Влияние бета-облучения на проявление оптической активности кристаллов LiF Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 548

ВЛИЯНИЕ БЕТА-ОБЛУЧЕНИЯ НА ПРОЯВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КРИСТАЛЛОВ ЬіЕ

© В.А. Федоров, Г.В. Новиков

Ключевые слова: импульсная люминесценция; ионный кристалл; бета-облучение.

Исследовано влияние непрерывного облучения интенсивным потоком бета-частиц на проявление люминесценции в кристаллах LiF. Спектральным анализом выявлены типы образующихся при облучении центров окраски и определен их вклад в люминесценцию кристалла. Предложен механизм, ответственный за проявление импульсной люминесценции.

При облучении ионных кристаллов электронами с энергией 75 кэВ можно осуществить возбуждение электронной и ионной подсистем кристалла, в связи с чем в кристалле возникают различные типы дефектов. Люминесценция кристаллов зачастую связана с переходом электронов из зоны проводимости на энергетические уровни дефектов или центров свечения, которые расположены в запрещенной зоне, с последующим испусканием кванта в коротковолновой части спектра.

Цель работы: исследовать спектральные характеристики импульсной люминесценции, возникающей при облучении LiF бета-частицами [1, 2], и установить механизм, ответственный за ее возникновение.

В качестве объекта исследования использовали кристаллы LiF, количество примеси в которых не превышало 10-5 % Из крупных кристаллов выкалывали по плоскостям спайности (100) образец с размерами 5x5x5 мм. Полученные образцы облучались в течение 1 ч в электронном микроскопе ЭМВ-100Л (при температуре 300 К). Давление в колонне электронного микроскопа составляло 1,3-10-2 Па. Энергия и флюенс бета-излучения составляли, соответственно, 75 кэВ и 4,3-1018 эл/м2. Для регистрации и анализа люминесцентного излучения использовали связку фотоэлемент-спектрометр.

При облучении кристаллов фтористого лития наблюдали наряду с катодолюминесценцией кристаллов LiF световые вспышки в видимом диапазоне, средняя длительность которых составляет от 0,1 до 1 с. Кроме того, было обнаружено, что разгорание и тушение люминесценции сопровождается накоплением и сбросом потенциала на кристалле [3, 4]. При облучении кристалла LiF в течение 1 ч замечено, что спектр импульсов люминесценции изменяется от коротковолнового к длинноволновому в пределах видимого света (рис. 1).

Видно, что спектр излучения сплошной, но также присутствуют участки с интенсивными максимумами, характеризующиеся шириной до 50 нм. Такие линии характерны для центров окраски. На рис. 1 видны участки, образованные поглощением и люминесценцией этих центров [5]. Участок 1 характеризует полосу поглощения F3 центра, 2 - F2 центра, 3 - люминесценцию F3+ центра, 4 - полосу поглощения F2+ центра, 5 -Fз- центра. Следовательно, в спектре импульса излуче-

ния присутствуют две полосы поглощения от центров F3, F2 и полоса люминесценции от F3+ центра. В спектре постоянного излучения присутствуют две полосы поглощения от центров F2+ и F3-. То есть процесс люминесценции связан с процессами создания, ионизации и релаксации точечных дефектов.

3,5 3,0 2,5 Е.эВ 2,0 1,5

I________і_________I__________________I________і_________I________і________1_

400 500 600 Мм 700 800 900

3,5 3,0 2,5 Е,эВ 2,0 1,5

,5 3,0 2,5 Е эВ 2,0 1,5

Iі II' ИГ IV

400 500 600 , 700 800 900

Я, нм

Рис. 1. Спектры люминесценции кристалла фторида лития в процессе облучения: постоянной люминесценции - 1; импульсной люминесценции - 2 (время облучения 0-5 мин.); постоянной люминесценции - 3, импульсной люминесценции - 4 (время облучения 5-10 мин.)

Как было описано ранее [4], наблюдаемая люминесценция имеет связь с потенциалом кристалла, из чего следует, что во фториде лития возможно посредством воздействия электрического поля вызвать электролюминесценцию, однако, как оказалось, электролюминесценция характеризуется низким световым выходом. Предполагая, что такого рода люминесценция отвечает в основном за импульсы свечения, мы строим дальнейшие модельные представления, основываясь на том, что центры электролюминесценции

1782

инициируются в процессе ударной ионизации. Порог ионизации при воздействии электронами с энергией 75 кэВ намного выше энергии кванта, излучаемого при электролюминесценции 2,8 эВ (излучение F3+ центра). Очевидно, что свечение в данной полосе не может быть обусловлено рекомбинацией возбужденного в процессе ударной ионизации электрона. Предполагая наличие ступенчатой рекомбинации, включающей в себя безизлучательный и излучательный переходы с уровня центра окраски Е1 (рис. 2, переход 4 и 5), вызывающие излучение кванта с энергией 2,8 эВ.

