WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Подробно описано устройство лабораторной экспериментальной установки по УФ/ВУФ - спектроскопии твердого тела, созданной в рамках данной работы (рис.1). Установка выполнена на базе вакуумного монохроматора ВМР-2 (обратная линейная дисперсия 1.66 нм/мм), работающего в первом порядке дифракции. Оптическая схема первичного монохроматора ВМР-2 построена по кругу Роуланда. Вогнутая дифракционная решетка 600 шт/мм фокусирует излучение от входной щели на выходную щель. Радиус кривизны решетки 1 м. Рабочий диапазон ВМР-2 составляет 50320 нм. В качестве вторичного монохроматора используется МДР-4 с плоской дифракционной решеткой 1200 шт/мм., выполненный по схеме Черни-Турнера. Рабочая область МДР-4 в диапазоне 2001000 нм. В качестве источника излучения при построении экспериментальной установки была выбрана дейтериевая лампа ДДС-400 с полым катодом, кварцевым окном КУ-1 и мощностью 400 Вт.

Рис. 1 Блок-схема лабораторной экспериментальной установки Граница пропускания КУ-1 составляет 155 нм, что позволяет измерять спектры пропускания и возбуждения люминесценции в диапазоне нм. Установка полностью автоматизирована с помощью платы АЦП National Instruments NI USB-6211 и среды программирования LabView 8.0.

Описаны методы построения системы регистрации оптического сигнала, работающей в режиме счета фотов, а так же системы сканирования по спектры. Реализованный на данной лабораторной установке способ автоматизации эксперимента является современным и позволяет проводить высокоточный эксперимент.

Приведено описание экспериментальной установки Superlumi (DESY, Гамбург, Германия), расположенной на канале синхротронного излучения (СИ) позитронного накопителя DORIS III.

Рассмотрены объекты экспериментальных исследований. Описана кристаллическая структура монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, которые были получены в институте кристаллографии им А.В. Шубникова РАН.

Они выращивались по методу Бриджмена в графитовом тепловом узле, в активной фторирующей атмосфере. Данные кристаллы представляют собой хаотичный твердый раствор кубической симметрии (Fm3m) со структурой флюорита, в котором катионы с разными зарядами (Na+, Lu3+, Ce3+) статистически занимают одинаковые позиции в узлах кристаллической решетки. Образцы фторидной нанокерамики CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+ были изготовлены в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (ГОИ). Приготовление образцов CaF2 и BaF2 осуществлялось методом горячего прессования порошка. Прессование проводилось в высокотемпературной вакуумной печи К-4772 с использованием графитового нагревателя сопротивления и пресс-формы из жаропрочного молибденового сплава МВ-4МП, который позволяет работать при температурах до 1250 С и давлениях до 250 МПа, с помощью гидравлического пресса ПСУ-50 с максимальным усилием 50 тонн. Приготовление фторидной оптической керамики BaF2:Ce3+ осуществлялось методом горячего формования предварительно выращенных в ИОФРАН монокристаллов.

В третьей главе изложены экспериментальные результаты спектроскопических исследований фторидных монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2, Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, а так же фторидных нанокерамик CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+.

Глава состоит из двух параграфов, в каждом из которых представлены исследования определенной серии объектов.

В первом параграфе приводятся результаты исследования серии монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2, чистой матрицы и активированной ионом Ce3+. Измерения спектров люминесценции, возбуждения люминесценции, спектров отражения и кинетики затухания проводились на установке Superlumi (DESY, Гамбург, Германия), при температурах жидкого гелия и комнатной. Спектры пропускания в ближней ВУФ области, измерялись на лабораторной установке, при комнатной температуре. Впервые получен полный ряд спектрально-кинетических характеристик данного монокристалла.

На рис. 2 представлен спектр поглощения Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ ( Ce = 0.05мол.%). Наблюдается вся 5d-конфигурация иона Ce3+. По сравне3+ нию со свободным ионом Ce3+, поло1,жение первого максимума 5d0,конфигурации в 0,матрице 0,4 Na0.4Lu0.6F2.2 понижено на 2 эВ. Экс0,периментальные 0,измерения показыЭнергия фотонов, эВ вают, что кристалл Na0.4Lu0.6F2.2 имеет Рис. 2 Спектр поглощения Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ (0.05 мол.%) (кривая 1) и чистой матрицы Na0.4Lu0.6F2.2 (кривая 2) ВУФ-границу пропускания в районе гр 9.5 эВ. Для экспериментально наблюдаемых 4f5d полос поглощения были рассчитаны силы осцилляторов переходов.

Полосы люминесценции исследуемой серии Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ ( Ce = 2,5, 20мол.% ), измеренные при комнатной температуре, имеют гаус3+ сову форму и представлены на рис. 3. На графике видны широкие полосы свечения иона Ce3+ на 315нм и 330 нм, природой которых являются переходы с нижних 5d - уровней в ионах Ce3+ на расщепленные спин2 орбитальным взаимодействием F5/2 и F7/2 уровни основной конфигурации. Коротковолновая компонента дублета свечения соответствует 5d2F5/2 переходам, длинноволновая - 5d2F7/2 переходам. Перераспределение интенсивности между линиями дублета свечения иона Се3+, при повышении концентрации активатора, связано с эффектом перепоглощеКоэффициент поглощения, отн.ед.

