CC BY
9
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 535.343.2 Проф. З.П. Чоршй, д-р фiз.-мат. наук;
доц. В.М. Салапак, канд. фiз.-мат. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
РАД1АЦШШ ПРОЦЕСИ В ПОВТОРНО ОПРОМ1НЕНИХ КРИСТА-ЛАХ ФЛЮОРИТ1В, ЛЕГОВАНИХ ЛУЖНИМИ МЕТАЛАМИ
В одномiрнiй моделi розраховано параметри радiацшноi чутливостi повторно опромiнених кристалiв флюорипв, легованих лужними металами. Визначено гра-ничнi концентрацп центрiв забарвлення залежно вщ концентрацп домiшки лужного металу в кристалi флюориту.
Ключов1 слова: кристали, центри забарвлення, радiацiя.
Вступ. У роботах [1, 2] ми встановили, що кристалам галогенщв дво-валентних метал1в з точковими дефектами дипольного типу притаманний ефект радiацiйноi пам'ятг оптично знебарвлеш 1 пот1м повторно опромшеш кристали збер1гають шформащю про попередне опромшення. Зазвичай ефект радiацiйноi пам'ят проявляеться в тому, що повторно опромшеш кристали мають бшьш високу радiацiйну чутливють до опромшення i в них виникають нов1 центри забарвлення, що не генеруються при першому опромшенш крис-тала радiацiею.
Структура точкових дефекпв у кристалах MeF2-Me+ (Me=Ca, Sr, Ba; Me+=Li+, Na+, K+). Загальновщомо [3-4], що юни лужних метал!в входять у гратку кристала флюориту у вигляд! юшв замiщення. Компенсащя надлиш-кового вiд,емного вщносно гратки заряду здшснюють анiоннi вакансii. Зпдно з дослiдженнями струм1в ТСД [5-6], за температур Т>350 К компенсащя мае
просторовий характер. Кристал мютить Ме юни, розташованi в катюнних
вузлах гратки i мобшьт анiоннi ваканси Уа . За температур Т<350 К, внаслi-
•
док кулошвського притягання м1ж Ме i Уд дефектами, анiонна ваканЫя роз-ташовуеться в окол1 домшкового iона, утворюючи домшково-вакансшний
диполь (ДВД) типу МеУД. У ДВД анюнна ваканЫя здiйснюе лише рота-цшний рух в окол1 домшкового юна (здшснюе перескоки по восьми е^ва-
лентних вщносно Ме -iона позищях). За температур Т<150 К анюнш вакансii замороженi в гратцi кристала.
Описаш вище юнш процеси схематично можна зобразити у вигляд1 такоi реакцii:
• Т<350 К ^
Ме + УД МеУ/. (1)
<-
Т>350К
Отже, за температур порядку Т~350 К, у кристалах флюорш!в вщбу-ваеться перехiд вщ просторового способу компенсаци електричних зарядiв
(Ме \ У а дефекти) до локального способу компенсацп заряду (МеУа асощ-ати). Для переб1гу реакцп (1) потр1бна енерпя терм1чно! активацп:
Еа (1)=Ео+ |е№ (2)
де: Еа (1) - енерпя термодисощацп диполя МеУа; Е0 - енерпя активацп м1г-
рацп анюнно! вакансп У а; Езв - енерпя кулошвсько! взаемодп м1ж Ме -юном
1 У 1 -ваканЫею в дипол1 Ме У а .
У першому наближенш Бо~ Бг, де Бг - енерпя активацп ротацшного
руху анюнно! вакансп в окол1 Ме -юна. З урахуванням р1вняння (2) можна за-писати р1вняння:
Та(1) = Тг+ ЛТ, (3)
де Та (1) - температура терм1чно! дисощацп диполя МеУ^; Тг- температура релаксацп дипол1в (реор1ентацп ДВД); ЛТ - величина р1знищ м1ж температурою термодисощацп дипол1в та температурою 1х ротацп.
