ВЛИЯНИЕ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО β-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО 0-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ

© Г.В. Новиков, А.В. Гриднев, А.В. Чиванов, В. А. Федоров

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия,

e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Ключевые слова: ионные кристаллы; Р-частицы; ионизирующее излучение; импульсная люминесценция.

В данной работе изучена импульсная люминесценция ионных кристаллов в условиях непрерывного воздействия на них интегрального потока Р-частиц. Получены диаграммы зависимостей потенциала кристалла и выхода люминесценции от продолжительности ионизирующего воздействия.

Ионные кристаллы представляют собой хороший классический объект для исследования различных свойств твердого тела [1]. Будучи в обычных условиях диэлектриками они после соответствующей обработки обнаруживают и полупроводниковые свойства [2]. В последние годы ионные кристаллы находят свое применение не только в оптике, для создания активных сред лазерных генераторов, но и в физике, биологии и медицине, для создания регистрирующей аппаратуры. Следует отметить, что несмотря на то, что щелочногалоидные кристаллы хорошо изучены, они еще долгое время останутся предметом длительных и тщательных исследований. В настоящей работе рассмотрено поведение ионных кристаллов при непрерывном облучении ускоренным потоком ß-частиц.

Цели работы: исследовать влияние ß-излучения на кинетику импульсной люминесценции в ионных кристаллах. Предложить механизмы возбуждения данной люминесценции.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Использовались ионные кристаллы LiF, KCl, NaCl с кубической и кристаллы CaCO3 с ромбоэдрической решеткой. Свежесколотые и предварительно облученные ионные кристаллы помещали в основание колонны электронного микроскопа, в котором создавалось давление 10-4 торр. Размеры кристаллов варьировали с целью получения зависимости выхода люминесценции от величины площади облучаемой поверхности. Кристалл облучали потоком ß-частиц с флюенсом —1,2-1015 м-2. Энергия электрона составляла - 50 и 75 кэВ. Время облучения 1 цикла эксперимента составлял 17 с. Люминесцентное свечение кристаллов фиксировали сурьмяно-цезиевым фотоэлементом Ф-4, область спектральной чувствительности которого находится в пределах от 215 до 600 нм. Измерения проводились автоматизировано с использованием двухканальной АЦП с выводом на IBM компьютер. Наряду с измерением выхода люминесценции фиксировали величину потенциала на кристалле. Данные обрабатывали при помощи программ PC Lab 2000SE и Origin 7.0. Сигнал, принимаемый с фотоэлемента, модулировали из-за возникновения обратного фототока. Морфологию поверхности кристаллов до и после облучения наблю-

дали и фиксировали при помощи оптического микроскопа.

Схема эксперимента представлена на рис. 1.

При открывании экрана 4 поток ß-частиц попадал на кристалл, в результате чего последний наряду с постоянным свечением, возникающим в результате ионизации поверхности, начинал испускать мощные не периодические световые импульсы. На поверхности кристалла визуально можно наблюдать яркие вспышки, которые сопровождаются увеличениями напряжений на самом кристалле и на фотоэлементе (см. рис. 2, область 2).

В процессе облучения свежесколотого кристалла LiF спектр вспышек смещался от коротковолнового, соответствующего началу облучения, к длинноволновому спектру. Повторно облученный кристалл в ходе эксперимента излучал в диапазоне длинноволнового спектра. После облучения кристалла в течение 30 мин. он приобретал интенсивную окраску связанную с образованием в приповерхностном слое F- и F2-центров окраски [3-5]. При облучении свежесколотых кристаллов NaCl, KCL и CaCO3 было обнаружено, что их спектр со временем облучения не менялся даже при повторном облучении, кристаллы NaCl и KCl излучали в коротковолновом диапазоне волн, а кристаллы CaCO3 в длинноволновом диапазоне [6-7]. Следует заметить, что все кристаллы отличаются различной электрической стойкостью к поверхностному пробою, так свеже-сколотые кристаллы LiF не имели разрядов по поверхности, только вылежанные в течение недели и предварительно облученные кристаллы имели пробои поверхности при облучении. Свежесколотые кристаллы KCl, при их облучении вначале не имеют пробоев, лишь спустя 5-10 мин. облучения в них возникают пробойные зоны. В кристаллах NaCl и CaCO3 разрядные каналы образуются с первых минут облучения [8]. Изменение энергии электронов влияло на величину потенциала кристалла и на выход люминесценции, как катодолюминесценции, так и импульсной.

Область 1 характеризует стадию эксперимента, когда на кристалл не попадают электроны, далее, в стадиях 2-5, кристалл облучается непрерывным потоком ß-частиц; область 2 - вспышка импульсной люминесценции; область 3 - фаза релаксации, когда кристалл разряжается и не люминесцирует; область 4 - катодо-

люминесценция кристалла, характеризующаяся постоянным свечением и потенциалом на кристалле вследствие непрерывного облучения; область 5 характеризуется увеличением потенциала кристалла с одновременным угасанием катодолюминесценции и возможным безызлучательным переходом.

Ниже приведены осциллограммы для некоторых кристаллов.

