучались рентгеновским пучком при температуре 80 К, а затем нагревались со скоростью 0,3 К/мин.
Для измерения кинетики люминесцен-
ции использовался рентгеновский источник со следующими параметрами: 30 кВ, 500 мА, длительность импульсов — 1 нс и частота их следования — 12 кГц [45]. Регистрирующая часть аппарата собрана по стандартной схеме «старт-стоп»; временное разрешение системы — не хуже 50 пс. Измерения спектров и кинетики люминесценции проводились в геометрии «на отражение»: угол между направлением рентгеновского излучения и фотоприемником составлял 90°. Измерения выполнялись при комнатной температуре.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Спектры рентгенолюминесценции (РЛ) кристаллов ВаБ2 и ВаБ2:Тт приведены на рис. 2. В спектрах проявляется интенсивная экситонная полоса с максимумом при 310 нм и полосы остовно-валентной люминесценции (ОВЛ) с максимумами на длинах волн 196 и 220 нм; спектры не корректировались на чувствительность установки, поэтому интенсивность полос ОВЛ в действительности выше. За малоинтенсивные полосы с максимумами на 347, 360 и 450 нм (кривые 2 и 3, рис. 2) ответственны электронные переходы/^ / в ионе тулия Тт3+ [28]. Видно, что при содержании тулия 0,5 % интенсивность экситонной полосы снижается в 6 раз, однако интенсивность ОВЛ также слегка убывает. Введение 2,0 % тулия приводит к снижению экситонной полосы в 7 раз, а ОВЛ уменьшается в 1,6 раза. Таким образом, достичь необходимого (более чем в 10 раз) подавления экситонной полосы без существенного уменьшения ОВЛ для кристалла ВаБ2:Тт не удается.
На вставке рис. 2 приведены кривые спада РЛ, зарегистрированные на кристаллах ВаБ2 и ВаБ2:Тт(0,5 %). Видно, что интенсивность медленного компонента РЛ у допированного соединения слегка ниже, чем у чистого фторида бария. Постоянная времени спада медленного компонента для образца с примесью тулия заметно меньше и составляет около 400 нс (тогда как для чистого фторида бария она равна 630 нс). Как следует из спектров и кинетики РЛ, эффект подавления медленного компонента в ВаБ2:Тт начинается при содержании тулия 0,5 %.
* 4 • 1-й
сл
§ 3 £
200
300 400
Wavelength, пгп
500
1000
600
Рис. 2. Спектры и кинетика (на вставке) рентгенолюминесценции кристаллов BaF2 (1), BaF2:Tm(0,5 %) (2) и BaF2:Tm(2,0 %) (3)
Рис. 3. Спектры оптического пропускания кристаллов BaF2 (1), BaF2:Tm(0,5 %) (2);
толщина образцов — 5 мм.
На вставке: кинетика РЛ кристалла BaF2:Tm(0,5 %), измеренная в малом временном окне
Спектры полного оптического пропускания кристаллов приведены на рис. 3. Спектр ВаР2:Тт(0,5 %) содержит минимум при 260 нм, за который ответствен электронный переход 3Н6 ^ :
в ионе
Тт3+, а также минимум неизвестного происхождения на длине волны 208 нм. Кристалл ВаР2:Тт(0,5 %) толщиной 5 мм обладает достаточно высокой (больше 80 %) прозрачностью в области ОВЛ (175 — 260 нм), однако она ниже, чем в чистом фториде бария (см. рис. 1). Следовательно, введение ионов Тт3+ во фторид бария ВаР2 ухудшает условия выхода быстрого излучения (ОВЛ) из кристалла, что особенно существенно для образцов большого размера. На вставке рис. 3 приведена в качестве примера кривая кинетики РЛ кристалла ВаР2:Тт(0,5 %), которая измерена в малом временном диапазоне. Время спада быстрого компонента составило 0,8 ± 0,1 нс.