Зокрема для кристал1в СаГ2-Иа: Еа&1,0 еВ, Е0~ Ег&0,5 еВ, Езв еВ, Та*350 К, Тг*150 К, ЛТ&200 К.
У робот [1], в якш вщкритий ефект рад1ацшно! пам'ят1, встановлено, що цей ефект пов'язаний з наявшстю в знебарвленому кристал1 терм1чно не-
р1вноважних з юнною граткою кристала просторово роздшених структурних ••
дефекпв Ме \ У а МеУа.
Пщ час нагр1вання повторно забарвленого кристала внаслщок обмшу ••
ваканЫею м1ж У а МеУа \ Ме дефектами у гратщ кристала вщновлюються дефекти дипольного типу: вщбуваеться термоактивацшний перехщ вщ просто-рового розташування заряджених дефект1в у гратщ кристала до локального способу:
Ме+ Уа Ме уа Т>200К > Ме+ У' + Ме У/ Т>200К > Ме У' + Ме У/ = ДВД + ДВД (4)
кТ кТ
Енерпя активацп цього процесу визначаеться такою формулою:
Еа (2)=Е0+1Езв, (5)
4
де Ба (2) - температура термодисощацп У а МеУа -комплексу.
А, вщповщно, температуру термодисощацп комплексу У а МеУа визна-чають р1внянням:
Та (2)= Т+ 2 ЛТ, (6)
де Td (2) - температура, за яко! настае терм1чне руйнування комплекЫв.
Експеримент по^зуе, що у кристaлaх CaF2-Me+ TepMÍ4Ha дисоцiaцiя
комплексiв вiдбувaеться 3a Td (2)>200x250 K [V].
• • •
Утвoрeння ioHÍe i V/MeV/ aco^ariB у криcтaлi. Me i V/MeV/ комплексы три утворюються внaслiдок оптичного пiдсвiчувaння зaбaрвлених кристaлiв, якi мiстять {MA ^^^шри центрiв зaбaрвлення [1-2]:
hv
Ma+ + Vka= Me(Vif2 + e+ Me —> V/MeV/ + Me
(V)
T<200K
Або 3 урaхувaнням символжи, що зaстосовуеться в моделi юнного лaнцюгa:
(8)
де познaчено:
Q — катюн нужного металу Ме \ розташований в катюнному вузл1 (Me-юн);
□ - ^-центр (анюнна вакансия, що захопила електрон); 0П - /Sf-центр (F-центр, розташований в omni до\пшкового ¡она); S О © ~ К^о-центр (д1рка, локал1зована в okohÍ диполя); 0Е9 - М^-центр (51ваканЫя, bÍcb якшзб1гаеться з [100] кристалогра([лчним напрямом, що захопила зонний електрон i розташована в окол1
R (e-, e+) - юшзуюче випромiнювaння, що генеруе в кристaлi (e-, e+) електрон-но-дiрковi тари.
Якщо знебaрвлення проводити 3a T>200 К, то термiчно нерiвновaжнi зaрядженi дефекти зникaють:
/IV
B0S
• • • •
о—> ае
в
©->В0
(9)
Т>200К
MexaHÍ3M гeнeрaцiï ^^piB зaбaрвлeння. Структурa центрiв зaбaр-влення у кристaлaх флюоритiв, леговaних лужними метaлaми, зaлежить вiд темперaтури опромшення. Якщо кристaл опромiнювaти 3a Т<200 К, то в них генеруються {FA-VKD} пaри центрiв зaбaрвлення, як пiд 4ac нaгрiвaння крис-тaлa перетворюються в {MA -VKA} комплементaрнi пaри:
ДВД+ДВД R(e',et) ) Fa + Vkd T >2ШК > MA+ + Vka, (10)
R(e,ev)
©0. . . .©ŒI «
kT
w; R(e,e+)
=*©□----©es
(11)
де: ú1 - ÍMOBÍpmcTb утворення {Fa-Vkd}--комплементарно! пари центргв забар-влення внаслгдок локалгзаци електрона та дiрки на просторово роздглених ДВД; Ú2 - iмовiрнiсть знебарвлення {^А-Р^-комплементарно! пари центрiв забарвлення i, вiдповiдно, вгдновлення пари ДВД внаслiдок локалгзаци електрона i дiрки на центрах забарвлення - висвгтлювальна дiя юшзуючо! радгаци.
