CC BY
7
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 535.343.2 Проф. З.П. Чоршй, д-р фЬ.-мат наук;
доц. В.М. Салапак, канд. фп.-мат наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
центри забарвлення в повторно опром1нених кристалах флюорит1в з дом1шкою кисню
В одномiрнiй моделi розраховано параметри радiацiйноi чутливосп повторно опромiнених кристалiв флюоритiв, легованих юнами кисню. Визначено граничнi концентрацп центрiв забарвлення залежно вiд концентрацп домiшки лужного металу в кристалi флюориту.
Ключов1 слова: кристали, центри забарвлення, радiацiя.
Вступ. Кристали флюоритсв, як мютять антифренкел1вськ1 дефекти в атоннш шдгратщ кристала, володдать специф1чним ефектом, який названий ефектом "радiацiйноi пам'ят1": знебарвлений 1 пот1м повторно опромшений юшзуючою рад1ац1ею кристал збер^ае "пам'ять" про попередне опромшення. Ефект "радiацiйноi пам'ят1" детально дослщжений як експериментально, так 1 теоретично [1, 2] в кристалах флюоритсв, легованих лужними металами або талiем.
В цш робот в моделi юнного ланцюга дослiджено, за яких умов може
виникнути ефект "рад!ацшна пам'ять" у кристалах МеБ2-0 - та величину його
внеску в загальну радiацiйну чутливють кристала.
Ця робота побудована таким чином: спочатку узагальнюються експе-
риментальнi результати та вщомосп про структуру дефектiв у кристалах 2 . . . .... МеБ2-0 " i мехашзм генерацii центрiв забарвлення шд дшю iонiзуючоi радь
ацii. На баз! експериментальних результатiв, у моделi юнного ланцюга розра-
ховуеться радтцшна чутливють кристалiв МеБ2-0 ".
1. Структура точкових дефек^в в кристалах СаР2-О2-. З л^ератур-
них даних, як отриманi шд час дослщження юнно' провщносл кристалiв
2 • МеБ2-0 " [3], i наших результатiв дослiдження струм!в термостимульовано!"
деполяризаци (ТСД) випливае, що юни О " входять у гратку кристалiв флю-оритсв у вигляд1 юшв замiщення. Надлишковий вщносно гратки електричний заряд домшкового iона компенсуе анюнна ваканЫя. Отже, кристали флюориту, леговаш киснем, мютять таю точков1 дефекти:
О -юн, розмiщений в анюнному вузл гратки; У I -вакансiя фтору;
О У а -домшково-вакансшний диполь (ДВД). Спошб розмiщення У а -вакансп вщносно домшки кисню залежить вщ температури:
e Td >320 K ^
ov' O + V/. (1)
<-
Td <320 к
За температури Td>320 К aHÍOHHÍ ваканси е мобiльними i вiльно руха-ються в гратщ кристала.
За температури Т<320 К анiоннi ваканси розташоваш в околi iона кис-ню (утворюють ДВД) i можуть здшснювати лише ротацiйний рух в околi до-мiшки. За температури Т<120 К анiоннi ваканси мзамороженiм в гратщ кристала.
Для того, щоб вiдбувалася термодисоцiацiя ДВД, потрiбно затратити енергiю активаци:
Ed=E0+—Езв (2)
2
де: Ed - енерпя активаци термiчного розпаду ДВД; Е0 - енергiя активаци м^-
раци вшьно! анюнно! ваканси V/; Езв - енерпя кулошвсько! взаемоди мiж О -юном i V/ -вакансiею в ДВД.