Известно, что о радиационной стойкости материала можно судить по интенсивности пиков термостимулированной люминесценции (ТСЛ). На рис. 4 приведены кривые ТСЛ для кристаллов ВаР2 и ВаР2:Тт(1,0 %), измеренные после облучения кристаллов рентгеновскими (40 кВ) квантами в течение
двух минут. Видно, что неактивированный кристалл обладает интенсивным термопиком с максимумом при 114 К. Такие низкотемпературные пики характерны для кристаллов группы флюорита, они отображают процесс делокализации ^-центров. В кристалле ВаР2:Тт(1,0 %) низкотемпературный пик расположен при 138 К, а в области от 200 до 300 К регистрируются термопики, за которые ответственны Кы-центры и агрегаты из ионов Тт2+ и межузельных ионов фтора [46]. Кроме того, в ВаР2:Тт(1,0 %) регистрируется высокотемпературный пик при 453 К, за который ответственны глубокие ловушки. Эти ловушки могут участвовать в послесвечении, ухудшая сцинтилля-ционные свойства кристалла. Полученные данные показывают, что при ведении во фторид бария ионов Тт3+ радиационная стойкость кристалла ухудшается; такой же вывод сделан в работе [5].
Введение ионов 8с3+ в кристалл ВаР2 приводит к существенному подавлению медленного компонента; соответствующие спектры РЛ имеют вид, подобный приведенному на рис. 2. На рис. 5 приведены спектры полного пропускания ВаР2 и ВаР2:8с(1,0 %) кристаллов. Для ВаР2:8с(1,0 %) характерно уменьшение пропускания вблизи 290 нм.
Рис. 4. Кривые термостимулированной люминесценции кристаллов ВаР2 (1), ВаР2:Тт(2,0 %) (2). Скорость нагрева образцов — 0,3 К/мин
Рис. 5. Спектры оптического пропускания и кинетика РЛ (на вставке) кристаллов ВаБ2 (1) и ВаБ2:8с(1,0 %) (2); толщина образцов для регистрации
спектров — 5 мм
Рис. 6. Спектр оптического пропускания многослойного фильтра, нанесенного на кварцевое стекло
Полоса поглощения 290 нм регистрировалась нами также в кристалле ВаР2:Сё (не показана). Интересно отметить, что эта полоса проявляется и при введении в ВаР2 ионов Ьа3+ [5] и У3+ [14]. Природа этой полосы остается неизвестной, можно лишь утверждать, что замена бария на ион с заполненной внешней оболочкой приводит к образованию в ВаР2 дефекта, дающего поглощение при 290 нм.
На вставке рис. 5 приведены кривые спада РЛ кристаллов ВаР2 и ВаР2:8с(1,0 %). Регистрировалось заметное снижение интегральной интенсивности медленного компонента РЛ в кристалле ВаР2:8с(1,0 %), по сравнению с чистым фторидом бария. Постоянная времени спада медленного компонента образца с примесью скандия меньше, чем в чистом ВаР2, и составляет около 240 нс.
Другой способ подавления медленного компонента люминесценции — использование фильтра, прозрачного в спектральной области ОВЛ и непрозрачного в области эк-ситонного излучения ВаР2. На рис. 6 приведен спектр пропускания одного из вариантов такого фильтра, полученного методом послойного напыления редкоземельных окислов на кварцевую подложку. Видно, что прозрачность фильтра в области основного максимума ОВЛ (220 нм) составляет 50 %, а вблизи максимума экситонной люминесценции (310 нм) она близка к нулю.
Заключение
В результате проведенных экспериментов и анализа литературных данных мы пришли к заключению, что подавление медленного компонента рентгенолюми-несценции фторида бария путем введения примеси следует признать недостаточно эффективным. Введение трехвалентных
ионов приводит к образованию дефектов, в частности межузельных ионов фтора. Для двухвалентных ионов характерно искажение кристаллической структуры. Основные недостатки подавления медленного компонента люминесценции методом введения примесей во фторид бария ВаР2, следующие:
требуемое уменьшение интенсивности медленного компонента (более чем в 10 раз) сопровождается существенным уменьшением ОВЛ;
прозрачность кристалла, содержащего примеси, обычно ниже, чем у чистого аналога;
радиационная стойкость фторида бария, как правило, ухудшается при введении соответствующих примесей;
достаточно сложно обеспечить равномерное распределение примесей для кристаллов больших размеров (требуемая длина образцов ВаР2 для нового коллайдера — более 20 см).
