Исследование радиационной стойкости оптической керамики из фторида магния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

л п

На правах рукописи

ХОТАМОВ МАРДОН ДАВРОНОВИЧ

УДК 539.104:535.34:535.37.

исследование радиационной стойкости оптической керамики из фторида магния

Специальность: -01.04.07 - «Физика твердого тела»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени к;идоплата физико-математических наук

ТАШКЕНТ-1997

Работа выполнена в Институте ядерной физики АН РУ.

Научные руководители: Доктор физ.-мат. наук, профессор

Кандидат физ.-мат. наук, с.н.с.

ГАСАНОВ Э.М.

КИМ ГЕН ЧАН

Официальные оппоненты:

Академик АН РУ, доктор физ.-мат. наук.

к.ф.м.н, с.н.с.

АШУРОВ М.Х. СУЛАЙМОНОВ С.Х.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Томского

политехнического университета.

Зашита диссертации состоится « У Л ,л> » 1997 года. р У — часов на заседании специализированного совета

Д. 015.15.01. по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Институте ядерной физики АН РУ по адресу: 702132, г. Ташкент, пос. Улугбек, ИЯФ АН РУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ АН РУ.

Автореферат разослан «_ + » {997 года.

Ученый секретарь ,г;1 „_ ЬС.

специализированного совета /

доктор физ.-мат. наук. ' ХАКИМО.В З.М.

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы: В связи с развитием ядерной и космической техники, квантовой электроники и других современных областей науки и промышленности высока потребность в материалах, изделия из которых способны длительное время работать в экстремальных условиях, в том числе и при воздействии ионизирующих излучений.

С практической точки зрения одним из перспективных материя -лов, отвечающих требованиям новейшей техники, являются керамические диэлектрики. Многие из них обладают высокими механически ми, диэлектрическими и оптическими свойствами.

Кристаллы фторида магния имеют высокую прозрачность в широком оптическом диапазоне, включая УФ и ИК область, однако применение кристаллов Фторида магния по ряду причин ограниченно. Оптическая керамика из фторида магния обладает оптическими свойствами ничуть не хуже, чем монокристаллы фторида магния. Кроме того высокая технологичность позволяет изготовлять элементы сложной конфигурации и больших размеров, что выгодно отличает керамику от монокристаллов.

В то же время широкое применение.изделий из оптической, кера мики ограничивается практическим отсутствием знаний о радиационной стойкости, о причинах радиационной деградации оптических свойств, о роли примесного состава керамики и среда синтеза на её свойства.как в обычных условиях, так и при воздействии ядерных излучений.

В связи с этим исследования радиационно-стимулированных процессов и явлений в оптической керамике из фторида магния являют ся актуальной задачей-."

Цель я задачи исхлшк).шния: Основываясь на вышесказанном, целью настоящей работы было исследование радиационных процессов и радиационной стойкости оптических керамик из фторида магния, синтезированных из сырья различного примесного состава.

Для решения поставленной пели был проведен комплекс иссле-дгадний, включающих изучение кинетики накопления и термического отжига радиационных центров окраски и люминесценции, роли приме сей в эффективности образования и термической стабильности радиационных дефектов, изучение влияния высокотемпературной терыооб-|Х!'»:>"п.:и на оптические свойства керамик.

Научная ноэизна.

1. Впервые проведено комплексное исследование радиационных центров окраски и люминесценции в оптических керамиках из фторида магния, синтезированных в различных средах и из сырья раз ~ личного примесного состава. На основе этих исследований проведена идентификация природы ряда радиационных дефектов и показаны причины радиационной деградации оптических свойств.

2. Установлена роль агрегатных дефектов в повышении термической стойкости радиационно-наведенной окраски с ростом дозы и температуры облучения. -

3. После высокодозного облучения оптической керамики впервые обнаружены новые термически стабильные центры люминесценции, обусловленные образованием комплексных дефектов, включающих в свой состав примесные ионы кислорода.

4. При термической обработке, в результате увеличения размера зерен, происходит переход части ионов марганца из границ зерен вовнутрь, что подтверждается ростом интенсивности люминесценции, обусловленной ионами марганца в регулярных узлах кристаллической решетки.

Практическая ценность.

1. Результата, полученные в работе, расширяют представления о причинах радиационной деградации твердотельных оптических материалов и позволяют разработать практические рекомендации по > применению изделий из оптической керамики на основе фторида магния в условиях воздействия ядерных излучений.

2. Разработан простой способ получения оптического Фильтрующего элемента с регулируемым диапазоном пропускания, защищенный авторским свидетельством.

3. Предложен способ получения дозиметрического элемента, защищенный авторским свидетельством, который позволяет изготовить термолюминесцентный дозиметр с расширенным диапазоном измеряемых доз.