ния излучения. В области перекрытия спектров поглощения и люминесценции, излучение, распространяясь по объему кристалла, может повторно поглотиться ионами активатора. С этим связано уменьшение инРис. 3 Спектры свечения образцов Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+: 1 – 2 мол.%, тенсивности ко2 – 5 мол.%, 3 – 20 мол.%; T=300K; hex=6.7 эВ ротковолновой компоненты дублета, с перераспределением интенсивности в пользу длинноволновой компоненты. Общий сдвиг максимумов полос люминесценции в длинноволновую область, с повышением концентрации активатора, также является следствием эффекта перепоглощения излучения. Увеличение концентрации активатора иона Се3+ с 5 мол.% до 20 мол.%, сопровождается общим спадом интенсивности люминесценции. Экспериментальные результаты по спектрам возбуждения люминесценции, отражения, поглощения и люминесценции монокристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, полученные в данной работе, позволили оценить величину запрещенной зоны Eg 11.5 эВ матри цы, определить энергетическое полоРис. 4 Энергетическая диаграмма 5d жение компонент расщепленного 5d уровней иона Ce3+ в Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ уровня иона Се3+ (рис. 4), а также произвести оценку энергетических положений 4f14(1S0) и 4f135d уровней иона Lu3+ и основного 4f уровня иона Се3+ относительно зон матрицы. Схематически построена зонная модель монокристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+.

Во втором параграфе представлены результаты экспериментального исследования оптических фторидных нанокерамик чистых матриц CaFи BaF2. Также была исследована серия образцов сцинтилляционной нанокерамики BaF2:Ce3+ ( Ce = 0.03,0.06,0.09,0.12,0.15,1.0мол.% ) с различным со3+ держанием активатора. С помощью лабораторной экспериментальной установки были измерены спектры пропускания всех образцов. Результаты показывают, что керамика CaF2 (гр 6 эВ) имеет более длинноволновую границу пропускания, чем у монокристалла. Граница прозрачности керамики BaF2 (гр 8 эВ) такая же смещена в длинноволновую область, в сравнении с монокристаллом. В спектрах пропускания серии нанокерамик BaF2:Ce3+ присутствует вся конфигурация 4f5d переходов иона Ce3+, наиболее хорошо выраженная для образца BaF2:Ce3+ ( Ce = 0.03мол.% ). Из3+ мерение спектров люминесценции иона Се3+ серии нанокерамических образцов BaF2:Ce3+, при комнатной температуре показало, что максимальной интенсивностью люминесценции обладает образец с концентрацией иона Се3+ Ce = 0.12мол.%. Дальнейшее увеличение концентрации активатора 3+ ведет к общему спаду интенсивности люминесценции, вследствие проявления эффекта перепоглощения излучения. Спектр люминесценции данного образца был сравнен со спектром люминесценции монокристалла того же состава, которые были измерены, при одинаковых условиях (рис. 5).

На спектре отчетливо виден дублет свечения иона Се3+, в следствии 5d F7/2, 2F5/2 переходов. Спектральное положение максимумов полос свечения осталось неизменным, как и соотношение интенсивностей между полосами дублета. Значительным отличием двух спектров является то, что интенсивность люминесценции керамического образца в два раза превышает интенсивность люминесценции монокристалла. Вид кинетики затухания люминесценции иона Се3+ 1,в монокристаллическом 0,0,и керамическом образ0,цах, измеренной, при 0,0,различных энергиях 0,возбуждения, практи0,0,чески, одинаков. При 0,энергии возбуждения 0,260 280 300 320 340 360 Длина волны, нм hex = 4.1 эВ, кинетика имеет экспоненциальРис.5 Спектры люминесценции нанокерамики (1) и монокристалла (2) BaF2:Ce3+ (0.12 мол.%), hex=4.4 эВ, T=300 K ный вид с временем затухания ~30 нс. В результате эксперимента показано, что керамика BaF2:Ce3+ обладает быстрой и эффективной цериевой люминесценцией.

Измерение спектров отражения и возбуждения люминесценции нанокерамики BaF2:Ce3+ показало, что в области прозрачности матрицы проявляется эффект диффузного отражения. Анализ спектральных особенностей в спектре отражения нанокерамики BaF2:Ce3+ с помощью теории диффузного отражения Кубелки-Мунка, позволил оценить характерный размер рассеивающих частиц d ~ 80100 мкм. Данный результат показывает, что рассеяние света происходит как на самих зернах, так и на субзернах (блоках с малоугловыми границами), ограниченных дислокационными стенками. В результате эффекта диффузного отражения интенсивность люминесценции нанокерамики, в режиме наблюдения «на отражение», может увеличиться в два раза по сравнению с монокристаллом (рис. 5), так как увеличивается доля люминесцентных фотонов, попадающих в канал регистрации. Однако, рассеяние может оказывать и негативное влияние, при наблюдении люминесценции «на просвет», интенсивность люминесценции нанокерамики будет меньше, чем у монокристалла. Степень влияния эффекта диффузного отражения на спектральных характеристики материала определяИнтенсивность, ртн.ед.

