Поверхневі процеси, що викликають деградацію спектрометричних характеристик сцинтиляторів NaI(Tl) і CsI(Na)

Структура й обсяг роботи. Дисертація викладена на 115 сторінках тексту, містить 35 рисунків і 6 таблиць, складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури з 180 найменувань і додатку. 

 

 

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. 

У першому розділі відображені уявлення про основні сцинтиляційні властивості кристалів NaІ (Tl) і CsІ (Na) у їхньому обўємі і поблизу вільної поверхні. Розглянута проблема гігроскопічності цих кристалів і такі поняття як “мертвий“ шар і “порушений” шар (ПШ). Зроблено висновок, що для кристалів NaІ (Tl) після стандартної обробки вхідної поверхні МШ утворюється завжди, за винятком випадку, коли вхідна поверхня – відкол. Після механічної обробки пластичних кристалів CsІ біля поверхні виникає полігонізований ПШ. Для цих кристалів велике значення має якість остаточного полірування поверхні. Для CsІ (Na) наявність чи відсутність ПШ позначається на кінетиці деградації La (світловихід при б-збудженні) у процесі природного старіння, але МШ виникає в будь-якому випадку. Глибина МШ як у NaІ (Tl), так і в CsІ (Na) порівнянна з глибиною проникнення g-квантів низьких енергій і пробігом a-частинок і складає ~20-40 мкм (на відміну від кристалів CsІ (Tl), де глибина МШ – порядка частки мікрона). 

Літературні дані про можливу природу і механізми утворення МС суперечливі, з їхнього аналізу випливає, що існуючі уявлення можна умовно поділити на кілька груп. До утворення МШ можуть приводити: 

• відтік носіїв заряду з глибини кристалу на поверхню, де їх безвипромінювальна рекомбінація стимулює радіаційно-хімічні реакції; 

• ускладнення фізико-хімічного складу приповерхневих шарів за рахунок дифузії домішок з поверхні в глибину кристалу й утворення центрів гасіння чи глибоких пасток, особливо, якщо у поверхні є ПШ; 

• зміна фізико-хімічного складу приповерхневих шарів, пов'язана з дифузією активатора на поверхню, що також припускає наявність полегшених механізмів дифузії через наявність ПШ; 

• зміна оптичних властивостей поверхні, що викликана перекристалізацією в результаті поверхневої дифузії домішок і основної речовини і пов'язаних з цим явищ. 

В усіх випадках беруть до уваги гігроскопічність кристалів NaІ (Tl) і CsІ (Na). Уявлення, коротко викладені в першому пункті, досить універсальні, оскільки ніяк не враховують ПШ. Відомий коефіцієнт дифузії NaІ у CsІ припускає ймовірність збагачення поверхні натрієм під час старіння, у той же час дифузія Tl із решіток NaІ малоймовірна за кімнатної температури. Зроблено висновок про те, що процеси, які призводять до утворення МШ, повинні мати схожі риси в матеріалах NaІ (Tl) і CsІ (Na), однак спроби універсального пояснення природи МШ, напевно, марні через суттєву відмінність механічних властивостей розглянутих кристалів. Варто окремо розглянути специфічні риси прояву МШ у кожному матеріалі. 

У другому розділі описані способи вирощування кристалів і виготовлення зразків і детекторів та наведені основні методи дослідження. Кристали були вирощені методом автоматизованого витягування на затравку з конусного тиглю з підживленням розплавленою сировиною. Вихідна сировина піддавалася двостадійній дегідратації. З монокристалічних буль за допомогою нитяної пилки вирізували заготовки для детекторів діаметром 30 мм і висотою 5 і 30 мм. У спеціально обговорених випадках заготовки оброблялися на токарному чи фрезерному верстаті. На завершальній стадії детектори NaІ (Tl) полірувалися й упаковувалися в контейнери в сухому боксі. Кристали CsІ (Na) і CsІ (Tl) готувалися таким же чином, але деякі відмінности відзначено в тексті. 

Структурна досконалість заготовок контролювалася за допомогою оптичного микроскопу і полярископу, орієнтація заготовок додатково перевірялася рентгено-структурним аналізом. Мікротвердість визначалася на приладі ПМТ-3, границя текучості – за допомогою деформаційної машини “Інстрон”, фазовий склад шарів – методами електронної мікроскопії, рентгенфазового і диференційно-термічного аналізів, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії. Концентрація активатора у вирощених кристалах визначалася за коефіцієнтом поглинання в активаторных смугах і перевірялася методами хімічного аналізу (на вміст талію і натрію). 

 Люмінесцентні вимірювання проводилися на приладі КСВУ-23, що був додатково обладнаний лампою ДДС-250 та світлосильним монохроматором МДР-2; спектри радіолюмінесценції (РЛ) вимірювані із застосуванням g-лінії ізотопу 241Am (60 кеВ; 1, 8 Kи). Світловий вихід, енергетичне розділення і параметр “пік/долина” вимірювалися на стандартизованому приладі з амплітудним аналізатором АМА-03Ф і спектрометричним ФЕУ “Hamamatsu” R-1307. Вимірювання в “сухій” кімнаті проведені на переносному спектрометрі “Суган”. 

У третьому розділі вивчені два крайні випадки взаємодії води з кристалами NaІ (Tl), а саме, – вода на поверхні у вигляді рідкої фази або адсорбованих молекул. 

Для детального вивчення першого випадку окремо розглянуто процеси гідратації і дегідратації. Процес гідратації характеризується ростом поверхневої плівки, якою є розчин NaІ у воді. На початковій стадії цього процесу товщина плівки лінійно залежить від часу експозиції у вологій атмосфері. При дегідратації відбувається кристалізація розчиненої речовини і на поверхні кристалу утворюється напівпрозора “кірка” білого кольору, товщиною якої можна легко керувати за допомогою зміни часу гідратації. Установлено, що це є текстурований полікристалічний шар основної речовини, переважна орієнтація кристалітів в якому відповідає орієнтації підкладки. У цьому шарі міститься також незначна кількість домішок NaOH і NaIO3. Слід зазначити, що кристалогідрату NaІ 2H2O тут майже немає (менш