Исследования наночастиц, композитов на их основе и керамик с целью получения оптимального соотношения интенсивно-стей быстрого и медленного компонентов люминесценции ВаР2 также пока не привели к положительным результатам.
Установлено, что наиболее эффективным способом подавления медленного компонента люминесценции является использование фильтра, прозрачного в спектральной области ОВЛ и непрозрачного в области экситонного излучения ВаР2. Такой фильтр может быть нанесен непосредственно на поверхность выходного окна образца ВаР2.
В дальнейшем планируется сборка и испытание системы, включающей сцинтил-лятор ВаР2 с фильтром и твердотельный фотоприемник.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ершов Н.Н., Захаров Н.Г., Родный П.А.
Спектрально-кинетическое исследование характеристик собственной люминесценции кристаллов типа флюорита // Оптика и спектроскопия 1982. Т. 53. № 1. С. 89-93.
2. Laval M., Moszy^ki M., Allemand R., Cormoreche E., Guinet P., Odru R., Vacher J. Barium fluoride — inorganic scintillator for subnanosecond timing // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1983. Vol. 206. No. 1—2. Pp. 168—176.
3. Александров Ю.М., Махов В.Н., Родный П.А., Сырейщикова Т.И., Якименко М.Н.
Собственная люминесценция BaF2 при импульсном возбуждении синхротронным излучением // Физика твердого тела. 1984. Т. 26. № 9. С. 265-286.
4. Родный П.А. Остовно-валентные переходы в широкозонных ионных кристаллах // Физика твердого тела. 1992. Т. 34. № 7. С. 1975-1998.
5. Woody C.L., Levy P.W., Kierstead J.A. Slow
component suppression and radiation damage in doped BaF2 crystals // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1989. Vol. 36. No. 1. Pp. 536542.
6. Sobolev B.P., Krivandina E.A., Derenzo S.E., Moses W.W., West A.C. Suppression of BaF2 slow component of X-ray luminescence in non-stoichiometric Ba0 9R01F21 crystals (R = rare earth element) // Proceedings of the Material Research Society: Scintillator and Phosphor Materials; M.J. Weber (Ed.). Cambridge: Cambridge University Press, 1994. Pp. 277-283.
7. Nepomnyashchikh A., Radzhabov E.A., Egranov A.V., Ivashechkin V.F. Luminescence of BaF2-LaF3 // Radiation Measurements. 2001. Vol. 33. No. 5. Pp. 759-762.
8. Radzhabov E., Istomin A., Nepomnyashikh A., Egranov A., Ivashechkin V. Exciton interaction with impurity in barium fluoride crystals //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2005. Vol. 537. No. 1-2. Pp. 71-75.
9. Diehl S., Novotny R.W., Wohlfahrt B., Beck R. Readout concepts for the suppression of the slow component of BaF2 for the upgrade of the TAPS spectrometer at ELSA //Journal of Physics: Conference Series. 2015. Vol. 587. P. 012044.
10. Najeeb Ch.K., Lee J.-H., Chang J., Kang W.-S., Kim J.H. Ultra fast UV-photo detector based on single-walled carbon nanotube/PEDOT-PSS composites // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2009. Vol. 9. No. 12. Pp. 6928-6933.
11. Hitlin D., Kim J.H., Trevor J., Hennessy J., Hoenk M., Jewell A., Farrell R., McClish M. An APD for the detection of the fast scintillation component of BaF2 // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2016. Vol. 63. No. 2. Pp. 513515.
12. Zhu R.-Y. The next generation of crystal detectors // Journal of Physics: Conference Series. 2015. Vol. 587. P. 012055.
13. Schotanus P., Dorenbos P., Van Eijk C.W.E., Hollander R.W. Recent developments in scintillator research // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1989. Vol. 36. No. 1. Pp. 132136.
14. Chen J., Yang F., Zhang L., Zhu R.-Y., Du Y., Wang S., Sun S., Li X. Slow scintillation suppression in yttrium doped BaF2 crystals // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. Vol. 65. No. 8. Pp. 2147-2151.
15. Nesterkina V., Shiran N., Gektin A., Shimamura K., Villora E. The Lu-doping effect on the emission and the coloration of pure and Ce-doped LiLuF4 crystals // Radiation
Measurements. 2007. Vol. 42. No. 4-5. Pp. 819— 822.