ется размерами дислокационных областей. С другой стороны, увеличение интенсивности люминесценции керамического образца может быть связано с тем, что керамика лишена межузельных напряжений, которые имеются в кристаллической решетке и играют роль дефектов.

Экспериментально исследованы спектры люминесценции, отражения и возбуждения люминесценции образцов фторидных нанокерамик CaF2, BaF2, а так же природной нанокерамики CaF2 Суранского месторождения.

Природой люминесценции чистых матриц CaF2 и BaF2 является свечение автолокализованного экситона, а так же кросслюминесценция, которые были измерены экспериментально. Экспериментальное измерение кинетики затухания, показало, что время затухания кросслюминесценции в керамическом образце BaF2 составляет ~0.8 нс.

В широком спектральном диапазоне произведено сравнение спектральнолюминесцентных свойств нанокерамик CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+ с аналогичными свойствами монокристаллов того же состава. Сравнение показывает, что спектрально-люминесцентные свойства чистых керамических матриц не отличаются от аналогичных свойств монокристаллов, в то время как интенсивность люминесценции иона Се3+ в керамике BaF2:Ce3+ в два раза превышает интенсивность люминесценции монокристалла. Учитывая, что фторидная нанокерамика обладает рядом улучшенных спектральнолюминесцентных и физических свойств, что позволяет рекомендовать использовать ее в коротковолновой области спектра вместо монокристаллов.

Основные результаты и выводы 1. Определены коротковолновые границы прозрачности монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2, Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ (гр 9.5 эВ) и оптических нанокерамик CaF2 (гр 6 эВ), BaF2 и BaF2:Ce3+ (гр 8 эВ), с помощью созданной в рамках данной работы лабораторной экспериментальной установке по УФ/ВУФ - спектроскопии твердого тела. Керамические образцы CaF2, BaFимеют более длинноволновые границы прозрачности, по сравнению с монокристаллами того же состава, что может быть вызвано образованием дефектов на межзеренных границах. В результате измерения спектров пропускания активированных образцов, рассчитаны силы осцилляторов для экспериментально наблюдаемых 4f5d полос поглощения иона Се3+.

2. Кристаллы Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, впервые исследованные методом люминесцентной спектроскопии, при возбуждении синхротронным излучением, в диапазоне температур от 10 до 300 К, обладают эффективной люминесценцией иона Се3+ в области 300450 нм, с временами высвечивания ~ 25 нс. Определена оптимальная концентрация иона Се3+ ( Ce = 5мол.% ), 3+ обеспечивающая максимальную интенсивность люминесценции, превышение которой ведет к снижению интенсивности люминесценции вследствие эффекта перепоглощения излучения. Показано, что перераспределение интенсивности между линиями дуплета свечения иона Се3+ в пользу длинноволновой компоненты, также вызвано эффектом перепоглощения излучения. По результатам экспериментов, проведенных на кристаллах Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, определена величина запрещенной зоны Eg 11.5 эВ, определено энергетическое положение компонент расщепленного 5d уровня иона Се3+, а также произведена оценка энергетических положений 4f14(1S0) и 4f135d уровней иона Lu3+ и основного 4f уровня иона Се3+ относительно зон матрицы. Схематически построена зонная модель монокристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+.

3. Впервые проведены измерения спектров люминесценции, отражения и возбуждения люминесценции оптических нанокерамик CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+, а также природной нанокерамики CaF2 Суранского месторождения, при возбуждении синхротронным излучением, в диапазоне температур от 10 до 300 К. Интегральные выходы экситонной люминесценции образцов природной керамики CaF2 и искусственных керамик BaF2, CaF2 составляют, соответственно, 15, 20 и 50% от интегрального выхода люминесценции люминофора ZnWO4, измеренного при тех же условиях. Определено, что оптимальная концентрации иона Се3+, обеспечивающая максимальную интенсивность люминесценции образца BaF2:Ce3+ составляет Ce = 0.12мол.%. Результаты показывают, что интенсивность люминес3+ ценции иона Се3+ данного образца нанокерамики BaF2:Ce3+ ( Ce = 0.12мол.% ) в два раза превышает интенсивность люминесценции мо3+ нокристаллического образца того же состава. Экспериментальное измерение кинетики затухания, показывает, что нанокерамика BaF2:Ce3+ ( Ce = 0.12мол.% ) обладает быстрой люминесценцией иона Се3+, с временем 3+ затухания ~30 нс. Время затухания кросслюминесценции в керамическом образце BaF2 составляет ~0.8 нс.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»