авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Динамика свечения сцинтилляционных стекол и вольфраматов металлов после импульсного электронного возбуждения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Валиев Дамир Талгатович

ДИНАМИКА СВЕЧЕНИЯ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СТЕКОЛ И ВОЛЬФРАМАТОВ

МЕТАЛЛОВ ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО

ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Томск – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Лисицын Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор кафедры «Общая физика»

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

Томский политехнический университет»

Тюрин Юрий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

заслуженный деятель науки РФ,

заведующий лабораторией

радиационного и космического мониторинга

Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники

Михайлов Михаил Михайлович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт геохимии
им. А.П. Виноградова СО РАН г. Иркутск

Защита диссертации состоится «27» июня 2013 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д212.269.02 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова 7, корпус 8.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан «27» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д. ф.– м. н., профессор _______________ Коровкин М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Материалы, содержащие в своем составе редкоземельные ионы (РЗИ) находят широкое применение в оптоэлектронных приборах, дозиметрии, сцинтилляторах, люминофорах. Поэтому, изучению оптических материалов, содержащих эти активаторы, уделяется столь большое внимание. Тем не менее, предъявляемые требования к таким материалам, связанные с прогрессом в области сверхкоротких мощных лазеров, новых источников света, применением ионизирующего излучения для медицинской диагностики и терапии, стимулируют исследования по разработке материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами, поиску новых перспективных материалов. В последние годы активно ведется разработка материалов, из которых могут быть созданы оптические элементы сложных конструкций: стекол, композитов. Очевидно, процессы в некристаллических и композитных материалах при радиационном воздействии, отличаются от протекающих в хорошо изученных кристаллических материалах. В связи с этим растет интерес к исследованиям электронных процессов передачи энергии возбуждения (оптического и радиационного) активным центрам в таких материалах.



Активированное РЗИ стекло, обогащенное литием и бором, является перспективным материалом для создания дозиметров, сцинтилляторов для регистрации потоков нейтронов, т.к. литий и бор обладают большим сечением захвата тепловых нейтронов. Используемая стеклообразная матрица должна иметь хорошие физико-химические и эксплуатационные свойства, обладать достаточно низкой температурой плавления, быть негигроскопичной, обладать высокой растворяющей способностью по отношению к РЗИ. Литий-фосфат-боратные стекла удовлетворяют всем этим требованиям.

Стекла обладают высокой технологичностью, по сравнению с кристаллическими материалами. Это дает возможность формировать радиационно-чувствительные элементы любой формы и протяженности. Подобными свойствами обладают и композитные сцинтилляторы. Такие структуры представляют собою нано- и микродисперсные кристаллы распределенные в оптически прозрачной матрице. Композитные материалы проявляют необычные, по сравнению с объемными кристаллами, оптические и электронные свойства. Особенности этих материалов определяются как индивидуальными свойствами нанокластеров, так и взаимодействием их между собой и с матрицей. Это обстоятельство требует изучения закономерностей возбуждения и релаксации люминесценции в нанокомпозитных материалах, установление механизмов процессов в матрице и кристалле.

Таким образом, исследования радиационно-индуцированных процессов в сцинтилляционных оксидных системах с различной морфологией и степенью упорядоченности приведут к пониманию особенностей динамики электронных возбуждений, выяснению природы люминесценции, механизмов сцинтилляционного акта, кинетики сцинтилляций, представляются весьма актуальными для физики конденсированного состояния.

Целью работы является установление закономерностей релаксации люминесценции в сцинтилляционных стеклах, кристаллах, композитах при импульсном энергетическом воздействии в зависимости от условий легирования и структуры материала.

