Азмаганбетова Жаннур Рамазановна Люминесценция чистых и активированных редкоземельными ионами Caso 4 при облучении вуф-радиацией и электронами 01. 04. 00 Физика диссертация

Вид материала

Диссертация

Содержание 4.2 Термостимулированные и туннельные процессы в люминофоре CaSO

Подобный материал:

• Спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов Na 0,4 y 0,6 f 2,2, активированных, 233.01kb.
• Синтез, оптические спектры и стереоатомный анализ структуры сложных халькогенидов,, 855.77kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю " " 20 г. Рабочая программа, 171.98kb.
• Лекция №4 «Люминесценция. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновая двойственность света», 159.66kb.
• Программа проведения обучения по курсу: "Обеспечение радиационной безопасности при, 82.7kb.
• Маликова наиля Рамазановна доктор социологических наук, профессор Российской академии, 96.73kb.
• Н. П. Диденко, А. В. Замотринский,, 60.34kb.
• Физико-химия наноструктурированных материалов, 316.84kb.
• Овчарова Е. В., Осипова Ю. А. Недостаточность чистых активов как основание ликвидации?, 19.07kb.
• Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.

Внутрицентровое излучение люминофора CaSO₄:Mn²⁺ ранее исследовалось в работах [117,97,104,118,119,120,122,123,129]. Для уточнения природы излучения 4,4 эВ, предполагаемого как излучение автолокализованного экситона, нами был исследован люминофор CaSO₄ с примесью ионов Mn²⁺.

При стационарном облучении электронным пучком при температуре жидкого гелия в люминофоре CaSO₄:Mn²⁺ возникают полосы излучения с максимумами 2,55 и 2,95 эВ, а так же слегка заметная полоса при 4,4 эВ (см. рисунок 32). По аналогии с ЩГК полоса излучения 2,55 эВ в CaSO₄:Mn²⁺ связана с внутрицентровыми переходами ионов Mn²⁺, интенсивность которой растет с увеличением концентрации ионов двух валентного марганца. После прекращения облучения электронным пучком при температуре 5 и 380 К мы измерили фосфоресценцию. Как мы видим на рисунке 33 максимум фосфоресценции совпадает с максимумом полосы излучения 2,57 эВ. При температуре 380 К интенсивность излучения фосфоресценции очень слабо и при температуре выше 400 К тушится.

Предполагается, что полоса катодолюминесценции с максимумом 4,4 эВ связана с рекомбинационными процессами, протекающими с участием комплементарных наведенных облучением дефектов решетки. В процессе облучения создаются околопримесные электронные и дырочные центры захвата. При рекомбинации электронов и дырок на центрах захвата возникает излучение реабсорбируемое ионами Mn²⁺. При прямом возбуждении и при делокализации дефектов наблюдается одно и тоже внутрицентровое излучение примеси 2,57 эВ.

Как было показано в предыдущем подразделе, при стационарном возбуждении электронным пучком при температуре жидкого гелия в чистом люминофоре CaSO₄, появляются три полосы излучения с максимумами 2,57 эВ, 2,9–3,3 эВ и 4,4 эВ. Показано, что излучение 4,4 эВ возникает при рекомбинации электронов с АЛД типа SO₄^-, а длинноволновые полосы излучения 2,5–3,3 эВ связаны с дырочно-электронными рекомбинационными процессами. Интенсивность излучения 4,4 эВ зависит от плотности возбуждающего потока. При увеличении экспозиции интенсивность данной полосы излучения падает, а интенсивность длинноволновой полосы увеличивается во времея облучения, то есть зависит от концентрации наведенных облучением дефектов.

По литературным данным известно, что примесь ионов Mn²⁺ является акцептором электронов, и в облученных ионных кристаллах, активированных этими примесными ионами, замечено увеличение эффективности создания дырок в несколько раз по сравнению с неактивированными кристаллами. Увеличение концентрации дырок таким способом должно приводить к увеличению интенсивности излучения АЛЭ. В облученном нами электронным пучком 5 кэВ люминофоре CaSO₄:Mn²⁺ (см.рисунок 34), замечено увеличение интенсивности полосы излучения 4,4 эВ в несколько раз по сравнению с CaSO₄ активированными ионами Tb³⁺ и Gd³⁺, соответствующие излучению АЛЭ. Экспериментальный факт подтверждает предположение о том, что полоса 4,4 эВ связана с собственным излучением матрицы, т.е. излучением АЛЭ.