16. Seliverstov D.M., Demidenko A. A., Garibin E.A., Gain S.D., Gusev P.P., Fedorov Yu.I., Kosyanenko S.V., Mironov I.A., Osiko V.V., Rodnyi P.A., Smirnov A.N., Suvorov V.M. New fast scintillators on the base of BaF2 crystals with increased light yield of
0.9 ns luminescence for TOF PET // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2012. Vol. 695. Pp. 369—372.
17. Dorenbos P., Visser R.W., van Eijk C.W.E, Valbis J., Khaidukov N.M. Photon yields and decay times of cross luminescence in ionic crystals // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1992. Vol. 39. No. 4. Pp. 506—510.
18. Головин А.В., Захаров Н.Г., Родный П.А. Механизм коротковолновой люминесценции фторида бария // Оптика и спектроскопия. 1988. Т. 65. № 1. C. 176—180.
19. Biasini M., Cassidy D.B., Deng S.H.M., Tanaka H.K.M., Mills A.P. Jr. Suppression of the slow component of scintillation light in BaF2 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2005. Vol. 553. No. 3. Pp. 550—558.
20. Dorenbos P., Visser R., Hollander R.W., Van Eijk C.W.E., Den Hartog H.W. The effects of La3+ and Ce3+ dopants on the scintillation properties of BaF2 crystals // Radiation Effects and Defects in Solids. 1991. Vol. 119—121. No.
1. Pp. 87—92.
21. Van Eijk C.W.E. Inorganic-scintillator development // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2001. Vol. 460. No. 1. Pp. 1 — 14.
22. Wojtowicz A.J., Szupryczynski P., Glodo J., Drozdowski W., Wisniewski D. Radioluminescence and recombination processes in BaF2:Ce // Journal of Physics: Condensed Matter. 2000. Vol. 12. No. 17. Pp. 4097—4124.
23. Родный П.А., Гаин С.Д., Миронов И.А., Гарибин Е.А., Демиденко А.А., Селиверстов Д.М., Гусев Ю.И., Федоров П.П., Кузнецов С.В. Спектрально-кинетические характеристики кристаллов и нанокерамик на основе BaF2 и BaF2:Ce // Физика твердого тела 2010. Т. 52. № 9. С. 1780—1784.
24. Radzhabov E., Nagirnyi V. Excitation of Pr3+ ions in alkaline-earth fluorides // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 15. No. 1. P. 012029.
25. Visser R., Dorenbos P., Van Eijk C.W.E., Meijerink A., Den Hartog H.W. The scintillation intensity and decay from Nd3+ 4/ 25d and 4/ 3 excited states in several fluoride crystals // Journal of Physics: Condensed Matter. 1993.
Vol. 5. No. 44. Pp. 8437-8460.
26. Kirm M., Lushchik A., Lushchik Ch., Makhov V., Negodin E., Vielhauer S., Zimmerer
G. VUV luminescence of BaF2, BaF2:Nd and BaY2F8 crystals under inner-shell excitation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2002. Vol. 486. No. 1-2. Pp. 422425.
27. Cadatal M., Furukawa Y., Seo Y.-S., Ono S., Estacio E., Murakami H., Fujimoto Y., Sarukura N., Nakatsuka M., Fukuda K., Simura R., Suyama T., Yoshikawa A., Saito F. Vacuum ultraviolet optical properties of a micro-pulling-down-method grown Nd3+:(La09, Ba01)F29 // Journal of the Optical Society of America. B. 2008. Vol. 25. No. 7. Pp. B27-B31.
28. Abe N., Yokota Y., Yanagida T., Kawaguchi N., Pejchal J., Yoshikawa A. Evaluation of gamma-ray response of Tm:BaF2 single crystals // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2010. Vol. 57. No. 3. Pp. 1304-1307.
29. Radzhabov E., Nagirnyi V., Kirm M., Prosekina E. 5d-4f emission of Nd3+, Sm3+, Ho3+, Er3+, Tm3+ ions in alkaline earth fluorides // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2012. Vol. 59. No. 5. Pp. 2074-2078.