Для кристалiв CaF2-02- Ed=0,9x1,0 еВ, а Б0» 0,5 еВ. 2. Мехашзм генерацп центрiв забарвлення та 1'хня структура. У кристалах MeF2-O " генерацiя цен^в забарвлення за низькотемпературного опромiнення зразюв реалiзуеться внаслiдок локалiзацil носив заряду на ДВД:
R(e-,e+)
ДВД +ДВД <_Fa + O'(1). (3)
< T <120K
Або, застосувавши символiку юнного ланцюга, рiвняння (3) можна за-писати у виглядi
2 * * 0 - О ' юн замицення;
ЕЕЗ - вакансия фтору Va;
0g - домшково-вакансшний диполь (ДВД); □ -F-центр; 0 □ - -центр; О - О" юн замщення;
0 В - 0"<7>центр;
R(e, e+) - створена ютзуючою радiацiею R електронно-дiркова пара (e-, e+);
01 - iмовiрнiсть захоплення носив заряду (e', e+) парою ДВД i, вщповщно, створення (FA'Ü'(1)} пари цен^в забарвлення; o2 - iмовiрнiсть руйнування (FA'Ü'(1)} пари внаслщок локалiзацil носив заряду (e', e+) на центрах забарвлення i, вщповщно, вiдновлення пари ДВД.
Згiдно з рiвняннями (3) i (4), радiацiйне руйнування кожно! пари дипо-лiв супроводжуеться виникненням пари центрiв забарвлення {РА-О'(1)}-пара. I навпаки, за кожного радiацiйного висвiтлення {ГА-О'(1}}-пари вщнов-люеться пара ДВД.
ДВД - електронейтральний асоцiат вiдносно гратки, РА- i О-(1)-цен-три - електрозаряджеш вiдносно гратки. Виникнення кожно! пари центрiв забарвлення порушуе термодинамiчну рiвновагу кристалiчноl гратки i збшьшуе потенцiальну енергiю гратки на 1 еВ.
3. Термошдуковаш перетворення центрiв забарвлення. Вiдновити термодинамiчну рiвновагу в забарвлених кристалах, якi мiстять {РА- О'(1)}-пари центрiв забарвлення, можна шд час нагрiвання кристала:
О-(1) + ¥а
т>150к > О- + V/ + Ра — О- + М
кт
А ■
(5)
Альтернативний запис до (5) можна подати у виглядi
(6)
ЕЕ П -М -центр (б1ваканс1я з локапизованим електроном);
Ш © - МА' -центр.
□
Новоутворенi {МА -О-}-пари центрiв забарвлення мають електро-нейтральну вiдносно гратки структуру, а отже, мiнiмiзують потенщальну енергiю кристалiчноl гратки.
4. Генеращя центрiв забарвлення за Т>150 К. Експериментальш да-нi свiдчать про те, що {МА -О-}-пари центрiв забарвлення можна створити в кристалi безпосередньо пiд час опромшення, якщо зразки опромiнювати за Т>150 К:
ДВД +ДВД + Ще, е+) -О- + М+. (7)
(8)
со3 - iмовiрнiсть радiацiйного руйнування (висвiтлення) {МА+-О - } пари цен-трiв забарвлення за розпаду електронно^рково! пари в юнному ланцюгу.
5. Оптичне знебарвлення кристалiв i виникнення термiчно нерiв-новажних точкових дефектiв. Забарвленi кристали, що мiстять {МА -О-}-па-ри центрiв забарвлення, можна знебарвити оптично, опромшюючи !х монох-роматичним свгглом в областi МА -смуг поглинання. Якщо знебарвлювати кристал за Т<120 К, то пiд час знебарвлення цен^в забарвлення у гратщ кристала виникають електрично зарядженi вщносно гратки дефекти:
• • •
О + Оф^)-—— О + V/ О V/
(9)
(10)
Таким чином внаслщок шдсв^ки можна створити в кристаш не прита-манш йому новi структурнi дефекти, це зумовлюе змiну фiзичних властивос-тей кристала, i передусiм змiнюе 1х радiацiйну чутливiсть.
6. Генерування центрiв забарвлення пiд час повторного опромь нення (Т<120 К). У знебарвлених кристалах трапляються як притаманнi син-
тезованим кристалам дефекти дипольного типу, так i термiчно нерiвноважнi з
• •
граткою кристала заряджет дефекти (О-iони i V а О ^-асощати). З ще! причини за низькотемпературного опромшення, ^м реакцiй, якi описуються рiвняннями (3) i (4), паралельно вiдбуваються процеси, згiдно з якими в крис-талi створюються новi за своею структурою центри забарвлення:
(о4 К(е,е+)
R(e,e+)
е
ней
а
е©
□es
(ii)
СО.<г
су4 - ÍMOBÍpHÍCTb утворення (Fo-O'J-пари цен^в забарвлення внаслiдок розпаду електронно^рково! пари; с5 - iмовiрнiсть знебарвлення (FD-O'J-пари цен^в забарвлення внаслiдок розпаду електронно^рково! пари (с5= с2).