На рисунке 35 приведен спектр возбуждения излучения двухвалентного иона Mn²⁺ (~2,57 эВ, выделенный через светофильтр СЗС-22) в люминофоре CaSO₄:Mn²⁺ измеренный при температуре 80 К. Как и в люминофорах CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺, CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ и CaSO₄:Dy³⁺(4моль%),Na⁺ в люминофоре CaSO₄:Mn²⁺ обнаружена полоса возбуждения в ультрафиолетовой области спектра с максимумом при 8,4 эВ. Этот факт еще раз подтверждает, что полоса возбуждения с максимумом 8,4 эВ является одним из источников возбуждения введенных в систему ионов примеси и принадлежит возбужденному оксианионному комплексу SO₄^2-. Из кривой спектра видно, что примесные ионы Mn²⁺ возбуждается в области выше 9,5 эВ, где идет создание разделенных электронно-дырочных пар.

Таким образом, при возбуждении электронным пучком при температуре жидкого гелия в люминофоре CaSO₄, активированном примесью ионов Mn²⁺, получаем полосы излучения, аналогичные полосам излучения чистого люминофора с максимумом 4,4 эВ. Интенсивность полосы излучения 4,4 эВ в активированных кристаллах в несколько раз ниже интенсивности этой же полосы в чистом люминофоре. Этот экспериментальный факт говорит о том, что излучение 4,4 эВ связано с рекомбинацией электронов с АЛД. В люминофорах CaSO₄, активированных примесью иона Mn²⁺, концентрация автолокализованных дырок должна быть больше, чем в чистом люминофоре.

Из анализа экспериментальных результатов следует выделить такие положения:

• впервые в CaSO₄:Dy³⁺ полностью идентифицированы спектры возбуждения внутрицентровой люминесценции иона Dy³⁺ в широкой области энергии (полоса возбуждения 5,6 эВ относится переходу ⁶H_15/2 → ⁴I_15/2, а 7,3 эВ – 4f ⁹→4f ⁸ 5d).
  
• внутрицентровое излучение иона Gd³⁺ ~ 4 эВ в решетке CaSO₄ возбуждается в спектральной области создания молекулярных экситонов матрицы 8,4 эВ (SO₄^2-)^* и при 10,2 эВ соответствующее 4f⁶5d→4f⁷ переходам.
  
• впервые нами обнаружено, что во всех исследованных системах CaSO₄ активированных RE³⁺ ионами внутрицентровые излучения примесей Tb³⁺ (2,27 эВ), Gd³⁺ (~ 4эВ), Dy³⁺ (2,65 эВ), Eu³⁺ (2,1 эВ) и Mn²⁺ (2,57 эВ) возбуждаются в спектральной области, где создаются молекулярные экситоны при энергиях возбуждающего фотона 8,2-8,4 эВ.
  
• впервые обнаружен эффективный механизм возбуждения свечения Gd³⁺ ионов (~4 эВ) при облучении CaSO₄:Gd³⁺,Na⁺ фотонами 27-30 эВ при 9 К, когда каждый фотон создает в матрице по две и более электронно-дырочные пары в режиме размножения электронных возбуждений.
  

Рисунок 32 - Спектр излучения катодолюминесценции при температуре

5 К люминофора CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%).




Рисунок 33 – Спектры фосфоресценции люминофора CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%) после облучения электронным пучком при температурах 5 К (1) и 380 К (2).




Рисунок 34 - Спектры излучения катодолюминесценции при температуре

5 К в люминофорах CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%) (1), CaSO₄ (2), CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na (3), CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na (4).





Рисунок 35 – Спектр возбуждения излучения двухвалентного

ионов Mn²⁺ в CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%) при температуре 80 К.