Иа защиту выносятся:

1. Экспериментальные. результаты по изучению оптического поглощения и люминесценции необлученных и гамма- облученных керамик ил фторида магния, синтезированных в различны/ средах и имеющих

различный прийесный состав.

2. Результаты исследования термической стабильности радиационных центров окраски в оптической керамике из фторида магния. Вывод о превалирующей роли агрегатных дефектов в повышении термической стойкости-радиационной окраски с ростом,дозы и температуры облучения.

3. Заключение о природе новых термостабильных центров люминесценции, образующихся в оптической керамике из фторида магния при высокодозном гамма-облучении и роли кислорода в образовании этих центров.

4. Результаты исследования влияния высокотемпературной термообработки на оптическое пропускание в ИК области.

5. Вывод о преимущественном распределении примесных ионов марганца на границах зерен керамики.

Апробация работы-" Результаты работы представлялись и обсуждались на: ■

- Всесоюзном совещании по кристаллическим оптическим материалам. Ленинград. 1989 год, . •

- Республиканской конференции по "Физике твердого тела". Ош. 1989 год,

- 8ой и Э Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск., 1993 г и 1996 г.

- Международной конференции "Radiation efîects in insulators '/". Nagoja, Japan, 1993.

- Первой международной научной * конференции "Новые материалы и приборы" Ташкент. 1$94 год,

Публикации. По материалам диссертационной работы опублико -вано И научных работ в виде статей, патентов и тезисов докладов Международных, Региональных и Республиканских совещаний, конференций.

Объем и структура работы. '

Диссертация состоит из введения,четырех глав, общих выводов и списка литературы из.105 наименований.. Работа изложена на 114 стрриц машинописного текста, включая 29 рисунков и одну таблицу.

.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение дается обоснование актуальности выбранной .темы, определены цель и задачи исследования, оценена научная новизна и •практическая ценность результатов, сформулированы основные научные положения диссертации.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой обзор литературы по теме диссертации. В ней рассмотрено влияние несовершенств структуры твердых тел на эффективность радиационного дефектообразования. Из-за практического отсутствия в литературе материалов по радиационному дефектобразованию в оптической керамике из фторида магния, рассмотрены особенности образования центров окраски в керамических материалах на примерах оксидных керамик. Далее описываются основные типы центров окраски, образуемые в монокристаллах Фторида магния под действием радиации. Показано влияние примесей и вида радиации на эффективность образования , агрегатиза-цию, термическую стойкость, а также на люминесцентные свойства центров окраски.

Исходя из перспективности применения оптических керамик важно знать не только пределы радиацинной стойкости их оптических свойств, но и природу радиационных дефектов, которые непосредственно определяют степень изменения оптических свойств керамик. В конечном итоге исследования радиационного дефектообразования позволили бы выяснить причины радиационной деградации различных свойств и особенноета радиационного дефектообразования в твердых телах со сложной структурой и разработать пути повышения радиационной стойкости оптических керамик. Исходя из этого были определены цель и задачи исследования данной работы: - исследовать радиационные процессы и радиационную стойкость оптической керамики из фторида магния, синтезированной из сырья различного примесного состава. .

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена описанию характеристик объектов и методов исследований. Для исследований были выбраны оптические керамики из фторида магния, изготовленные методом горячего прессования под давлением 265 МПа при одноосном сжатии при температуре ~ 910 К на воздухе или в вакууме.

В качестве исходного сырья для получения порошка фторида магния использовались соединения МвСО-^ и МёС!^. Соответственно,

керамика полученная из МеС03, маркировалась как "карбонатная", а из М§С12 как "хлоридная". В "карбонатной" керамике основной примесью являлся кальций в количестве ~ 0,1 масс.2, средний размер зерен составлял ~ 0,1 мкм. Основной примесью в "хлоридной" керамике являлись ионы натрия в количестве ~ 0.2 масс. %, средний размер зерен составлял ~ 0,2 мкм. Для сравнения исследовались "карбонатная" керамика спрессованная в вакууме ("вакуумная" керамика) со средним размером зерен ~ 0,3 мкм, а также "хлоридная" керамика с примесью марганца.

При исследовании радиационно - стимулированных процессов в оптической керамике из фторида магния использовались • траяиилон-ные для радиационной физики твердого тела методы основанные на изучении абсорбционных и люминесцентных свойств материалов. Особенное™ накопления центров окраски и люминесценции, температурные зависимости люминесценции изучались при различных видах возбуждения: фотолюминесценция (ФЛ), рентгенолюминесценция (РЛ), термолюмякес ценция (ТЛ).

Гамма- облучение образцов производилось на водозащитном канале гамма-установки ИЯФ АН РУ при мощностях дозы 80-3600 Р/с (изотоп 60Со).