30. Kobayashi M., Ishii M., Sobolev B.P., Zhmurova Z.I., Krivandina E.A. Scintillation characteristics of nonstoichiometric phases formed in MF2-GdF3-CeF3 system. Part I. (M = Ba), scintillation of Ba„„Gdn, CeR, (0 < x <
0.9 0.1-x x 2.1 ^
0.1) fluorite-type crystals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 1999. Vol. 421. No. 1-2. Pp. 180-190.
31. Wojtowicz A.J., Janus S., Piatkowski D. Fast and efficient VUV/UV emissions from (Ba,La) F2:Er crystals // Journal of Luminescence. 2009. Vol. 129. No. 12. Pp. 1594-1597.
32. Kurosawa Sh., Yanagida T., Yokota Yu., Yoshikawa A. Crystal growth and scintillation properties of fluoride scintillators //IEEE Transactions on Nuclear Science. 2012. Vol. 59. No. 5. Pp. 2173 - 2176.
33. Yanovsky V.V., Reiterov V.M., Rodnyi P.A. Effect of gamma-radiation on optical characteristics of barium fluoride scintillation crystals // Nuclear Physics B. (Proceedings. Supplements). 1991. Vol. 23A. No. 1. Pp. 347351.
34. Zhu R.-Y. On quality requirements to the barium fluoride crystals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 1994. Vol. 340. No. 3. Pp. 442-457.
35. Vistovskyy V.V., Zhyshkovych A.V., Chornodolskyy Ya.M., Myagkota O.S., Gloskovskii A., Gektin A.V., Vasil'ev A.N.,
Rodnyi P.A., Voloshinovskii A.S. Self-trapped exciton and core-valence luminescence in BaF2 nanoparticles // Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 114. No. 19. P. 194306.
36. Jacobsohn L.G., Kucera C.J., James T.L., Sprinkle K.B., di Maio J.R., Kokuoz B., Yazgan-Kukouz B., de Vol T.A., Ballato J. Preparation and characterization of rare earth doped fluoride nanoparticles // Materials. 2010. Vol. 3. No. 3. Pp. 2053-2068.
37. Jacobsohn L.G., Sprinkle K.B., Roberts S.A., Kucera C.J., James T.L., Yukihara E.G., de Vol T.A., Ballato J. Fluoride nanoscintillators // Journal of Nanomaterials. 2011. Vol. 2011. P. 523638.
38. Kang Z., Barta M., Nadler J., Wagner B., Rosson R., Kahn B. Synthesis of BaF2:Ce nanophosphor and epoxy encapsulated transparent nanocomposite // Journal of Luminescence. 2011. Vol. 131. No. 10. Pp. 2140-2143.
39. Simpson P.J., Tjossem R., Hunt A.W., Lynn K.G., Munne V. Superfast timing performance from ZnO scintillators // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 2003. Vol. 505. No. 1-2. Pp. 82-84.
40. Zang C.H., Liu Y.C., Mu R., Zhao D.X., Ma J.G., Zhang J.Y., Shen D.Z., Fan X.W. Optical properties of ZnO nanocrystals embedded in BaF2 film fabricated by magnetron sputtering // Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40. No. 18. Pp. 5598-5601.
41. Батыгов С.Х., Болясникова Л.С., Гарибин Е.А., Демиденко В.А., Дорошенко М.Е., Ду-кельский К.В., Лугинина А.А., Миронов И.А., Осико В.В., Федоров П.П. Сцинтилляцион-ная керамика BaF2:Ce3+ // Доклады Академии наук. 2008. Т. 422. № 2. С. 179 -181.
42. Han H., Zhang Z., Weng X., Liu J., Guan X., Zhang K., Li G. Development of a fast radiation detector based on barium fluoride scintillation crystal // The Review of Scientific Instruments. 2013. Vol. 84. No. 7. P. 073503.
43. de Vol T.A., Wehe D.K., Knol G.F. Evaluation of wavelength shifters for spectral separation of barium fluoride emissions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section. A. 1994. Vol. 348. No. 1. Pp. 156-162.
44. Boiano C., Bassini R., Pullia A., Camera F., Benzoni G., Bracco A., Brambilla S., Million B., Wieland O. A fast-stretcher for an easy acquisition of the fast component of BaF2 detectors signals // IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. 2004. Vol. 3. Pp. 1349-1351.