Из рис. 2 видно, что каждому всплеску напряжения на кристалле соответствует относительно высокий выход люминесценции кристалла. Из этого можно сделать вывод, что в процессе возбуждения данной люминесценции участвуют инициируемое электронным пучком большое количество электронов в приповерхностном слое кристалла.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В ходе эксперимента обнаружено, что площадь облучаемой поверхности играет значительную роль: чем больше площадь облучения, тем больше выход люминесценции и тем больше потенциал, накопленный кри-

сталлом в момент вспышки. Замечено, что при облучении кристалла в течение длительного времени порядка 1 ч, частота вспышек уменьшается приблизительно в 2 раза, но одновременно растет их яркость.

Таким образом, в результате облучения кристалла потоком частиц в приповерхностном слое должно появляться достаточное количество свободных носителей тока, т. к. наряду со вспышкой наблюдается всплеск напряжения на кристалле. Механизм достижения высокой концентрации электронов в приповерхностном слое нельзя объяснить накоплением электроннодырочных пар, возникающих в результате облучения, т. к. частота их рекомбинации высока: ~ 1012 с-1. Но можно предположить, что при комнатной температуре более медленную релаксацию испытывают центры окраски, на генерацию которых в основном и расходуется энергия рекомбинации электронно-дырочных пар и экситонов [9].

В этом случае накопление центров окраски их последующая рекомбинация с образованием электронов и приводит к росту электронных концентраций.

Рис. 1. Схема эксперимента: 1) ионный кристалл; 2) изолятор с встроенным электродом; 3) фотоэлемент; 4) экран, перекрывающий поток Р-частиц; 5) АЦП; 6) 1ВМ-компьютер

—і--------------------------------------1- і- -1- -1- ——і-- і

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

*, с

Рис 2. Осциллограмма зависимостей напряжений, получаемых с кристалла (и , В) и фотоэлемента (и, мВ) от времени

t, с

1а)

0 1 2 3 4 5

t, с

16)

5

2)

2 3

f, с

3а)

CQ

QQ

¡5

2 3

t с

3б)

Рис. 3. Осциллограммы зависимостей потенциала кристалла (U, В) и выхода люминесценции (U, мВ) от времени облучения: 1а,б -облучение кристалла KCl; 2а, б - облучение кристалла NaCl; 3 а, б - облучение кристалла CaCO3. Варианты а и б соответствуют режимам облучения в 50 и 75 кэВ

ВЫВОДЫ

Установлено, что в зоне воздействия потока ß-частиц возникают локальные разрушения кристалла LiF в виде поверхностных кратеров и многочисленных разрядных каналов вследствие возникновения в приповерхностном слое диэлектрика высокого градиента температуры, который вызывает термомеханические напряжения.

Установлено, что как и при безэлектродном, так и при электродном пробое твердого диэлектрика в вакууме происходит необратимое разрушение на поверхности этого диэлектрика [9-10].

ЛИТЕРАТУРА

1. Люминесцентный анализ: сборник статей / под ред. М. А. Константиновой-Шлезингер. М., 1961. 140 с.

2. Путинцева С.Н. Люминесценция кислородсодержащих кристаллов фторида лития, активированных ураном, при импульсном возбуждении: атореф. дис. ... канд. ф.-м. наук. Томск, 2008. 173 с.

3. Кие А.Е., Малый А.А., ЭлангоМ.А. Радиационно-индуцированная электростатическая неустойчивость на поверхности ионных кристаллов // ФТТ. 1986. Т. 28. Вып. 6. С. 19-25.

4. Лобанов Б.Д., Костюков В.М., Максимова Н.Т., Саломатов В.Н., Щепина Л.И., Юрьева Т.Г. О природе предколлоидальных центров

окраски в кристаллах LiF как металлических аналогов F- и F-агрегатных центров // ФТТ. Т. 37. № 9. С. 2545-2549.

5. Денисов И. П., Яковлев В.Ю. Создание центров окраски в щелочногалоидных кристаллах при импульсном радиационном воздействии // ФТТ. 1990. Т. 32. № 2. С. 384-390.

6. Алукер Э.Д., Нестерова С.Н., Нечаев А.Ф. Влияние поверхности на объемную радиолюминесценцию щелочно-галоидных кристаллов // ФТТ. 1988. Т. 30. № 4. С. 1028-1033.

7. Мейсель М.Н. Люминесцентная микроскопия // Вестник АН СССР. 1953. № 10. С. 3-10.

8. Лущик Ч.Б., Лущик А. Ч. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах. М.: Наука, 1989.

9. Иванов В.А., Коныжев М.Е. Безэлектродный электрический пробой диэлектрических кристаллов LiF в поле микроволнового излучения // XXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. 2002.

10. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Novikov G.V., Gridnev A.V., Chivanov A.V., Feodorov V.A. Influence of monochromatic P-radiations on ionic crystals. In the given work the pulse luminescence of ionic crystals in the conditions of continuous influence on them of integrated stream P-particles is studied. Diagrammes of dependences of potential of a crystal and exit of a luminescence from duration of ionising influence are received.

Key words: ionic crystals; P-particles; an ionising radiation; a pulse luminescence.