4 Термостимулированные и туннельные процессы в CaSO₄


4.1 Термостимулированные и туннельные процессы в люминофорах CaSO₄:Tb³⁺,Na⁺


В настоящее время ортосульфаты CaSO₄, активированные RE³⁺ ионами (Dy³⁺, Eu³⁺), являются эффективными и широко применяемыми материалами для дозиметрии -и рентгеновских (Х) лучей. Фосфоры CaSO₄:Mn давно используются в качестве дозиметров ВУФ- радиации [99] и как объекты сравнения при разработке селективных дозиметров быстрых нейтронов [100]. Ведутся исследования различных люминофоров на базе щелочноземельных сульфатов для осветительных приборов и плоских плазменных телевизионных дисплеев [46,69,70,94].

К чувствительным методам исследования электронно-дырочных процессов относится метод ТСЛ. Исследованию ТСЛ в соединениях со структурой CaSO₄ посвящены многочисленные работы. Наиболее изучены процессы ТСЛ в CaSO₄:Dy³⁺, CaSO₄:Eu³⁺ и CaSO₄:Sm³⁺ фосфорах, облученных Х-лучами [2,36,32, 34, 65, 106]. Радиационные дефекты в номинально чистом кристалле CaSO₄, Х-облученном при 77 К, исследованы методом ЭПР [65]. Обнаружены два типа SO₄^--радикалов, расположенных около катионных вакансий (v_c) и стабильных до 395 и 465 К. Общепринято, что дефектообразование в сульфатах щелочноземельных металлов, в частности в CaSO₄, связано с распадом возбужденных оксианионных комплексов SO₄^2-.

Настоящий раздел посвящен исследованию люминесценции (фосфоресценции) во время (после) возбуждения CaSO₄:Tb³⁺,Na⁺ фотонами 4-12 эВ, а также ТСЛ люминофоров, предварительно облученных фотонами разных энергий или электронами 5-10 кэВ. Особое внимание уделено выделению на фоне ТСЛ туннельной люминесценции, подробно изученной ранее в щелочногалоидных кристаллах (см., например, [61]).

На рисунке 36 приведены кривые ТСЛ для двух идентичных люминофоров CаSО₄:Тb³⁺(1моль%),Nа⁺. Один образец был предварительно облучен 15 мин при 80 К фотонами с h=10,5 эВ (~10¹⁴ фотонов/см²), селективно создающими, как показано в [138], разделенные электроны (е) и дырки (h). Второй люминофор был облучен при 5 К электронами (5 кэВ, 30 мин), создающими в тонком слое (~1-2 мкм) значительно большую плотность различных электронных возбуждении, чем это делали фотоны 10,5 эВ. Для первого люминофора интенсивность ТСЛ, регистрируемой для Тb³⁺-свечения, падала до нуля при нагреве от 390 до 450 К. С другой стороны, под существенно более интенсивной ТСЛ, измеренной для свечения 2,27 эВ в подвергнутом электронному облучению образце, наблюдался "пьедестал" примесного свечения, практически независимого от температуры в области 120-420 К и очень медленно спадающего со временем. Как показали дополнительные эксперименты, вторая стадия "пьедестала" полностью исчезает лишь после прогрева выше 500 К. Рост дозы облучения фотонами 10,5 эВ (см. рисунок 36, вставка) ведет к накоплению созданных и локализованных e (h), а после 30-60 мин облучения наступает насыщение основного пика ТСЛ при ~235 К.

Аналогичное свечение, не зависящее от температуры в широкой области, изучено в кристаллах KCl и KBr (см., например, [61]) и, несомненно, соответствует туннельным рекомбинациям между пространственно разделенными локализованными e и h. ТЛ осуществляется без попадания e и h в зону проводимости и валентную зону, соответственно. ТЛ пропадает при нагреве образца лишь после термической ионизации электронного или дырочного центров захвата. В KCl к таким центрам относятся автолокализованная дырка, способная к прыжковой миграции лишь после нагрева до ~210 К, или дырка, локализованная около катонной вакансии v_c и неподвижная до ~250 К [21]. В MgO термическая ионизация дырки, локализованной около катонной вакансии v_c, осуществляется при 420 К. В CаSО₄ автолокализованной дырке соответствует один тип из SO₄^--радикалов, изученных методом ЭПР [36, 106].