45. Rodnyi P.A., Mikhrin S.B., Mishin A.N., Sidorenko A.V. Small-size pulsed X-ray source for measurements of scintillator decay time
constants //IEEE Nuclear Science Symposium. Conference Record. 2001. Vol. 48. No. 6. Pp. 2340-2343.
46. Beaumont J.H., Hayes W., Kirk D.L.,
Summers G.P. An investigation of trapped holes and trapped excitons in alkaline earth fluorides // Proceedings of the Royal Society of London. Ser. A. 1970. Vol. 315. No. 1520. Pp. 69-97.
Статья поступила в редакцию 28.01.2019, принята к публикации 14.02.2019.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
РОДНЫЙ Пётр Александрович — доктор физико-математических наук, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация.
195251, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 rodnyi@physics.spbstu.ru
ГАРИБИН Евгений Андреевич — директор ЗАО «ИНКРОМ», Санкт-Петербург, Российская Федерация.
193171, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул. Бабушкина, 36. e.garibin@incrom.ru
ВЕНЕВЦЕВ Иван Дмитриевич — ассистент Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация.
195251, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 Venevtsev.Ivan@gmail.com
ДАВЫДОВ Юрий Иванович — руководитель отдела Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна Московской обл., Российская Федерация.
141980, Российская Федерация, г. Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Davydov@jinr.ru
REFERENCES
[1] N.N. Ershov, N.G. Zakharov, P.A. Rodnyi, Spektralno-kineticheskoye issledovaniye kharakteristik sobstvennoy lyuminestsentsii kristallov tipa flyuorita [Studies in spectra and kinetics of intrinsic luminescence of fluorite-type crystals], Optics and Spectroscopy. 53 (1) (1982) 51-54.
[2] M. Laval, M. Moszynski, R. Allemand, et al., Barium fluoride inorganic scintillator for subnanosecond timing, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 206 (1-2) (1983) 168-176.
[3] Yu.M. Aleksandrov, V.N. Makhov, P.A. Rodnyi, et al., Sobstvennaya lyuminestsentsiya BaF2 pri impulsnom vozbuzhdenii sinkhrotronnym izlucheniyem [BaF2 intrinsic luminescence under pulse excitation by synchrotron radiation], Soviet Physics, Solid State, 26 (9) (1984) 265-286.
[4] P.A. Rodnyi, Ostovno-valentnyye perekhody v shirokozonnykh ionnykh kristallakh [Core-valence transitions in the high-bandgap ion crystals], Physics of the Solid State. 34 (7) (1992) 1975-1998.
[5] C.L. Woody, P.W. Levy, J.A. Kierstead, Slow component suppression and radiation damage in doped BaF2 crystals, IEEE Transactions on Nuclear Science. 36 (1) (1989) 536-542.
[6] B.P. Sobolev, E.A. Krivandina, S.E. Derenzo, et al., Suppression of BaF2 slow component of X-ray luminescence in non-stoichiometric Ba09R01F21 crystals (R = rare earth element), Proceedings of The Material Research Society: Scintillator and Phosphor Materials (M.J. Weber, ed.), (1994) 277-283.
[7] A. Nepomnyashchikh, E.A. Radzhabov, A.V. Egranov, V.F. Ivashechkin, Luminescence of BaF2-LaF3, Radiation Measurements. 33 (2001) 759-762.
[8] E. Radzhabov, A. Istomin, A. Nepomnyashikh,
et al., Exciton interaction with impurity in barium fluoride crystals, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A. 537 (1-2) (2005) 71-75.
[9] S. Diehl, R.W. Novotny, B. Wohlfahrt, R. Beck, Readout concepts for the suppression of the slow component of BaF2 for the upgrade
of the TAPS spectrometer at ELSA, Journal of Physics: Conference Series. 587 (2015) 012044.
[10] Ch.K. Najeeb, J.-H. Lee, J. Chang, et al., Ultrafast UV-photo detector based on singlewalled carbon nanotube/PEDOT-PSS composites, Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 9 (2009) 6928-6933.
[11] D. Hitlin, J.H. Kim, J. Trevor, et al., An APD for the detection of the fast scintillation component of BaF2, IEEE Transactions on Nuclear Science. 63 (2) (2016) 513-515.