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изложены результаты по изучению радиационного дефектообразования в оптической керамике из фторида магния

с различным примесным составом. Как показывают результаты исследований, в отличие от монокристаллов, ультрафиолетовый (УФ) край поглощения керамик смещен в длинноволновую область и более пологий. Это связано с рассеянием света на порах, границах зерен и включениях примесных фаз. В видимой области спектра поглощения различия в величине светопропускания между монокристаллами и исследуемыми составами керамик практически отсутствуют.

В ИК спектрах исходных образцов керамик наблюдается ряд полос поглощения. Малоинтенсивные полосы в диапазоне 4100 - 3950 и 2010 см-* относятся к примесным ионам кислых фторидов. Интенсивная полоса при 3620 принадлежит ионам гидроксила, причем максимальное поглощение в этой полосе и, соотвественно, содержание гидроксила в"карбонатной" керамике, а минимально в "хлоридной" керамике. Шрокая полоса с максимумом при 3400 см-* принадлежит молекулам волы, а полоса при 1500см интерпретирована,как

обусловленная ионами НРз". Помимо этих полос в ИК спектрах наблюдаются полос при 1850, 2950 - 2850 и 1320 - 1210 см-1. Модельные эксперименты по формированию оптической керамики из смесей порошка фторида магния с карбонатом магния, с фторидом аммония, с органическими добавками позволили заключить, что полоса поглощения в области 1320 - 1210 см~* обусловлена анионами примесных кислых фторидов, а в диапазоне 2950-2850 см-*- примесями органического происхождения. . .

Далее представлены результаты исследования влияния радиации на поглощение света в УФ и видимой областях спектра. С ростом дозы гамма — облучения, начиная с ~ 10^ Р и выше наблюдаются изменения в спектрах поглащения керамик. Появляется полоса поглощения с максимумом при 260 нм, а при дозах 10^ Р и выше в спектре поглощения появляется полоса поглощения с "максимумом при 370 нм. При дозах облучения ~ 10^ Р в спектрах поглощения "хло-ридной" и "вакуумной" керамик наблюдается ассиметрия полосы с максимумом при 370 нм, а при 10® Р четко видно присутствие полос при 330 и 410 нм. При дозах облучения выше 2.10® Р проявляется полоса поглощения с максимумом при 470 нм. Аналогичный цикл экспериментов, проведенный на монокристаллах фторида магния, показал, что полоса при 260 нм появляется при дозах 107 Р и выше, а полоса при 370 нм при дозах выше 10® Р. Исходя из того, что в спектрах поглощения облученных керамик и монокристаллов наблюла- 1 ются аналогичные полосы поглощения, полосу поглощения при 260 нм в керамиках можно приписать. Т-центру. Полосы поглощения при 330, 370, 410 нм можно отнести к М - центрам различной ориентации в кристаллической решетке, а полосу поглощения при 470 нм к Г -агрегатным центрам, более сложным, чем М-центры, так как они появляются только при высоких' дозах облучения и отсутствуют в спектрах монокристаллов при аналогичных дозах облучения. Из -за малой интенсивности полос поглощения при 330, 410 и 470 нм в основном были изучены дозные зависимости изменения интенсивностей полос при 260 и 370 нм. Для "карбонатной" керамики наблюдается рост'и насыщение, а при .высоких дозах облучения линейный рост интенсивностей этих полос, что проявляется и в спектрах поглощения монокристаллов. Однако для монокристаллов линейный рост интенсивности начинается при более высоких дозах облучения. Для "хло-

ридной" и "вакуумной" керамик наблюдается монотонный, рост.интен сивности указанных полос во всем интервале доз облучения.

Таким образом эффективность дефектообразования в керамических образцах выше, чем в монокристаллах, что связано с дефектной структурой керамики. Известно, что обычно кинетика накопления центров окраски характеризуется двумя стадиями: это рост и насыщение концентрации центров окраски, связанные локализацей зарядов на дорадиационных структурных дефектах и вторая стадия создание структурных дефектов с последующей локализацией зарядов на них. Вторая стадия накопления центров окраски характеризуется линейным ростом концентрации центров окраски. В монокристаллах первая стадия практически не проявляется. В "карбонатной" керамике наблюдается как первая, так и вторая стадии. Из-за большою количества дорадиационных анионных вакансий в "хлоридной" и "вакуумной" керамиках, (анионные вакансии в "хлоридной" керамике создаются за счет присутствия одновалентных примесей натрия, которые изменяют стехиометрию в сторону образования анионных вакансии, в "вакуумной" за счет ухода ионов фтора в вакууме при тем пературе спекания) первая и вторая стадии накопления центров окраски сливаются.