По данным работы [70], подтвержденным и нашими измерениями при прямом фотовозбуждении оксианионов SO₄^2- фотонами 8,44 эВ в спектре излучения зарегистрирована в основном ⁵D₄  ⁷F_J серия электронных переходов между энергетическими уровнями 4f⁸ конфигурации Тb³⁺ ионов. В спектре стационарной катодолюминесценции CаSО₄:Тb³⁺(1моль%),Nа⁺ тоже доминируют эта серия с наиболее интенсивной линией излучения при 2,27 эВ (⁵D₄  ⁷F₅).

Были измерены также кривые ТСЛ фосфора CаSО₄:Тb³⁺(4моль%),Nа⁺, облученного при 80 К фотонами с энергией 10 или 11,5 эВ. Как и в образце с меньшей концентрацией Тb³⁺ ионов в ТСЛ наблюдаются плохо разрешенные пики при 110, 150, 185 и 235 К. Нами для выяснения природы этих пиков были измерены спектры создания пиков ТСЛ. Как показывают экспериментальные данные (см. рисунок 37), пики 185 и 235 К возникают лишь после облучения фосфоров фотонами с h9,5 эВ. На основе этих данных предполагается, что ширина запрещенной зоны для люминофора CaSO₄ составляет Е_g9,5 эВ.

На рисунке 38 [см. также рисунок 21] представлена фосфоресценция люминофора CаSО₄:Тb³⁺(1моль%),Nа⁺ облученного электронами 5 кэВ при 5 К и последующей паузы, в течение которой идет быстрая фаза затухания послесвечения. При последующем измерении спектра в области 1,8-3,5 эВ затухание фосфоресценции уже незначительно. Фосфоресценция при 5 К обусловлена туннельной рекомбинацией между локализованными и пространственно разделенными электронами и дырками (вблизи или рядом с ионом тербия Tb³⁺), созданными в процессе облучения, и энергии, возникающей при таком процессе, достаточно для электронного перехода на ⁵D₃ уровень иона тербия.

В спектре такой туннельной рекомбинации, возникающей при рекомбинации пространственно разделенных локализованных e и h, тоже зарегистрирована ⁵D₄⁷F_J серия электронных переходов в 4f ⁸ конфигурации Тb³⁺ ионов. Кроме интенсивной линии свечения 2,27 эВ в ТЛ видны и менее вероятные переходы с уровня ⁵D₄ на ⁷F₆ (2,54 эВ), ⁷F₄ (2,13 эВ) и ⁷F₃ (2,02 эВ). Но наиболее важно, что в спектре ТЛ (туннельной фосфоресценции) видны и интенсивные линии при 2,55-3,35 эВ, связанные с возбуждением Тb³⁺ до более высокого по энергии уровня ⁵D₃ и последующими излучательными переходами на ⁷F₅ (3 эВ, наиболее интенсивная линия) и другие ⁷F_J уровни.

На рисунке 39 для люминофоров с обеими концентрациями тербия приведены спектры создания фосфоресценции равными квантовыми дозами фотонов разных энергий при 80 или 300 К. Как видно из спектров, фосфоресценция в обоих фосфорах появляется после их облучения фотонами с энергией выше 9,5 эВ. Это еще одно экспериментальное подтверждение области начала создания разделенных е и h (то есть ширины энергетической щели Е_g) в CаSО₄ (см. также [137]).

