Люминесцентные свойства монокристаллов LiKSO4 легированных ионами хрома

Размещено на http://www.allbest.ru/

люминесцентные свойства монокристаллов LiKSO4 легированных ионами хрома

УДК 535.37

О.И.Клименко

Ысыккульский государственный университет

Изучены спектры термостимулированной люминесценции облученных кристаллов LiKSO4 легированных ионами Cr6+. Данное исследование было предпринято с целью получения новых материалов пригодных в качестве рабочего вещества дозиметров для персональной дозиметрии и радиационного мониторинга территорий. В спектре ТСЛ наблюдаются максимумы термолюминесценции при 325-335, 375-385 и 410-420 К, с энергией активации 0,66; 0,77 и 0,83 эВ соответственно.

Большая часть территории Кыргызстана и проживающее на ней население оказались под воздействием негативных факторов антропогенного происхождения - повышенного радиационного фона. Поэтому определение стратегии охраны и улучшения здоровья населения Кыргызстана является актуальной задачей.

На бывших урановых шахт пгт. Каджи-Сая. Кроме того, в области территории Иссыккульской области потенциальными загрязнителями окружающей среды являются хвостохранилища имеется большое количество природных радоновых источников.

На фоне этих проблем определенный интерес вызывает поиск и исследование фундаментально- прикладных свойств новых эффективных оптических материалов многоцелевого назначения, пригодных для использования в качестве термолюминесцентных и термоэкзоэлектронных дозиметров ионизирующего излучения. Определенный интерес в этом плане могут представлять кристаллы LiKSO4 легированные ионами переходных металлов. Нами были изучены спектры термостимулированной люминесценции облученных кристаллов LiKSO4 активированных ионами Cr6+.

Кристаллы LiKSO4 с примесью CrО были выращены методом изотермического испарения (44С) из насыщенного водного раствора с РН=7 в системе Li2SO4H2O-K2CrO4. Известно [1], что в этой системе в интервале концентраций K2CrO4 от 10 до 50 мол.% образуется соединение LiKSO4, в котором ионы серы замещаются ионами Cr6+ в очень малых концентрациях. В кристаллах, выращенных из смешанного раствора с 30 мол.% хромата калия, содержание Cr6+ в кристалле составляет 0,046 мас.%. Кристаллы LiKSO4-CrО обладали желтой окраской.

Кристаллы LiKSO4-CrО относятся к гексагональной сингонии, элементарная ячейка представляет собой призму с базовым ребром 5,143 и высотой 8,632 [2]. Пространственная группа Р63- [3].

Исследование спектров ТСЛ кристаллов LiKSO4 было проведено в Институте физики НАН КР и Ысыккульском государственном университете, схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Результаты измерений кривых ТСЛ беспримесных кристаллов LiKSO4 и кристаллов LiKSO4-CrО в интервале температур 293-500 К приведены на рис.2. Кристаллы были подвергнуты рентгеновскому облучению в течении одного часа на установке УРС-70, U=55 кВ, I=10 мА. Как в беспримесном кристалле (кривая 1), так и в кристалле LiKSO4-CrО (кривая 2) наблюдаются максимумы термолюминесценции при 325-335, 375-385 и 410-420 К.

Рис.1. Блок-схема экспериментальной установки для измерения ТСЛ.

Рис. 2. Спектр термостимулированной люминесценции облученных кристаллов LiKSO4 (кривая 1) и LiKSO4-CrО (кривая 2).

Исследования изотермического затухания свечения при температурах, соответствующих максимумам термопиков, показали, что затухание свечения подчиняется экспоненциальному закону, следовательно, кинетика процесса термолюминесценции является мономолекулярной. В таком случае можно определить энергию активации, соответствующую каждому термопику, по формуле Урбаха [4],

Е=,

где Тм - температура максимума термопика.

Значения энергий активации оказались следующими: 0,66; 0,77 и 0,83 эВ для полос при 330, 385, 415 К соответственно.