Якщо кристали MeF2-Me+ опромгнювати iонiзуючою радгацгею за Т>200 К, то {MA -Vka} комплементарш пари виникають безпосередньо в про-цесг опромiнення:
де ú3 - iмовiрнiсть знебарвлення {MA -Vka}^-комплементарно! пари центрiв забарвлення внаслгдок локалiзацi! електрона i дiрки на центрах забарвлення -висвгтлювальна дiя юшзуючо! радiацi!.
MexaHÍ3M генерацп ^htpíb забарвлення пiд час повторного опро-мiнення. До опромгнення кристали MeF2-Me+ мгстять дефекти дипольного типу i механгзм генерацп центргв забарвлення в них вгдбуваеться зггдно з ргв-нянням (11).
Знебарвлений кристал, окргм дефектiв дипольного типу, мгстить до-
• •
датково комплементарш пари дефектгв {Me ••••Va/MeV /}, як в процесi опро-мiнення зумовлюють виникнення нових за своею структурою центргв забарвлення:
де: □ 0 0 - /-'/гцентр (/'-центр, розташований в oiccmi ДВД)-, а>4 - ÍMOBÍpmcTb генерацп {Fd-Vka}--комплементарно! пари центрiв забарвлення при розпадг електронно-д1рково! пари в юнному ланцюгу ©• • • • 0 0 0; ®5 - ímo-вгрнгсть знебарвлення {Fd-Vka}--комплементарно! пари при розпадг електрон-но-д1рково! пари в юнному ланцюгу © © • • • •□©[+].
FD-центр за температури ротацп диполя перетворюеться в МА -центр:
Саме процеси, що описуються ргвнянням (13), зумовлюють виникнення ефекту радiацiйно! пам'ятг в кристалах MeF2-Me+.
Розрахунки пaрaметрiв, що характеризують рaдiaцiйну чутли-
• • •• • Т7
вгсть кристалш за ix повторного опромшення. У моделi гонного ланцюга ми розрахували величини, що характеризують радгацгйну чутливгсть криста-лгв. Результати розрахункгв наведет в табл. 1-4.
Табл. 1. Iмовiрнiсть утворення центрiв забарвлення (щ, щ) та IXрадiацiйного руйнування (щ, щ3, щ) вна^докрозпаду електроннодрковоХ пари в юнному _ланцюгу_
с, мол% 1 ш1 ®2 ®3 ш4 ш5
о,5о 6 а о,1оо о,27 о,1о о,27 о,1о
о,1о 1о а о,об9 о,29 о,об9 о,29 о,об9
о,о1 21 а о,о32 о,29 о,о32 о,29 о,о32
с - молярна концентращя юшв лужних металiв в гратщ кристала; I - середня вщстань мiж домiшковими iонами; а - параметр юнного ланцюга.
Табл. 2. Концентращя точкових дефектiв i центрiв забарвлення _на стади насичення забарвлення кристала_
[С], мол% 1 [С ] [С ]о [С, ]1 [С ]о [С ]2 [С ]о [с, ]2 [С ]о
о,5о 6 а о,27 о,73 о,5о о,5о
о,1о 1о а о, 19 о,81 о,5о о,5о
о,о1 21 а о,1о о,9о о,5о о,5о
[С] - концентращя Ме -юшв у гратщ кристала; [С] о - концентращя
пар дипол1в у гратщ кристала до його опромшення: [С]о=2 [С]; [С]1 - 1 [СаЬ -
концентращя пар центр1в забарвлення 1 пар ДВД шсля низькотемпературного опромшення, вщповщно; [С]2 - I [Са]2 - концентращя пар центр1в забарвлення 1 пар ДВД шсля опромшення кристала в област юмнатно! температури, вщповщно:
[С ]1 =
[С]о; [С,]1 = [С]о; [С]= [С]о; [С,]= [С]о.