В настоящее время делаются попытки использовать процессы фотонного умножения [138] или дробления фотонов [46, 69, 70] для получения на основе CаSО₄ эффективных спектральных трансформаторов резонансного свечения ксенонового разряда (8,44 эВ) в видимое свечение с квантовым выходом >1. Экспериментальные данные, приведенные в настоящей работе, надежно подтверждают определенную в [138] для CаSО₄ величину E_g=9,5 эВ. Соответственно, по энергетическим соображениям нельзя получить свечение с  > 1 за счет создания одним возбуждающим фотоном 8,44 эВ двух e-h пар: первичной, образующейся при поглощении фотона, и вторичной, созданной за счет избыточной кинетической энергии горячего электрона проводимости из первичной e-h пары. Отметим, что величину >1 для суммарного свечения удалось получить в системе Al₂O₃:Mg,Ti после фотосоздания экситонов фотонами 9 эВ при 80 К [124]. Причем один из двух фотонов, испускаемых после поглощения возбуждающего фотона, был результатом туннельной рекомбинации. Именно поэтому в настоящей работе особое внимание было уделено поиску туннельных переходов в фосфоресценции, которые и были обнаружены в CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺ (см. рисунок 20, а также [138]). Туннельные переходы в более сложных по структуре сульфатах щелочных металлов исследовались в [125]. Очевидно, что вопрос о возможности получения примесного свечения с  > 1 при возбуждении CаSО₄:Тb³⁺,Nа⁺ излучением Xe-разряда требует дальнейшего изучения. Нужно учитывать, что наши фосфоры 1 моль% и 4 моль% оказались не достаточно стабильными. Их характеристики несколько меняются при длительном хранении, и еще сильнее   при длительном облучении электронами 5 кэВ при 5 К. Электроны не только возбуждают интенсивную люминесценцию, но и приводят к накоплению дефектов (например, ионов SO₃^-), проявляющихся в высокотемпературных пиках ТСЛ (450-700 К).





Рисунок 36 - Нормированные кривые ТСЛ люминофора CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺, облученного фотонами с h10,5 эВ при 80 К

(кривая 1) или электронами 5 кэВ при 5 К (2, реальная интенсивность примерно на два порядка выше). На вставке приведена зависимость интенсивности пика ТСЛ 235 К от длительности облучения фотонами 10,5 эВ.





Рисунок 37 – Спектры ТСЛ люминофора CaSO₄:Tb³⁺(4моль%),Na⁺, облученного фотонами с энергией 11,5 эВ (1) и 9,5 эВ (2) при 80 К. На вставке приведены спектры создания пиков ТСЛ ~235 К (3) и 185 К (4). Кривые ТСЛ измерены для излучения Tb³⁺-центров, β=10 К/мин.





Рисунок 38 - Спектр фосфоресценции CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺, измеренный после двухминутного облучения электронами 5 кэВ и 10 мин паузы при 5 К.





Рисунок 39 - Спектры создания фосфоресценции для фосфоров CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺ (1) и CaSO₄:Tb³⁺(4моль%),Na⁺ (2, 3) измеренные

при 300 К (1, 3) и 80 К (2).


4.2 Термостимулированные и туннельные процессы в люминофоре CaSO₄, активированый ионами Gd³⁺, Dy³⁺, Eu³⁺, Mn²⁺


Мы исследовали температурные зависимости собственных и примесных излучений люминофоров CaSO₄ и CaSO₄:RE³⁺,Na⁺ (RE³⁺=Gd³⁺, Dy³⁺, Eu³⁺) и Mn²⁺ при возбуждении электронным пучком 5 кэВ и ультрафиолетовыми лучами при температурах жидкого азота и гелия. На рисунке 40 представлена зависимость интенсивности излучения ионов Gd³⁺ и Dy³⁺ (~ 4 и 2,6 эВ) от температуры в люминофорах CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ и CaSO₄:Gd³⁺(4моль%),Dy³⁺(1моль%),Na⁺, облученных электронным пучком 5 кэВ при 5 К (35 мин облучение и 15 мин выжидание перед прогреванием).

Нами исследована температурная зависимость фотостимулированной люминесценции (ФСЛ) люминофора CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ (см. рисунок 40, кривая 2). Процесс ФСЛ происходит в следующей последовательности: в облученном люминофоре должны существовать электронно-дырочные центры захвата, т.е. дырка захватывается основным состоянием иона Gd³⁺, электрон может локализоваться на электронных центрах захвата.

Для определения глубины электронного центра захвата, после облучения фотонами 10,5±0,2 эВ при 80 К в течение 15 мин, мы фотостимулировали оптическую вспышку Gd³⁺-свечения в диапазоне энергии 1,8-3,0 эВ. Спектр стимуляции этой люминесценции содержит несколько полос в спектральной области 2-3 эВ (см. рисунок 40, вставка).