[12] R.-Y. Zhu, The next generation of crystal detectors, Journal of Physics: Conference Series. 587 (2015) 012055.
[13] P. Schotanus, P. Dorenbos, C.W.E. van Eijk, R.W. Hollander, Recent developments in scintillator research, IEEE Transactions on Nuclear Science. 36 (1) (1989) 132-136.
[14] J. Chen, F. Yang, L. Zhang, et al., Slow scintillation suppression in yttrium doped BaF2 crystals, IEEE Transactions on Nuclear Science. 65 (8) (2018) 2147-2151.
[15] V. Nesterkina, N. Shiran, A. Gektin, et al., The Lu-doping effect on the emission and the coloration of pure and Ce-doped LiLuF4 crystals, Radiation Measurements. 42 (2007) 819-822.
[16] D.M. Seliverstov, A.A. Demidenko, E.A. Garibin, et al., New fast scintillators on the base of BaF2 crystals with increased light yield of 0.9 ns luminescence for TOF PET, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 695 (2012) 369-372.
[17] P. Dorenbos, R.W. Visser, C.W.E. van Eijk, et al., Photon yields and decay times of cross luminescence in ionic crystals, IEEE Transactions on Nuclear Science. 39 (4) (1992) 506-510.
[18] A.V. Golovin, N.G. Zakharov, P.A. Rodnyi, Mekhanizm korotkovolnovoy lyuminestsentsii ftorida bariya [A shortwave luminescent mechanism of barium fluoride], Optics and Spectroscopy. 65 (1) (1988) 176-180.
[19] M. Biasini, D.B. Cassidy, S.H.M. Deng, et al., Suppression of the slow component of scintillation light in BaF2, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 553 (3) (2005) 550-558.
[20] P. Dorenbos, R. Visser, R.W. Hollander, et al., The effects of La3+ and Ce3+ dopants on the scintillation properties of BaF2 crystals, Radiation Effects and Defects in Solids. 119-121 (1) (1991) 87-92.
[21] C.W.E. Van Eijk, Inorganic-scintillator development, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 460 (1) (2001) 1-14.
[22] A.J. Wojtowicz, P. Szupryczynski, J. Glodo, et al., Radioluminescence and recombination
processes in BaF2:Ce, Journal of Physics: Condensed Matter. 12 (2000) 4097-4124.
[23] P.A. Rodnyy, Gain S.D., I.A. Mironov, et al., Spectral-kinetic characteristics of crystals and nanoceramics based on BaF2 and BaF2:Ce, Physics of the Solid State. 52 (9) (2010) 19101914.
[24] E. Radzhabov, V. Nagirnyi, Excitation of Pr3+ ions in alkaline-earth fluorides, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 15 (2010) 012029.
[25] R. Visser, P. Dorenbos, C.W.E. Van Eijk, et al., The scintillation intensity and decay from Nd3+ 4/ 2 5d and 4f 3 excited states in several fluoride crystals, Journal of Physics: Condensed Matter. 5 (44) (1993) 8437-8460.
[26] M. Kirm, A. Lushchik, Ch. Lushchik, et al., VUV luminescence of BaF2, BaF2:Nd and BaY2F8 crystals under inner-shell excitation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 486 (1-2) (2002) 422-425.
[27] M. Cadatal, Y. Furukawa, Y.-S. Seo, et al., Vacuum ultraviolet optical properties of a micro-pulling-down-method grown Nd3+:(La09, Ba01) F2.9, Journal of the Optical Society of America, B. 25 (7) (2008) B27-B31.
[28] N. Abe, Y. Yokota, T. Yanagida, et al., Evaluation of gamma-ray response of Tm:BaF2 single crystals, IEEE Transactions on Nuclear Science, 57 (3) (2010) 1304-1307.
[29] E. Radzhabov, V. Nagirnyi, M. Kirm, E. Prosekina, 5d - 4/ emission of Nd3+, Sm3+, Ho3+, Er3+, Tm3+ ions in alkaline earth fluorides, IEEE Transactions on Nuclear Science. 59 (5) (2012) 2074-2078.
[30] M. Kobayashi, M. Ishii, B.P. Sobolev, et al., Scintillation characteristics of nonstoichiometric phases formed in MF2-GdF3-CeF3 system, Part I. (M = Ba), scintillation of Ba0 9Gd01_xCexF21 (0 < x < 0.1) fluorite-type crystals, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 421 (1-2) (1999) 180-190.