Внаслщок перебiгу (11) в кристалi додатково виникають (FD-O'J-пари центрiв забарвлення, що шдсилюе радiацiйну чутливiсть кристалiв.
7. Розрахунки рад1ац1йно1' чутливостi кристалiв пiд час повторного опромiнення. В одномiрнiй моделi кристала, в якш реальний кристал роз-глядаеться у виглядi iонного ланцюга, який мютить iони основи та ДВД, проведет розрахунки радiацшноl чутливостi кристалiв за першого i повторного опромшення кристала юшзуючою радiацiею.
Результати розрахунюв наведено в табл. 1-4.
Табл. 1. iMoeipHicmb утворення цеHmpie забарвлення (с1, ео4) та ixрадiацiйного руйнування (с2, С i С) вна^докрозпаду електронно-dipKoeoi пари
с, мол% l С1 ®2 ®3 С4 С5
0,50 6 а 0,100 0,32 0,067 0,27 0,067
0,10 10 а 0,069 0,33 0,044 0,29 0,044
0,01 21 а 0,032 0,33 0,014 0,29 0,014
Позначення: c - молярна концентращя кисню в гратщ кристала; l - середня вщ-стань мiж домшковими iонами; а - параметр гратки.
Табл. 2. Концентращя точкових дефектiв i центрiв забарвлення на стади _насичення забарвлення кристала_
[C], мол% l [C ]1 [с, ] [с, ]1 С ]0 [C ]2 [с ] [С, ]2 С ]0
0,50 6 а 0,24 0,76 0,58 0,42
0,10 10 а 0,17 0,83 0,63 0,37
0,01 21 а 0,09 0,91 0,70 0,30
[С] - концентращя О --юшв у гратщ кристала; [Са]0 - концентрацiя пар дипо-лiв у гратцi кристала до його опромшення: [Са]0=1 [С]; [С]1 - i [СаЬ - концентращя пар цен^в забарвлення i пар ДВД пiсля низькотемпературного опромшення зразюв (Т=80х120 К) на стади насичення забарвлення кристала; [С]2 - i [Са]2 - концентращя пар центрiв забарвлення i пар ДВД пiсля опромь нення зразюв за Т>150 К на стади насичення забарвлення кристала.
Зпдно з розрахунками, модель юнного ланцюга [4]:
[Сл ]0; [Сл ]1 = ——2— [Сл ]0;
[с ], = т [с ]2 =
— + —2 —1
— +—3
[Сл ]0; [Сл ] 2 =
— + — — — + —3
с ]
Табл. 3. Граничт концентраци центрiв забарвлення тсля повторного опромшення знебарвленого кристалла за Т2=80 К
[С], мол% 1 N 2 ' Рл' 2 [МЛ] 2 [ рс ] 2 " МЛ 2
Сс 0 Сл. 0 [Сс ]0 [МЛ] 2 м+А 1
0,50 6 а 0,19 0,18 0,37 0,51 1,5
0,10 10 а 0,15 0,14 0,29 0,52 1,7
0,01 21 а 0,086 0,081 0,17 0,51 1,8
[Р]2 - гранична концентращя Рс-цен^в у кристалах повторно опромшених при 80 К; [РА]2 - гранична концентрацiя FА-центрiв у повторно опромiнених кристалах; [МА+]2 - гранична концентрацiя МА+-цен^в у повторно опромшених кристалах; [МА+]1 - гранична концентрацiя МА+-цен^в тсля першого
(01 г -| — • —2
опромiнення кристала; [РА ]2 =
[Р ]2
—2
— + —2 С ]1
с ]1=
(—1 + —О2 —
[Сс ]0; [Сс ]0;
— + —2 " " (— + —2)(— + —) [М/Ь = [РЬ + Шь [М4+]1 = [С]1.