Было изучено влияние гамма-облучения на прозрачность керамики в ПК области. После облучения дозой до Ю Р существенных изменений в ИК спектрах поглощения керамик не наблюдается. При

с

дозах выше 10° Р наблюдается уменьшение полосы поглощения ионов гидроксила и увеличивается поглощение', обусловленное молекулами воды и в полосах при 1850 и 2500 см-1. Относительное увеличений интенсивности селективного поглощения максимально для "карбонатной керамики".

Наблюдаемая корреляция между интенсивностью селективного поглощения ИК излучения в исходных образцах керамик, синтезированных разными методами и чувствительностью керамики к гамма-об лучению говорит о том, что основной причиной деградации оптических свойств керамики в ИК области является радиаимонно- стимулированное превращение ионов гидроксила.

Эксперименты по измерению ИК-поглощения оптической керамики с пленкой воды и Другими водородосодержащими жидкостями показали, что пщюлнительная полоса поглощения при 3400 см-1, появляю-

щаяся после гамма-облучения, обусловлена молекулами воды, а полоса при 2500 см"1, которая четко проявляется при высоких дозах облучения, связана с образованием оксигидрильных комплексов типа

<W

. Исследования термического отжига центров окраски показали, что для "карбонатных" керамик наблюдается монотонный спад концентрации F- и М - центров окраски с ростом температуры и их полный отжиг заканчивается при температурах 450-550 °С в зависимости от дозы облучения. Следует отметить, что термическая стойкость радиационной окраски в "карбонатной" керамике в основном определяется термической стойкостью М-центров. Аналогичная ситуация наблюдается в монокристаллах. Несколько иное поведение F- и М-полос наблюдается в спектрах поглощения облученных "хлоридных" и "вакуумных" керамик. Уменьшение интенсивности F-полосы, сопровождается ростом М-полосы, причем максимальная интенсивность М -полосы наблюдается при температурах отжига 200 - 300 °С и зависит от дозы облучения. При температурах выше указанных температур также наблюдается спад интенсивности М - полосы, однако в области температур выше 400 °С наблюдается дополнительная стадия отжига. Анализ спектров поглощения облученных керамик и подвергнутых отжигу при 400 °С показал, что в спектрах поглощения этих образцов наблюдается остаточное поглощение, спектр которого охватывает УФ и видимую область, на фоне которой выделяется низкоинтенсивный максимум при 300-350нм. Интенсивность остаточного поглощения минимальна в "карбонатных" керамиках и максимальна в "вакуумных", причем ее интенсивность увеличивается и наблюдается общее смещение в длинноволновую область с ростом дозы облучения.

Таким образом, термическая стойкость радиационной окраски в "хлоридных" и "вакуумных" образцах не определяется термическим разрушением М - центров, как это наблюдается в монокристаллах и "карбонатной" керамике. Предполагается, что центрами являются более сложные дефекты, чем М-центры. Действительно, в "хлоридных" и "вакуумных" керамиках эффективность образования центров окраски выше, чем в "карбонатной" керамике, что обусловлено высоким - ' содержанием анионных вакансий. Это способствует также более эффективной коагуляции простых дефектов в сложные как при облучении, так и-при термическом отжиге. Эксперименты по высокотемпе-

и

ратурному облучению керамик показали, что спектры поглощения керамик, гамма- облученных при 200-400 °С, аналогичны спектрам облученных образцов и подвергнутых отжигу при 40О °С.

Исследования фотолюминесценции керамик и кристаллов фторида магния показали, что в необлученных образцах ФЛ не наблюдается. После облучения в спектрах ФЛ монокристаллов проявляются полосы свечения при 420 и 560 нм с полосами возбуждения 370 и 410 нм соответственно и малоинтенсивная полоса свечения при 460 нм с полосой возбуждения при 320 нм.

В спектрах поглощения облученных керамик, помимо выше указанных полос свечения, присутствует полоса свечения с максимумом при 620 нм с полосой возбуждения при 470 нм.

Интенсивность этих полос свечения в монокристаллах с ростом дозы облучения до 10^ Р монотонно увеличивается. В спектрах люминесценции исследуемых керамик с ростом дозы облучения до " 107 Р их интенсивность также увеличивается, а затем, при дальнейшем увеличении дозы облучения, их интенсивность падает. Интенсивность ФЛ минимальна в "карбонатной" керамике и максимальна в "вакуумной" керамике. Аналогичные полосы свечения, как в монокристаллах и в керамиках фторида магния, приписывается М-центрам разной ориентации, а полосы свечения с максимумами при 460 и 620 нм к F-агрегатным центрам.