щ + — щ + — щ + аъ щ + щ,
Оскшьки 0)1= щ, то [С]2= [С,]2=2 [С]о.
Табл. 3. Концентраця центрiв забарвлення за повторного опромшення кристала
щ
щ
[С], мол% 1 [Ра 2 [Р, ] м+ . а .2 2 2
[с] о [С ]о [С ]о Ма 2 Ма\ 1
о,5о 6 а о, 19 о, 19 о,38 о,5о 1,4
о,1о 1о а о, 15 о, 15 о,3о о,5о 1,6
о,о1 21 а о,о93 о,о93 о, 19 о,5о 1,9
[РА]2 - гранична концентращя РА-центр1в (стад1я насичення забарвлення кристала); [Р,]2 - гранична концентращя Ро-центр1в; [МА]2 - гранична концентращя МА-центр1в шд час повторного опромшення кристала; [МА]1 - гранична концентращя МА-центр1в шд час першого опромшення кристала;
Р ]2 = 00-[С¡ ]1=——---°-[С ]о = — [С
ю1 + o2 ю1 + ¿У2 ю1 + ¿У2 (щ + o2)
Р ] = ]=—---—[с ]о =—[С
+ ю2 + 0)2 + ю2 (щ + щ2)
к+]2 =р ]2 ]2=
к+Ыс ]
О
(0 +О2 )
[с ]
2О,О2
(о1 + о)
М
[с ]
м:
2о
о + О
Табл. 4. Концентраця центрiв забарвлення тд час повторного опромшення кристала (Т=80 К) (попередне опромшення кристала за Т=250 К)
[с], мол% 1 [Ра ] Р 1. ^ 2 М+ 1. а 12 [ Рв ] 2 М:] 2
[с ]0 [с ]0 [с ]0 МА 2 \м:\ 1
0,50 6 а 0,14 0,36 0,50 0,72 1,0
0,10 10 а 0,10 0,40 0,50 0,80 1,0
0,01 21 а 0,05 0,45 0,50 0,90 1,0
О
о + о
с ] = 0,5
О
(о + 02)
[с ]о; [Рв ]
О
0 + 02
[С ], = 0,5
О
О
(о + 02)
м
[с ]о0
о, + О
а j
м+
=1.
М+]2=[Ра]2 + Р]2 = 0,5-[с]о; МЫс] = 2[с]о; ^=
Результати дослiджень. До опромiнення iонiзуючою радiащею крис-тали МеР2-Ме+ мiстять дорадiацiйнi дефекти дипольного типу: у кристалi ре-алiзуеться локальний спосiб компенсаци протилежно заряджених точкових де-фекпв. У процесi опромiнювання пара ДВД перетворюеться на пару заряджених цен^в забарвлення {РА-Укв}: вiдбуваеться перехщ вiд локального до просторового способу компенсаци електричного заряду. Такий перехщ збшь-шуе потенцiальну енергiю кристалiчноl гратки флюориту на 1 еВ внаслщок ви-никнення кожно! ново! пари цен^в забарвлення. Утворення цен^в забарвлення порушуе термiчну рiвновагу в iоннiй пiдгратцi кристала. Вщновлення рiвноважного стану кристалiчноl гратки можна здшснити кшькома способами:
1. За рахунок ютзуючо! радiацil (висвiтлювальна дiя радааци, рiвнян-ня (11)).
2. За допомогою оптично! пiдсвiтки забарвленого кристала в област РА або Укв смугах поглинання (фотостимуляцiйнi перетворення (14) i (15)):
Нагрiванням кристала (термоактивацшш процеси): рiвняння (16) i (17):
(17)
Реакцiï, що описуються рiвнянням (11), (14-16), описують радiо-, фото- чи термоактивацшний перехiд вiд центрiв забарвлення до ДВД i вщнов-люють дорадiацiйний стан точкових дефектiв у кристашв.