Мы предполагаем, что при фотостимулировании фотонами 2-3 эВ, высвобождаемый электрон из центров захвата рекомбинирует с дыркой, локализованной возле примеси иона Gd³⁺. Возможен также процесс туннельной рекомбинации электрона с дыркой, локализованной возле примеси иона Gd³⁺. Энергия рекомбинационного процесса достаточна для возбуждения иона Gd³⁺ с последующим переходом в основное состояние (⁶P_7/2 → ⁸S_7/2) в конфигурации 4f⁷ с излучением кванта света.

Отжиг ФСЛ (излучения ~4 эВ иона Gd³⁺) происходит в двух стадиях: 160-180 и 180-220 К (см. рисунок 40, кривая 2). Процесс отжига ФСЛ связан с делокализацией дырок. В кривой ТСЛ, измеренной для излучения ~4 эВ ионов Gd³⁺ в люминофоре CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺, наблюдаются низкотемпературные пики с максимумами 50-60, 110 и 150-160 К (см. рисунок 40, кривая 1). Как мы видим на рисунке низкотемпературное разгорание кривой ТСЛ совпадает с кривой отжига ФСЛ. Предполагается, что низкотемпературные пики ТСЛ 50-60, 110 и 150-160 К связаны с передачей энергии рекомбинационными процессами к примесным ионам Gd³⁺.

Так же на рисунке 40 (кривая 3) представлен спектр ТСЛ люминофора CaSO₄:Gd³⁺(4моль%),Dy³⁺(1моль%),Na⁺ в широкой области температур 5-420 К, регистрированная для излучения ионов Dy³⁺ (2,6 эВ). В спектре ТСЛ наблюдаются пики при 240, 310 и 380 К, спектральный состав которых имеет максимум при 2,6 эВ. В соответствии с литературными данными [93,126], мы предполагаем, что в люминофоре при определенных температурах протекает дырочно-электронный рекомбинационный процесс, т.е когда происходит рекомбинация дыркок с делокализованными электронными центрами захвата возле примеси ионов Dy³⁺. Выделенная энергия в результате такой рекомбинации возбуждает 4f⁹ – 4f⁹ электронные переходы в ионах Dy³⁺.

Частный интерес использования Gd³⁺ содержащих объекты для селективной дозиметрии быстрых нейтронов недостаточно исследовано. Облучение таких объектов смешанным радиационным излучением (γ- лучи, быстрые нейтроны с E>6 МэВ и т.д.) ведет к запасанию энергии, которая может быть зарегистрирована как ТСЛ в течение последующего нагревания объекта. Однако, быстрые нейтроны, возбуждая долголетний легкий изотоп Gd³⁺, создают α-частицы. Пик ТСЛ ~480 К используется как дозиметрический пик в CaSO₄:Dy³⁺ традиционном дозиметре, тогда как в CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ пики ТСЛ выше комнатной температуры не регистрируется (см. рисунок 35).

На рисунке 41 представлены кривые ТСЛ объектов, предварительно облученных электронами 5 кэВ при 6 К. В чистом образце CaSO₄ получен пик ТСЛ ~50 К. Форма пика ТСЛ ~50 К повторяется во всех рассмотренных излучениях 4,3 эВ, 3,8 эВ, 2,9 эВ и 2,7 эВ. Интенсивность пика ТСЛ ~50 К в CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%), в сравнении с другими пиками имеет другой характер. Интенсивность пика ТСЛ ~50 К регистрированный для Tb³⁺-центров (2,27 эВ, ⁵D₄ → ⁷F₅) или для Gd^3+-центров (~ 4 эВ) в CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺ и CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺, в десять и в тысячу раз слабее по сравнению с пиком ТСЛ 230-240 К, связанным с освобождением дырок с Tb³⁺-Na и Gd³⁺-Na центров.