Монотонный рост интенсивности свечения в спектрах ФЛ монокристаллов фторида магния связан с увеличением количества центров свечения под действием радиации. Наблюдаемая двухстадийная кинетика изменения интенсивности полос свечения в спектрах ФЛ керамик, по - видимому, связана с реабсорбционным эффектом, так как в спектрах поглощения интенсивность полос, связанных с этими центрами, растет во всем интервале доз облучения.

Изучение термической стойкости этих центров свечения показало, что в монокристаллах полосы свечения с максимумами при 460 и 560 нм в процессе термического отжига полностью исчезают при температуре ~ 200 °С. Интенсивность полосы свечения с максимумом при 420 нм с ростом температуры опсига ло 300 °С не меняется, дальнейшее повышение температуры до 400 °С приводит к росту её интенсивности. При дальнейшем повышении температуры отжига до biK) •4V"-d г--"Ol'¡-г' при 4?0 нм полностью отжигается. Исс.т —

дования отжига этой полосы в спектрах исследуемых составов керамик показало, что в зависимости от дозы облучения интенсивность этой полосы свечения с ростом температуры отжига достигает максимума при 200-300 °С и полный отжиг наблюдается при 500 °С. Интенсивность полосы свечения с максимумом при 460 нм в керамиках с ростом температуры отжига достигает максимума при ~ 100-150 °С а затем падает и полностью полоса исчезает при ~200 °С. В образцах керамик, облученных дозами 10^ Р и выше при температурах отжиге 100 °С проявляется малоинтенсивная полоса свечения с максимумом при 700 нм имеющая полосу возбуждения при 330 нм. Повышения температуры отжига до 250 °С приводит к росту её интенсивности, а полный отжиг наблюдается при 450 °С. Интенсивность этой полосы максимальна в спектрах "карбонатной" керамики, где концентрация ионов гидроксильной группы велика, что позволяет пред-пологать, что эта полоса связана с агрегатным центром, включающим ион гидроксильной группы или кислорода.

Анализ литературных данных показал, что в щелочноземельных фторидах наблюдаются аналогичные центры свечения, приписываемые R+ - центрам расположенным рядом с ионом кислорода. В спектрах "хлоридной" и "вакуумной" керамик, облученных дозами выше 109 Р, после отжига при 300 °С, появляется полоса свечения 610 нм, возбуждаемая при 290 - 300 нм, которая с ростом температуры отжига до 600 °С достигает максимальной интенсивности, а затем при дальнейшем повышении температуры её интенсивность падает и при ~700 °С она исчезает.

Для получения дополнительной информации о процессах накопления зарядов на ловушках и отжига центров окраски в гамма-облу-ченных керамиках исследовались термолюминесцентные свойства керамик. На кривых ТЛ "карбонатной" керамики выделяются пики ТЛ с максимумвми при 50, 100, 245, 300 °С. На кривых ТЛ "хлоридной" керамики наблюдаются пики с максимумами при 55, 125, 210,290, и 390 °С. При дозах облучения 109Р максимум последнего пика смещается в область температур до 400 °С. Максимумы наблюдаются при '•>0. 100, 220, 275, и 395 °С на кривых ТЛ "вакуумной" керамики, причем максимум последнего пика смещается к 440 °С при дозах облучения ~5.10ЭР.

В свяли с тем, что местоположение максимумов чиков ТЛ изме-

няется с ростом лозы облучения и наблюдается перекрытие пиков, для изучения характера изменения ТЛ свойств керамик при

облучении изучалась зависимость накопленной светосуммы от дозы облучения. Причем условно были выявлены следующие интервалы температур 20-140, 140-325 и 325- 440 °С. В Каждом интервале находились пики ТЛ максимумы которых несколько сдвигались с ростом дозы облучения, но не выходили за границы интервала. Построенные таким образом зависимости светосуммы от дозы облучения показали, чтосвето сумма, накопленная в пиках ТЛ, для интервалов температур 20-140 и 140- 325 °С достигает максимальной величины при дос у

