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

 Проміжним між процесами гідра- і дегідратації є квазірівноважний стан, коли водяна плівка не збільшується у товщині і не випаровується, що відповідає по суті наявності мікроскопічної течі в контейнері. Показано, що при негерметичному зберіганні NaІ вихід люмінесценції 310 нм падає, а форма спектра РЛ спотворюється. Найбільші зміни спостерігаються при 250 нм – у смузі поглинання ОН-іонів. Гідратація кристалів NaІ (Tl) призводить до іншого явища – у спектрі РЛ з'являється нова смуга 450 нм, пов'язана зі складними активаторними центрами (Tl+) n. 

 

Рис. 1. Фотографія поверхні кристала NaІ (Tl) у процесі дегідратації на етапі утворення другої фази (х 390) 

 

Показано, що деградація розділення добре корелює з відносним збільшенням числа цих центрів. На відміну від процесу дегідратації, у квазірівноважному стані виділення самостійної фази TlІ не відбувається, процес розпаду гальмується на етапі утворення складних центрів (Tl+) n у збагачених талієм проміжках між острівцями NaІ. Причиною росту острівців основної речовини в цих умовах є добові коливання температури, а причиною концентраційного ущільнення, що виникає – низький коефіцієнт розподілу талію в NaІ. 

Вимірювання спектрів РЛ “підозрілих” детекторів дозволяє виявити деградацію сцинтиляційних властивостей на ранніх стадіях. Цей результат покладений нами в основу методики контролю працездатності детектора. Полікристалічний шар, що утворюється в результаті дегідратації, не містить складних центрів (Tl+) n і його можна використовувати як ефективний дифузійний відбивач, товщиною якого можна керувати, а негативний вплив домішки NaOH нейтралізувати шляхом перетворення гідроокису в бікарбонат за допомогою заповнення обўєму контейнера вуглекислим газом. Цей принцип покладений нами в основу способу виготовлення сцинтиляційного детектора для енергій 20 кеВ < E < 150 кеВ. 

Такий перекристалізований шар на поверхні кристалу частково екранує чутливий обўєм сцинтилятора і може відігравати роль специфічного різновиду МШ. Типовий для NaІ (Tl) МШ виникає поблизу полірованої вхідної поверхні і виявляється як зниження L/E для квантів з E = 5, 9 кеВ. МШ сформований ще на стадії виготовлення і не збільшується з часом. Показано, що те ж саме відбувається для поверхні у вигляді відколу, яка гідратована незначною мірою. У цих випадках йдеться про так звану “залишкову вологу”, коли вода не утворює рідкої фази і не здатна розчиняти NaІ. Аналіз результатів і літературних даних дозволяє зробити висновок про те, що єдиною причиною формування МШ може бути відтік носіїв заряду з глибини до 30 мкм на поверхню, де їх безвипромінювальна рекомбінація призводить до радіаційно-хімічних реакцій, головні продукти яких – H2 і NaIO3. Дано пояснення способу відновлення характеристик кристалу з МШ. Він складається при відпалі детекторів при 80°С и дозволяє майже повністю відновити їхні спектрометричні характеристики. Прогрів (як і опромінення) стимулює перебіг хімічних реакцій на поверхні і заздалегідь переводить воду в кінцеві продукти реакцій. 

Четвертий розділ присвячений вивченню процесів формування МШ у кристалах CsІ (Na). Виявлено, що в початковий момент часу після механічної обробки поверхні (шліфування чи полірування) поблизу її, замість очікуваного МШ, формується шар зі збільшеним питомим виходом, глибиною ~8 мкм. За аналогією він названий “живим”, тому що збільшення L/E для квантів з Е = 5, 9 кеВ досягає 25%. Згодом “живий” шар трансформується в “мертвий”, про що свідчить зміна L/E цього шару в процесі збереження кристалу на повітрі (рис. 2).

Показано, що глибина шару зі збільшеним виходом залежить від орієнтації вихідної поверхні, а також від способу її обробки. Для найбільш важливої з практичної точки зору орієнтації (110) вона складає ~ 8 мкм; для орієнтації (100) може досягати 600 мкм. Для (110) найбільше збільшення L/E, яке характерне для квантів з E = 5, 9 кеВ (d90% = 7, 6 мкм – глибина 90% -го послаблення випромінювання), спостерігається при токарській і фрезерній обробці і досягає 33% порівняно з квантами з E = 60 кеВ (d90% = 650 мкм) ; найменше – при м'якому поліруванні (7%). 

Дослідження показали, що шар, утворений у результаті “м'якого” полірування, є монокристалічним і щільність дислокацій у ньому не збільшена. За збільшення L/E відповідальні дивакансії, що у CsІ є центрами свічення і легко виникають при ковзанні дислокацій. Полірування викликає переміщення існуючих дислокацій через дуже низький поріг старту (1-2 г/мм2). Оцінка концентрації вакансій для кристалів CsІ, що зазнали деформації, загартування і полірування, виконана за даними РЛ. Виявилося, що їхня кількість після полірування в шарі завтовшки 8-10 мкм одного порядка зі вмістом натрію в CsІ (Na) і досягає величини (6-7) ґ1017см-3, а в об'ємі деформованих чи загартованих зразків – (1, 3-1, 5) ґ1017 см-3. 

Важливо відзначити, що вода в процесі утворення МШ у CsІ (Na) визначальної ролі не відіграє. Кінетика деградації a-виходу досліджувалася для кристалів CsІ (Na) в умовах 70%, 30% і 5% вологості.