Объектами исследования были выбраны литий-фосфат-борат-флюоридные стекла, легированные РЗИ Ce3+, Eu3+, Tb3+, Gd3+, Pr3+ и их сочетаниями, нанокомпозитные материалы на основе вольфраматов металлов номинально «чистых» и легированных ионами Eu3+, сцинтилляционные кристаллы вольфрамата кадмия, «номинально чистые» и активированные Bi и Li.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Исследовать спектрально-кинетические характеристики люминесценции стекол с РЗИ активатором и с соактиваторами.
  2. Изучить влияние размеров и морфологии частиц на спектрально-кинетические характеристики люминесценции вольфрамата цинка в полимерной матрице.
  3. Изучить влияние размеров и морфологии частиц на спектрально-кинетические характеристики люминесценции вольфрамата цинка активированного европием.
  4. Изучить влияние легирования кристаллов CdWO4 литием и висмутом на спектрально-кинетические характеристики люминесценции с целью выяснения влияния активирующих добавок на стимулированные радиацией процессы переноса энергии возбуждения центрам свечения.
  5. Разработать методику экспресс анализа люминесцирующих материалов.

Научная новизна

  1. Впервые изучены спектрально-кинетические характеристики люминесценции стекол различного состава активированных и соактивированных РЗИ при импульсном электронном возбуждении.
  2. Впервые изучены спектрально-кинетические характеристики люминесценции микро-, нанокристаллов вольфрамата цинка и активированных ионами европия в составе композиционного материала при импульсном электронном возбуждении.
  3. Обнаружено влияние размера частиц в нанокомпозитном сцинтилляционном материале на основе вольфрамата цинка на кинетику люминесценции при фото- и радиационном воздействии.
  4. В графической среде LabVIEW построена модель, позволяющая описывать прохождение оптических сигналов через линейную динамическую систему. Реализованная модель позволяет анализировать искажение сигнала регистрирующей системой при изменении ее чувствительности и временного разрешения.
  5. Спроектирован и изготовлен макет спектрозонального люминесцентного анализатора, позволяющий проводить экспресс-анализ широкого круга люминесцирующих материалов посредством измерения изменения соотношения потоков люминесценции в нескольких спектральных диапазонах.

Научная и практическая значимость работы. Полученные в ходе данной работы экспериментальные данные вносят существенный вклад в понимание процессов передачи энергии, как между ионами редкоземельных элементов (РЗЭ), так и матрицей материала и могут быть использованы для создания новых люминофоров с улучшенными рабочими характеристиками. Полученные результаты по влиянию размеров и морфологии частиц на оптические свойства композитных материалов на основе вольфрамата цинка будут полезны при разработке сцинтилляционных материалов. Разработанный спектрозональный люминесцентный анализатор позволяет контролировать кинетику люминесценции в 4-х каналах, изменение спектрального состава со временем, будет применяться для экспресс-анализа минералов, кристаллов, люминофоров, сцинтилляционных материалов в производстве.

Защищаемые положения:

  1. В стеклах Li2O-B2O3-P2O5-CaF2, легированных Gd и Се в качестве соактиватора установлено существование канала безызлучательной передачи энергии между ионами Gd3+ и Се3+: присутствие церия приводит к укорачиванию времени затухания в полосе свечения ионов гадолиния max=312 нм в два раза по сравнению с образцом стекла, легированным только Gd3+ и к существенному уменьшению интенсивности свечения.
  2. В стеклах Li2O-B2O3-P2O5-CaF2, содержащих ионы Tb3+ и Ce3+, увеличивается время затухания полос свечения на 436, 545, 620 нм по сравнению с образцами, легированными только ионами Tb3+, что свидетельствует о наличии канала обмена энергией между Ce3+ и Tb3+.
  3. Спектрально-кинетические характеристики импульсной катодолюминесценции и фотолюминесценции нанокомпозитных материалов на основе ZnWO4 отличаются от таковых для объемного кристалла: в спектрах нанокомпозитных материалов выше относительный вклад полосы на 400 нм по сравнению с кристаллическими, меньше в 3-4 раза характеристическое время затухания люминесценции в области 490 нм. Сокращение характеристического времени затухания люминесценции в вольфрамате цинка обусловлено изменением энергетической структуры кристалла в наноструктурированной форме и увеличением вероятности излучательной рекомбинации.
  4. Возбуждение примесного иона Eu3+ в кристаллах вольфрамата цинка, осуществляется путем поглощения собственного излучения ZnWO4 вследствие перекрытия спектра возбуждения излучательных переходов в ионе европия и спектра излучения матрицы кристалла.