зах 10°- 10 Р в зависимости от типа керамики и затем падает, а светосумма, накопленная в вьккотемпературных пиках ТЛ, резко увеличивается при дозах облучения выше 20® Р. Здесь следует отметить, что уменьшение светосуммы в низкотемпературной области не связано с реабсорбцией излучения центрами окраски, а непосредственно связано с уменьшением концентрации зарядов на этих ловушках, что подтверждается измерением термостимулированных токов (ТСТ) в облученных образцах. Величина ТСт уменьшается при одновременном уменьшении светосуммы. Исходя из сказанного можно отметить, что причиной такого характера изменения светосуммы с ростом дозы облучения является преобразование простых центров в сложные. Если учесть, что термостойкость центров окраски в исследуемых керамиках увеличивается с ростом дозы облучения из - за образования сложных центров окраски, то увеличение светосуммы в высокотемпературных пиках ТЛ при больших дозах облучения обусловлено увеличениям вклада сложных дефектов в процессы ТЛ. Проявляемый рост светосуммы высокотемпературных пиков ТЛ при дозах выше 10® Р обусловлен генерацией анионных вакансий при облучении. В "хлоридных" и "вакуумных" керамиках наблюдается рост светосуммы высокотемпературных пиков также и при низких дозах облучения, что не наблюдается в "карбонатных" керамиках. Если рост свето-суммы при дозах выше к) Р обусловлен преимущественным образованием сложних дефектов при больших лояах облучения, то наблюлле -мый рост светосуммы высокотемпературных пиков при низких т-' обусловлен, преимущественно, пгрегатизацпей простых дефектов при пос >тедующем нагреве облученные «йрчэцрв. Так как процессы агре-

гя'П'.- .'liir "'"¡-'w !:■>'. [¡: с, ' М'.п^г'"' ч тгтт'нч г члгппциеП

анионных вакансий, то образование сложных дефектов после низких

О

лоз гамма - облучения (до 10 Р) наблюдается преиьущественн в "хлоридаых" и "вакуумных" керамиках. В "карбонатной" керамике процесс агрегатизации практически не наблюдается после доз облучения до 108Р, что, видимо, связано с. наличием гидроксильных групп, которые препятствуют процессам миграции анионных вакансий.

Исследования ТЛ керамик, облученных при повышенных температурах, показали, что с ростом температуры облучения увеличивается светосумма накопленная в высокотемпературных пиках. Этот эффект максимален при температуре облучения 250°С, а затем падает при дальнейшем росте температуры. Таким образом, из анализа экспериментальных данных следует, что увеличение термостойкости радиационных дефектов с ростом дозы облучения связано с образованием сложных дефектов в процессе облучения, а также коагуляцией простых дефектов при последующем нагреве облученных керамик.

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ. Известно, что основными факторами, влияющими на прозрачность керамики, являются многофазность, характер структуры, взаимное расположение кристаллических зерен и их размер, наличие стекловидной и газовой Фаз. Максимальное рассеяние света имеет место в случае, когда длина падающего света соответствует размеру кристаллических зерен.

Одним из возможных способов изменения светопропускания ке-> рамик является их термическая обработка при высоких температурах, когда ускоряются диффузионные процессы, которые могут приводить к образованию дефектов структуры, изменять топографию распределения примесей и увеличивать размер зерен и пор, что в свою очередь влияет на светопропускание.

Было изучено влияние высокотемпературного отжига в интервале температур до 900 °С на размер зерен керамики. Эксперименты были проведены на "карбонатной керамике".. В исходном состоянии средний размер зерен керамики составлял ~ 0,1 мкм. В качестве способа контроля среднего размера зерен использовался метод фотографирования поверхности керамики с помощью микроскопа ММР-4. Методики позволяла определять размер зерен, начиная с температуры оттпгп выше 750 °С. Как показали эксперименты, средний размер керамики поели отжигэ при 900 °С достигает "9 мкм. В исход-

ном состоянии область прозрачности керамики простирается от 0,2 до 10 мкм. После высокотемпературного отжига диапазон пропускания сужается за счет увеличения поглощения света с коротковолновой стороны, причем, если построить зависимость коэффициента пропускания на полувысоте коротковолновой стороны диапазона пропускания от размера зерен, то наблюдается линейная зависимость.-Это указывает на превалирующую роль размера зерен на величину свето-пропускания. Была проведена серия экспериментов с варьированием температуры и длительности отжига. В результате этих исследований был разработан способ изготовления оптического фильтрующего элемента с регулируемым диапазоном светопропускания, защищенный патентом.

Было изучено влияние термического отжига на люминесцентные свойства керамики. При температурах отжига выше 600 °С керамика из Фторида магния приобретает молочную окраску и естественно было ожидать уменьшение интенсивности люминесценции.

Действительно, с ростом температуры отжига, интенсивность рентгенолюминесценции в полосе 420 нм уменьшается, однако другая полоса свечения с максимумом при 580 нм увеличивается. Известно, что свечение в полосе 590 нм обусловлено двухвалентными ионами марганца в регулярных узлах решетки фторида магния. Так как интенсивность свечения увеличивается, то следует допустить, что увеличивается при высокотемпературном отжиге количество ионов марганца в регулярных узлах решетки. Это можно объяснить исходя из того, что в исходном состоянии примесь марганца локализуется частично в регулярных узлах решетки и находится внутри зерен, а другая часть находится, на границах зерен, занимая позиции с нарушенной решеткой. При термическом отжиге происходит укрупнение зерен керамики, которое в простейшем случае обусловлено слипанием мелких зерен. Фактически это приводит к тому, что та часть ионов марганца, которая.находилась на границах зерен или межзер-енном пространстве занимает регулярные узлы решетки внутри укрупненного зерна. Увеличение концентрации ионов марганца в регулярных узлах решетки подтверждается также исследованиями термолюминесценции керамик, подвергнутых отжигу при высоких температурах. В частности,'после отжига увеличивается интенсивность пиков ТЛ в области 50 - 150 °С, которые связаны с примесями ионов мар-