[31] A.J. Wojtowicz, S. Janus, D. Piatkowski, Fast and efficient VUV/UV emissions from (Ba, La)F2:Er crystals, Journal of Luminescence. 129 (20099) 1594-1597.
[32] Sh. Kurosawa, T. Yanagida, Yu. Yokota, A. Yoshikawa, Crystal growth and scintillation properties of fluoride scintillators, IEEE Transactions on Nuclear Science. 59 (5) (2012) 2173-2176.
[33] V.V. Yanovsky, V.M. Reiterov, P.A. Rodnyi, Effect of gamma-radiation on optical characteristics of barium fluoride scintillation crystals, Nuclear Physics, B. (Proceedings. Supplements). 23A (1991) 347-351.
[34] R.-Y. Zhu, On quality requirements to the barium fluoride crystals, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 340 (3) (1994) 442-457.
[35] V.V. Vistovskyy, A.V. Zhyshkovych, Ya.M. Chornodolskyy, et al., Self-trapped exciton and core-valence luminescence in BaF2 nanoparticles, Journal of Applied Physics. 114 (2013)194306.
[36] Z. Kang, M. Barta, J. Nadler, et al., Synthesis of BaF2:Ce nanophosphor and epoxy encapsulated transparent nanocomposite, Journal of Luminescence. 131 (10) (2011) 2140-2143.
[37] L.G. Jacobsohn, K.B. Sprinkle, S.A. Roberts, et al., Fluoride nanoscintillators, Journal of Nanomaterials. 2011 (2011) 523638.
[38] L.G. Jacobsohn, C.J. Kucera, T.L. James, et al., Preparation and characterization of rare earth doped fluoride nanoparticles, Materials. 3 (2010) 2053-2068.
[39] P.J. Simpson, R. Tjossem, A.W. Hunt, et al., Superfast timing performance from ZnO scintillators, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 505 (1-2) (2003) 82-84.
[40] C.H. Zang, Y.C. Liu, R. Mu, et al., Optical properties of ZnO nanocrystals embedded in BaF2 film fabricated by magnetron sputtering, Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (2007) 5598-5601.
Received 01.02.2019, accepted 05.02.2019.
[41] S.Kh. Batygov, L.S. Bolyasnikova, E.A. Garibin, et al., BaF2:Ce3+ scintillation ceramics, Doklady Akademii Nauk. 422 (2) (2008) 179— 181.
[42] H. Han, Z. Zhang, X. Weng, et al.,
Development of a fast radiation detector based on barium fluoride scintillation crystal, The Review of Scientific Instruments. 84 (2013) 073503.
[43] T.A. de Vol, D.K. Wehe, G.F Knol, Evaluation of wavelength shifters for spectral separation of barium fluoride emissions, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section, A. 348 (1) (1994) 156-162.
[44] C. Boiano, R. Bassini, A. Pullia, et al., A fast-stretcher for an easy acquisition of the fast component of BaF2 detectors signals, IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. 3 (2004) 1349-1351.
[45] P.A. Rodnyi, S.B. Mikhrin, A.N. Mishin, A.V. Sidorenko, Small-size pulsed X-ray source for measurements of scintillator decay time constants, IEEE Nuclear Science Symposium, Conference Record. 48 (6) (2001) 2340-2343.
[46] J.H. Beaumont, W. Hayes, D.L. Kirk, G.P. Summers, An investigation of trapped holes and trapped excitons in alkaline earth fluorides, Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A. 315 (1520) (1970) 69-97.
THE AUTHORS
RODNYI Piotr A.
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russian Federation
rodnyi@physics.spbstu.ru
GARIBIN Evgeniy A. CJS "INCROM"
36-1 Babushkina St., Saint Petersburg, 193171, Russian Federation e.garibin@incrom.ru
VENEVTSEV Ivan D.
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russian Federation
Venevtsev.Ivan@gmail.com
DAVYDOV Yuriy I.
Joint Institute for Nuclear Research
6 Joliot-Curie St., Dubna, Moscow region, 141980, Russian Federation Davydov@jinr.ru
© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019