Личный вклад автора. Автор лично участвовал в планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, а также подготовке к публикации докладов и статей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов RPC-15 (Томск, 2012); 8-ой международной конференции по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующих излучений LUMDETR-2012 (Халее, Германия, 2012 г.); XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2012, Томск, 2012 г.); 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013 г.); XVII Всероссийской научной конференции студентов – физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2011 г.).

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (гос. контракт № 11.519.11.3030);

ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы: Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области оптики, лазерной физики и лазерных технологий» (гос. контракт № 02.740.11.0560).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 научных работах, включая 7 работ в издании, рекомендованном перечнем ВАК, одной монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения, изложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 5 таблиц. Список использованной литературы состоит из 160 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, описаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены защищаемые положения и информация по апробации работы.





В первой главе обобщены литературные данные по люминесцентным свойствам РЗИ в различных матрицах, сцинтилляционным свойствам, процессам переноса электронных возбуждений в матрицах и влияния морфологии на оптические свойства сцинтилляционных материалов. Рассматриваются энергетические структуры и релаксационные процессы ионов церия, празеодима, гадолиния, европия и тербия в различных матрицах. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе описаны объекты исследования и использованные в работе методы исследований с описанием экспериментальных установок. Объектами исследования являются: литий-фосфат-борат-флюоридные стекла состава Li2O-B2O3-P2O5-CaF2 (LBPC) с различным содержанием ионов-активаторов РЗЭ, синтезированы в Институте Монокристаллов НАН Украины; макрокристаллы вольфрамата цинка, кадмия и нанокомпозитные материалы на основе вольфрамата цинка были выращены в Институте сцинтилляционных материалов НАН Украины.

Описана методика импульсной оптической спектрометрии с временным разрешением. Приведена схема регистрации спектров («спектр за импульс») с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-2048. Описан спектрофлуориметр для измерений стационарных спектров возбуждения и люминесценции. Оптические неоднородности, образующиеся в полимерной матрице при введении в нее частиц люминофора, фотографировались с помощью микровизора проходящего света µVizo-10. Спектры оптического пропускания регистрировались с помощью спектрофотометра ЛОМО 256 УВИ.

В третьей главе приведены результаты комплексного исследования спектрально-кинетических характеристик люминесценции, при импульсном электронном возбуждении, а также оптические характеристики сцинтилляционных стекол, активированных РЗИ. На основании полученных данных обоснованы представления о механизмах процессов передачи энергии между парами ионов-активаторов в сцинтилляционном стекле. Установлено, что введение церия приводит к значительному смещению спектра пропускания в длинноволновую область. В видимой области образцы прозрачны - коэффициент пропускания составляет около 90%.

Отличительной особенностью в спектре пропускания стекла LBPC:Pr по сравнению с активированными другими ионами лантаноидной группы, является наличие дополнительных полос поглощения в видимой области спектра: серия полос в синей области спектра 445, 470, 482 нм и полоса 592 нм. Эти полосы ответственны за переходы 3H4 основного состояния в 3Р0, 3Р1, 1I6 и 3Р2 возбужденных состояний иона Рr3+. В спектре образца с европием полосы с максимумами при 394 нм и 465 нм соответствуют 7F0-5L6 и 7F0-5D2 переходам в ионе Eu3+. Показано, что стационарные спектры возбуждения (рис. 1, 1 столбец) стекол с одним ионом активатором состоят из серий полос характерных для ионов Pr3+, Tb3+, Eu3+ и широких полос в УФ области спектра для ионов Ce и Gd.

Спектр импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) образцов с ионами церия (рис. 1 а) представлен широкой полосой в УФ области с мах=350 нм. Эта полоса излучения приписывается разрешенному переходу из наинизшего возбужденного 5d состояния в основное 4f. В кинетике затухания коротковременного свечения в максимуме полосы (рис. 1 а) фронт нарастания сигнала люминесценции составляет порядка 5-10 нс, длительность вспышки на полувысоте составляет ~35-40 нс. Длинновременные составляющие в кинетике затухания люминесценции в LBPC активированного церием не регистрируются, по-видимому, данный излучательный переход соответствует разрешенным правилами отбора. В спектре образца LBPC:Pr, измеренном через 1 мкс после возбуждения, регистрируется серия полос (рис. 1 б) во всем видимом диапазоне с max ~ 480 нм. Полоса с длиной волны 610 нм, соответствует излучательному переходу в ионе празеодима (3P0 3H6). В кинетике ИКЛ при 610 нм наблюдается две стадии: коротковременная, с <600 нс и длинновременная с 11 мкс.