Специфiка процесiв, якi описують pîbmhmm (17), полягае в тому, що завдяки термоактивацiйному переносу вакансiï вщ дiркового центра до елек-тронного центра забарвлення вщновлюеться дипольна структура дефеклв без знебарвлення кристала (утворюються {Ma+-Vka} пари центрiв забарвлення).
Якщо кристал, який мiстить {MA+-VKA} пари цен^в забарвлення оп-
тично засвггити, то знебарвлення кристала зумовлюе виникнення термiчно
• •
нерiвноважних заряджених дефеклв ({Me......VjMeVl }-пари дефектiв).
Наявнiсть в знебарвленому кристалi термiчно нерiвноважних з грат-кою кристала заряджених точкових дефеклв iстотно змiнюе його радiацiйнi властивостi, що становить сутнiсть ефекту "радiацiйноï пам,ятiм: збiльшення радiацiйноï чутливост кристала в 2-5 разiв, виникнення нових центрiв забарвлення (Рд-цен^в), концентрацiя яких е спiвмiрною або перевищуе концен-трацiю основних електронних центрiв забарвлення (РА-цен^в).
Л1тература
1. Чорнш З.П. Ефект "радiацiйноï пам'я'п" в кристалах SrCl2: TlCl / З.П. Чорнш, Г.О. Щур, В.М. Салапак, С.1. Качан // Вюник ДУ "Львiвська полiтехнiка". - Сер.: Теорiя i проекту-вання натвпровщникових i радiоелектронних пристро'1'в. - 1998. - № 343. - С. 195-201.
2. Чорнш З.П. 1онш ланцюги з точковими дефектами дипольного типу: повторне опро-мшювання / З.П. Чорнш, 1.Б. Шрко, В.М. Салапак, М.В. Дячук // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Украши. - 2009. - Вип. 19.7. - С. 275-285.
3. Чорнш З.П. Мехашзм генераци центрiв забарвлення в легованих кристалах флюорипв. Одновимiрна модель / З.П. Чорнш, 1.Б. Шрко, В.М. Салапак, М.В. Дячук // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Украни. - 2005. - Вип. 15.1. - С. 298-307.
4. Чорнш З.П. Генеращя цен^в забарвлення в легованих кристалах флюорипв. Одно-вимiрна модель / З.П. Чорнш, 1.Б. Шрко, В.М. Салапак, М.В. Дячук // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Украши. - 2005. - Вип. 15.1. - С. 170-174.
5. Чорний З.П. Влияние фотохимической окраски на термостимулированные токи деполяризации в кристаллах SrCl2-K / З.П. Чорний, М.Р. Панасюк, А.С. Крочук, Х.К. Максимович, Г. А. Щур // Украинский физический журнал. - 1982. - Т. 27, № 8. - С. 1219-1223.
6. Чорний З.П. Ионные термотоки в радиационно окрашеных кристаллах CaF2 / Чорний З.П., Щур Г. А., Качан С.И., Дубельт С.П. // Известия вузов. - Сер.: физическая. - 1988. -№ 6. - С. 116-117.
7. Чорнш З.П. Реорiентацiя та термодисощащя домшково-вакансшних комплекав у кристалах SrCl2-Ме+ / З.П. Чорнш // Журнал фiзичних дослщжень. - 1999. - Т. 3, № 4. - С. 513-518.
Чорний З.П., Салапак В.М. Радиационные процессы во вторично облученных кристаллах флюоритов, легированных щелочными металлами
В одномерной модели рассчитаны параметры радиационной чувствительности вторично облученных кристаллов флюоритов, легированных щелочными металлами. Определены граничные концентрации центров окраски в зависимости от концентрации примеси щелочного металла в кристалле флюорита.
Ключевые слова: кристаллы, центры окраски, радиация.
Chornij Z.P., Salapak V.M. The radiation processes in the second time irradiated fluoride crystals which are alloyed with alkaline metals
In the single-measured model the radiation sensitivity paramétrés are calculated in the second time irradiated fluoride crystals which are alloyed with alkaline metals. The maximum concentrations of the color centers were determined as a function of concentration alkaline metals impurities.
Keywords: crystals, color centers, radiation._