ганца в кристаллической решетке фторида магния. Основываясь на эффекте увеличения ТЛ при высокотемпературном отжиге был разработан способ изготовления термолюминесцентного дозиметрического элемента из керамики на основе фторида магния с расширенным диапазоном измеряемых доз.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены комплексные исследования центров окраски, образующиеся в оптической керамике из фторида магния, синтезированной из сырья различного примесного состава, под действием гамма-облучения в широком интервале доз. Показано, что эффективность дефектообразования зависит от примесного состава и среды спекания. Установлено, что ионы натрия и восстановительная среда синтеза увеличивают эффективность дефектообразования за счет изменения стехиометрии в сторону образования анионных вакансий й стимулируют процессы образования и агрегатизации центров окраски.

2. При исследовании оптических свойств керамики из фторида магния в ИК области установлено, что радиационно-оптическая стойкость керамики в ПК диапазоне, в основном, определяется наличием примесных ионов гидроксильной группы. Ухудшение прозрачности керамики в ИК области под действием гамма облучения обусловлено образованием сложных оксигидральных комплексов типа

3. На основании исследований фотолюминесценции оптической керамики из фторида магния показано, что в отличие от монокристаллов, под действием гамма-облучения образуются новые термически стабильные центры люминесценции,, имеющее полосы свечения с максимумами при 610 и 700 нм, которые обусловлены образованием агрегатных дефектов. Показано, что полоса свечения при 700 нм обусловлена комплексным центром, включающим примесные атомы кислорода, а полоса свечения при 610 нм - обра- • зеванием центров Р?-типа.

4. На основании исследований термической стабильности радиационных центров окраски установлено, что с ростом дозы и темпера-

. туры облучения, температура полного отжига наведенной окраски увеличивается, что обусловлено образованием сложных центров окраски. Термическая стабильность радиационно-стимулированной окраски увеличивается в оптической керамиках с примесью натрия и синтезированных в восстановительной среде Г

5. Исследования влияния высокотемпературной термообработки на термолюминесцентные свойства оптической керамики из фторида магния показали, что примесь марганца в основном распределена на границах зерен. После термообработки, в результате увеличения размера зерен, концентрация ионов марганца в регулярных узлах увеличивается. Это приводит к росту интенсивности пиков термолюминесценции, связанных с примесью марганца. На основе этого разработан дозиметрический элемент с расширенным интервалом измеряемых доз.

6. Исследовано влияние высокотемпературной термообработки на светопропускание оптической керамики из фторида магния в ИК области. Показано, что с ростом температуры и времени отжига, сужаетсй диапазон светопропускания, уго связано. Главным образом, с дополнительным рассеянием света на зернах керамики. Разработан способ изготовления оптического фильтрующего элемента с регулируемым интервалом светопропускания.

Основные научные результаты, изложенные в диссертационной

работе, опубликованы в следующих работах:

Статьи.

1. Э.М. Гасанов. Г.Ч. Ким, Н. Д. Зверев, М. Д. Хотамов. Влияния гамма - облучения на спектральные характеристики оптической керамики из фторида магния в видимом и УФ диапазонах длин волн. У/ 1ПС, -1991. -Т.54, -#. 5,- С. 845 -848.

2. Э.М. Гасанов, Н.Д. Зверев, Ким Ген Чан, -Хотамов М.Д. Влияния гамма -облучения па ИК поглощения оптической коря ми; v из фторида магния.//ЖПС, -1991.- Т.55,- # 6, С. 1018- 10-0.

3. Н.Д.Зверев, Ким Ген Чан, М. Д. Хотамов, Э. М.Гасанов. Мнк-потпёрдость оптической керамики из фторида магния.

//Or тике-чякани'г^кая nrowaJbwwtb. -190!. -JfG. С.50-5?.

Патенты.

1. H.Д. Зверев, Ким Г-ен Чан, Ю.Б.Малко, М.Д. Хотамов, Э.М. Гаса-нов Способ изготовления термолюминесцентного дозиметрического элемента на основе фторида магния. Патент # 1817855 от И. 10. 1992 года. .

2. Э.М. Гасанов, Ким Ген Чан, М.Д.Хотамов Способ изготовления оптического фильтрующего элемента.. Патент по заявке.* 4700580 от 2. 06. 1989 гоед.