Сравнение значений энергий активации термического разрушения центров определенных методом ЭПР [5] и методом ТСЛ в облученном кристалле, позволяет сделать заключение, что термопики с максимумами при 385 и 415 К обусловлены ион- радикалами S0 и S0 соответственно. Для выяснения природы других термопиков требуется дальнейшее исследование с применением дополнительных методов.

Следует отметить, что сравнение кривых ТСЛ беспримесных кристаллов и кристаллов с примесью шестивалентного хрома обнаруживает их большое сходство в позициях пиков ТСЛ. Однако при равных условиях облучения и регистрации интенсивность пиков термолюминесценции примесного кристалла выше, чем беспримесного. Выше приведенные данные свидетельствуют о том, что при введении примеси в кристалле не создаются новые уровни захвата, а лишь увеличивается концентрация носителей заряда, существующих и в беспримесном образце на этих уровнях захвата.

Для изучения влияния примеси CrО на образование радиационных дефектов связанных с основной решеткой, была исследована кинетика накопления этих центров в чистом и примесном кристаллах. Полученные результаты представлены на рис. 3.

люминесценция кристалл легированный хром

Рис. 3. Кинетические кривые накопления радикалов S0 (а) и S0(б) в беспримесных кристаллах LiКSO4 (1) и кристаллах с примесью CrО

Наиболее быстрый рост количества создаваемых облучением радикалов S0 и S0 для чистых и примесных кристаллов LiКSO4 наблюдается в начале рентгеновского облучения. При продолжении облучения рост числа центров S0 прекращается, а увеличение числа центров S0 замедляется.

Повышение эффективности образования ион- радикалов S0 и S0 в кристаллах LiКSO4 при добавлении CrО можно объяснить, по-видимому, следующим образом. Ион- радикалы S0 представляют собой центры с недостатком электронов, т.е. с захваченными дырками. Наличие в кристаллах центров эффективно захватывающих электроны и препятствующих их рекомбинации с дырками, способствует образованию таких центров и их стабильность увеличивается. В кристаллах LiKSO4 такими ловушками электронов, образующихся при ионизации ионов S0, являются ион- радикалы S0. В отличие от S0 ион-радикал S0 является электронным центром, он образуется в результате захвата электрона при генерации анионной вакансии в комплексе S0 под действием излучения и последующего захвата электрона, отдаваемого межузельным ионом О2-.

В примесных кристаллах LiKSO4- CrО ионы Cr6+, которые также являются хорошими ловушками для электронов, создают дополнительные условия, способствующие увеличению образования ион- радикалов S0. В свою очередь, ионы Cr6+ при облучении в результате захвата электронов переходят в другие зарядовые состояния, что и наблюдается в эксперименте.

Результаты проведенного исследования ТСЛ показывают, что обладая малым значением эффективного атомного заряда (Z=11,64), кристаллы LiKSO4-CrО пригодны для использования в качестве рабочего вещества для термолюминесцентного дозиметра рентгеновского излучения в присутствии - фона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Климова А.Ю., Перекалина З.Б., Смирнова Н.Л., Власова И.Н. Выращивание кристаллов LiKS(Cr)O4 //Проблемы кристаллологии. М.: МГУ, 1976, с. 310-313.

2. Сандомирский П.А., Мешалкин С.С., Рождественская И.В. Кристаллическая структура А-фазы LiKSO4 //Кристаллография, 1983, т.23, вып.1, с. 124-127.

3. Bradley A.I. The crystal structure of Lithium potassium sulphate. Phil. Mag. 1925. V.49, №16. P.1225-1237.

4. Келли Б. Радиационные повреждения твердых тел. М.: Атомиздат, 1970.

5. Шаршеев К. Радиационные и примесные центры с переменной валентностью в монокристаллах сульфатов щелочных металлов. Дисс. соиск. уч. ст. докт. физ.-мат. наук. -Б., 2000.

Размещено на Allbest.ru