Табл. 4. Граничш концентраци центрiв забарвлення у кристалi МеГ2- О2 , що утворилися внасл'кдок повторного опромшення кристала (Т/=250К, Т2=80К)
[С], мол% 1 [рс ] [Сс ] [ Ра ]2 [МА] 2 [ \ [ МЛ 2
С ]0 [Сс ]0 [МА~] 2 МЛ 1
0,50 6 а 0,46 0,100 0,56 0,82 0,97
0,10 10 а 0,55 0,065 0,62 0,89 0,99
0,01 21 а 0,67 0,027 0,70 0,96 1,00
[Р ] = [с ]
—
[СС]2=•
— • —
— + —2 ь (—1 + —)(— + —) —4 т л Юз • —4
—4 + —5
[Сс ]
(—4 + —Х— + —)
[Сс ]0; [Сс ]0;
[M/b=[Fb + [FA] 2; [M4+]i=[C]2.
Висновки. У повторно опромiнених кристалах гранична концентрацiя центр1в забарвлення в 3^8 разiв вища, за концентрацiю центрiв забарвлення, що створюе радiацiя пiсля першого опромшення кристала.
Запропонований нами метод тдвищення рад1ацшно1 чутливостi крис-талiв MeF2-O який охоплюе таю етапи:
• низькотемпературне опромшення кристала;
• 1мпульсний прогр1в забарвленого кристала до шмнатно! температури;
• його знебарвлення за низько! температури;
• повторне опромшення зразшв ютзуючою рад1ащею за низьких температур.
Можна застосувати для цшеспрямованого регулювання рад1ацшно1
2
чутливосл кристалiв MeF2-O ".
Лггература
1. Чорн1й З.П. Ефект "рад1ацшно'! пам'яп" в кристалах SrCl2: TlCl / З.П. Чорнш, Г.О. Щур, В.М. Салапак, С.1. Качан // Вюник ДУ "Льв1вська под1техн1ка". - Сер.: Теор1я i проекту-вання напiвпровiдникових i радiоедектронних пристроив. - 1998. - № 343. - С. 195-201.
2. Чорнш З.П. 1онт ланцюги з точковими дефектами дипольного типу: повторне опро-мшювання / З.П. Чорнiй, 1.Б. Шрко, В.М. Салапак, М.В. Дячук // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Укра!ни. - 2009. - Вип. 19.7. - С. 275-285.
3. Bollman W. Incorporation of O2- and OH- ions in CaF2 crystals / W. Bollman // Phys. Stat. Sol. (a). - 1980. - Vol. 60, № 2. - Pp. 661-667.
4. Чорнш З.П. Радiацiйна чутливють кристалiв флюорипв, легованих киснем / З.П. Чорнш, В.М. Салапак // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Украши. - 2010. - Вип. 20.6. - С. 126-131.
Чорний З.П., Салапак В.М. Центры окраски во вторично облученных кристаллах флюоритов с примесью кислорода
В одномерной модели рассчитаны параметры радиационной чувствительности вторично облученных кристаллов флюоритов, легированных ионами кислорода. 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 colorations centers in the second time irradiated fluoride crystals which are alloyed with oxygen
In the single-measured model the radiation sensitivity parameters are calculated in the second time irradiated fluoride crystals which are alloyed with oxygen. The maximum concentrations of the color centers were determined as a function of concentration alkaline metals impurities.
Keywords: crystals, color centers, radiation._
УДК 634.0.812 Доц. Б.П. Поберейко, канд. техн. наук -
НЛТУ Украти, м. nbsis
взасмозв'язок релаксацшно-деформшних,
тепломасообм1нних та м1цн1сних процес1в у висушуван1й деревин1
На основi закошв мехашки суцшьних середовищ та термодинамши незворот-них процеав синтезовано фiзико-математичну модель взаемозв'язку релаксацшно-деформiвних та мщнюних процеав у пгроскотчних композитних матерiалах. Виве-