Таким образом, в облученных люминофорах CaSO₄, активированные RE³⁺ ионами, создается несколько типов коррелированных дефектов возле соответствующих примесей. В облученном чистом образце CaSO₄ зарегистрированы те же пики ТСЛ (см.рисунок 42) как и в активированных образцах только с очень слабой интенсивностью. Наиболее интенсивным пиком является пик ТСЛ при 50 К. В результате нагревания облученного кристалла от температуры жидкого гелия происходит поэтапная делокализация электронов или дырок от центров захвата в термически активированном процессе с дальнейшей рекмбинацией.

В рекомбинационном процессе появляются, по крайней мере, два вида излучения. Излучение 3,8-4,3 эВ возникающие при рекомбинации электронов с неэквивалентно расположенными дырками, а излучение 2,7-2,9 эВ с коррелированными дефектами решетки. Экспериментальные данные показывают, что эффективность создания таких коррелированных дефектов в активированных ионами Tb³⁺, Gd³⁺, Dy³⁺, Mn²⁺ люминофорах, в несколько раз больше, чем в чистых люминофорах. Эти коррелированные дефекты преимущественно создаются возле специально введенных примесей.

В активированных люминофорах собственные излучения подавлены, потому что энергия рекомбинационного процесса передается примесям. На рисунке 41 представлены температурные зависимости излучении 2,27 эВ (Tb³⁺), ~4 эВ (Gd³⁺) и 2,57 эВ (Mn²⁺) в облученных люминофорах. Разгорание излучений наблюдается в температурных интервалах, когда делокализуется электроны или дырки и рекомбинируют с дырочными или электронными центрами захвата и энергия рекомбинационного процесса передается примесям. Возбужденные ионы примеси излучают фотоны соответствующие внутрицентровым переходам. В данном случае примесь является зондом для обнаружения коррелированных дефектов. Фактический мы исследуем физические процессы, происходящиеся во время детектирования дозиметрами поглощенной энергии кристалла.

На рисунке 43 представлен спектр создания фотостимулированной вспышки фосфора CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺. Интенсивность фотостимулированной вспышки прямо пропорционально концентрации коррелированных радиационных дефектов. Максимальное количество коррелированных дефектов создается при энергиях возбуждающего фотона 10,6-10,7 эВ (см. рисунок 43).

Таким образом, в люминофорах коррелированные дефекты создаются возле специально введенных RE³⁺ ионов. В процессе термической стимуляции или путем туннелирования электроны рекомбинируют с дырочными центрами захвата, в результате которого энергия рекомбинационного процесса передается примесям.





Рисунок 40 – Температурные зависимости интенсивности излучения 4 эВ ионов Gd³⁺ (1, 2) и 2,6 эВ ионов Dy³⁺ (3) в CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ (1, 2)

и CaSO₄:Gd³⁺(4моль%),Dy³⁺(1моль%),Na⁺ (3) фосфоров после облучения

5 кэВ электронами при 5 К (1-3) и после облучения фотонами 10,5 эВ

при фотостимуляции hν=2,75 эВ при 80 К (2).

На вставке: спектр стимуляции излучения 4 эВ ионов Gd³⁺

в CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ облученный фотонами с энергией 10 эВ при 80 К.





Рисунок 41 – Спектры ТСЛ фосфоров облученных

электронами 5 кэВ при 6 К:

- CaSO₄ для излучении 3,8 эВ (1), 2,9 эВ (2), 4,3 эВ (2^') и 2,7 эВ (2^'')

- CaSO₄:Tb³⁺(1моль%),Na⁺ для излучения 2,27 эВ (3)

- CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ для излучения ~4 эВ (4)

- CaSO₄:Mn²⁺(0,3моль%) для излучения 2,57 эВ (5)





Рисунок 42 – Спектры ТСЛ фосфора CaSO₄ для излучении 3,8 эВ (1),

4,3 эВ (2), 2,9 эВ (3) и 2,7 эВ (4), облученного электронами 5 кэВ при 6 К.





Рисунок 43 - Спектры создания фотостимулированной вспышки для излучения 4 эВ Gd³⁺–центров фосфора CaSO₄:Gd³⁺(2моль%),Na⁺ измеренные после 10 мин облучения при 80 К через фильтр УФС-2 при энергиях подцветки 2,9 эВ (1), 2,7 эВ (2), 2,6 эВ (3), 2,35 (4).