Рис. 1 Стационарные спектры возбуждения стекол LBPC с одним ионом активатором (1 ряд), импульсная катодолюминесценция (2 столбец) и кинетики затухания люминесценции,

измеренные в мах свечения (3 столбец)

При возбуждении импульсным электронным пучком (ИЭП) образцов LBPC:Eu, инициируется коротковременное свечение с временем затухания 20 нс. Спектр свечения, измеренный через 1 мкс после окончания импульса возбуждения, является широкополосным, бесструктурным. В спектре, измеренном через 1 мс, проявляются полосы свечения, соответствующие излучательным переходам в ионах европия: 592 нм (5D07F1), 614 нм (5D07F2), 700 нм (5D07F4). Анализ кинетики релаксации ИКЛ в мах=614 нм показал, что вид кинетики сложный и описывается суммой двух экспонент с характеристическими временами релаксации (347±0,1) мкс и (2±0,2) мс (рис. 1  в).

Спектр свечения ионов гадолиния представлен одной узкой полосой в УФ-области с максимумом 312 нм, соответствующий оптическому переходу 6P7/28S7/2. В кинетике ИКЛ наблюдается две стадии: коротковременная, с ~1 мс и длинновременная с 4 мс. Спектр иона тербия состоит из серий полос с max=380, 414, 437, 458, 490, 544 (547), 588, 620 нм. В спектре, измеренном через 5 мкс, в полосе 544 нм наблюдается увеличение интенсивности по сравнению с полосой, измеренной через 1 мкс после окончания возбуждения (рис. 1 д).

Введение в качестве соактиватора Ce3+ существенно увеличивает оптическое поглощение образцов стекла в УФ области.

 пектры ИКЛ стекол, активированных-3

Рис. 2 Спектры ИКЛ стекол, активированных РЗИ:
а) LBPC:Gd; б) LBPC:Gd, Ce; в) LBPC:Gd,Pr соответственно, измеренные через 10 нс (t1), 10 мкс (t2) и 25 мкс (t3) после окончания импульса возбуждения

Показано, что в спектрах люминесценции, измеренных через 10 нс после окончания импульса возбуждения (рис. 2, кривые t1) максимум спектра приходить­ся на ближнюю УФ область для всех образцов стек­ла. В спектре образца стек­ла LBPC:Gd, наблюдается интенсивный пик с max380 нм, в области 450-650 нм наблюдается сплош­ной спектр свечения со слабовыраженными пиками (рис. 2 а, кривая t1).

В образцах LBPC:Gd, Ce и LBPC:Gd, Pr максимум наносекундного спектра лежит в области 350 нм. (рис.2 б, в кривая t1) Характерным для образца, активированного гадолинием и церием, является низкая интенсивность коротковременного свечения в видимой области. При возбуждении в таких же режимах, свечения неактивированной матрицы стекла не наблюдалось. В спектрах, измеренных в микросекундном временном диапазоне (рис. 2, кривые t2, t3) проявляется серия полос в оранжево-красной области. Для образцов LBPC:Gd и LBPC:Gd, Ce это свечение является доминирующим по интенсивности (рис. 2 а, б, кривые t2). В спектре образца LBPC:Gd, Pr, достаточно интенсивным остается свечение в области 350 нм (рис. 2 в, кривая t2). Однако, в стеклах с Gd, Pr свечение с максимумом ~595 нм более четко проявляется в спектре, измеренном через 25 мкс после окончания импульса возбуждения (рис. 2 в, кривая t3). Соотношение интенсивностей полосы на 312 нм и излучения в оранжево-красной области индивидуально для каждого образца, самая низкая интенсивность УФ полосы характерна для образца, активированного гадолинием и церием.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.