Рис. 2. Схема люминесценции. Е1, Е2 и Е3 уровни центра окраски, донора и акцептора

энергетические

Теперь можно определить модель импульсной люминесценции кристалла:

1) вначале идет процесс образования центра свечения и появление в запрещенной зоне уровней, связанных с примесями или центрами окраски. Ввиду немоноэнергетичности возбуждающего потока частиц не все электроны могут вызвать ударную ионизацию, только с энергией равной или больше пороговой. В этом случае происходит возбуждение центра свечения (Р3+ центра);

2) затем происходит испускание кванта 2,8 эВ. Инициированный центр свечения может быть возбужден как с поглощением возбуждающего электрона (рис. 2, переход 1), так и без (с поглощением Б! + Fз+ + е = = Б2 + Fз, или без Б! + Fз+ = Б2 + Fз+). Рекомбинация сопровождается излучением кванта с энергией 2,8 эВ (рис. 2, переход 4).

Представленная выше модель описывает далеко не весь механизм люминесценции кристалла фторида лития, поскольку, как неоднократно указывалось на тот факт, что не всегда люминесценция связана с потенциалом кристалла, и то, что интенсивность при воздействии только электрического поля крайне низка. Ввиду этого мы должны определить механизм, который не может быть описан в рамках вышеизложенной модели. В качестве такого механизма использовали процесс разрушения радиационной окраски - рекомбинационный процесс, суть которого заключается в рекомбинации электронов с собственными дырочными центрами окраски. Кроме этого возможна рекомбинация элек-

тронов с примесными центрами, перезаряженными под действием ионизирующего излучения. При возбуждении кристалла электрон может быть возбужден в зону проводимости с состояний валентной зоны или с локальных уровней точечных дефектов (рис. 2, переходы 4, 5). В последнем случае происходит ионизация точечных дефектов (рис. 2, переход 5).

Исходя из полученных данных, следует, что при выбранных условиях воздействия возникает люминесценция, включающая в себя несколько механизмов. Первый, ответственный за стационарный тип люминесценции - катодолюминесценция, в спектре которой видны линии поглощения и люминесценции центров окраски. Второй - импульсного типа, характеризующийся низкой интенсивностью, является электролюминесценцией, в спектре которой видны линии поглощения и люминесценции ионизованных центров окраски. Третий тоже импульсного типа, но характеризуется увеличенной интенсивностью по сравнению со вторым и связан с процессами рекомбинации и релаксации электронных возбуждений и центров окраски.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков HB., Чиванов A.B., Нестеров К.О., Федоров B.A. Изменения состояния поверхности и процесса люминесценции ЩГ кристаллов под непрерывным потоком р-частиц // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2011. Т. 16. № 1. С. 157-159.

2. Новиков HB., Чиванов A.B., Федоров B.A. Импульсная люминесценция ЩГК, вызванная воздействием низкоэнергетического потока р-частиц // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. № 6. С. 17991804.

3. Новиков Г.B., Чиванов A.B., Нестеров К.О., Федоров B.A. Возбуждение импульсной катодолюминесценции в кристалле LiF низкоэнергетическими электронами // Материалы конференций ВНКСФ-17. Екатеринбург. 2011. С. 149-150.

4. Новиков HB., Чиванов A.B., Федоров B.A. Поведение щелочногалоидных кристаллов под воздействием низкоэнергетического потока р-частиц // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 118-122.

5. Aрбyзoв BM. Основы радиационного оптического материаловедения: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. 284 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-01-97519 р_центр_а) и госзадания № 1.691.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Feodorov V.A., Novikov G.V. INVESTIGATION OF BETA-RADIATION ON OPTICAL ACTIVITY OF CRYSTALS LiF The influence continuous irradiation of an intense flux of beta particles on expression of luminescence in crystals of LiF is investigated. Spectral analysis revealed types formed during irradiation of color centers and determined their contribution to the luminescence. A mechanism responsible for the manifestation of pulsed luminescence is offered.

Key words: pulsed luminescence; ionic crystal; beta-radiation.

1783