Тезисы докладов.

1. Н.Д. Зверев, Ким Ген Чан,. Ю.Г.Литвиненко, М.Д. Хотамов, Э.М. Гасанов."Влияние ионизирующих излучений на свойства оптической керамики из MgF^". Тезиси всесоюзного совещания по кристаллическим оптическим материалам. Ленинград, 1989 год, С.43.

2. Э.М. Гасанов, Ким Ген Чан, М.Д. Хотамов. "Радиационно-стимули-рованные оптические- явления в керамике из фторида магния". Тезиси республиканской конференции по "Физике твердого тела". Ош, 1989, С.125.. .■ ■ .

3. Э.М. Гасанов, Ким Ген Чан, М.Д. Хотамов "Люминесцентные свойства оптической керамики из фторида магния" Сборник тезисов докладов 8-ой международной конфиренции по радиационной физике и химии неорганическых материалов. (РФХНМ-8) Томск, 1993, С.206. ■

4. Ким Ген Чан, Э.М. Гасанов, М.Д. Хотамов. "Радиационное дефек-тообразование_в оптической керамике из MgF^." Сборник тезисов докладов. 9-ои международная конференция по РФХНМ-9, 1996,

С.192.

5. KlM Gen Chan, Е.М. Gasanow, M.D. Khotamov. "Radiation eîîects In transparent magnésium ceramlcs." Тезисы докладов междуна-радной конференции "Radiation effects In l-nsulators-7". Nagoja, Japan, 1993.

6. Э.М. Гасанов, Ким Ген Чан, М.Д. Хотамов. "Радиационные эффекты в оптической керамике из фторида магния." Тезисы докладов. Первой Международной научной конференции "Новые материалы и приборы". Ташкент, 1994 гол. С. 11 '

МАГНИЙ ФТОРЛИ ОПТИК (СЕРАМИКАНИНГ РАДИАЦИЯГА ЧИДАМЛИЛИГИНИ УРГАНИШ

ХОТАМОВ МАРДОН ДАВРОНОВИЧ КИСКАЧА МАЪНОСИ Диссертация магний фторли оптик керамиканинг радиацияга _чп-дамлилигини текшириш мавзусига багишланган.

Биринчи бУлиб хар хил мухитда ва хар хил хомашёдзн си1П\-.-. килинган оптик магний фтор керамикасида хосил бУладиган радиаци-он рангланиш ва нурланиш марказларининг хоссалари, радиация тзь-сирида нуксонлар хосил булиш тезлиги, ва температуравий тургун лигига таъсири хамда юкори температурали ишловнинг коришшшии ХУ сусиятларига таъсири комплекс усулдар билан Урганилган. Ну таыдаотдар натиталари асосида бир катор радиацион нуцсонларнннг- ■ хусусмяти ани^ланган' ва уларнинг оптак хусусиятларининг Узкар^ш сабаблари кУрсатилган. Нурлантириш температураси ва дозасинпьг ошиши билан радиация таьсирида хосил буладиган рангланиш марказларининг температуравий тургунлиги ошишида агрегат нуксонларнинг роли ани^ланган. Таркибида кислород иони булган комплекс янги юкори температурада тургун нурланиш косил килиши марказлари топ-илган. Коришма марганец ионларининг кисман коришмадаги кристалл-чала р чегарасида жойлашганлиги курсатилган.

Ю^ори температураларда ишлов бериш жараёнида бир кием марганец ионларининг фторид магний панжараларидаги регуляр тугун .ларга утиши ^оришманинг нурланиш интенсивлигининг ошишига одно келиши исботланган.

Утказилган таъкикотлар асосида нур утказиш диапазони бошкарила диган оптик фильтрлов?ш элемент тайёрлаш усули ва Улчанадт нн дозалар области кенгайтирилган термолюминесцентли дозиметрик элемент тайёрлаш усули ишлаб чи^илган.

STUDV OF RADIATION HARDNESS OF MgF2 OPTICAL CERAMICS KHOTAMOV MARDON DAVRONOVICH ABSTRACT

The dissertation represents the complete research Including: 1) kinetics of accumulation and thermal annealing of radiation induced colour and luminescence centers, 2) the effect of impurities on defect formation and their thermal stability, 3) the effect of high temperature treatment on optical properties of MgF2 ceramics synthesised at different conditions from the row material of distinct Impurity composition. Basing on these experimental data, several radiation -induced defects have been identified and the reasons for radiation induced degradation of optical properties have been explained. Ihe role of the aggregated defects In improvement of thermal stability of the radiation induced colouration depending on a dose and an irradiation temperature growth was established. New thermally stable luminescence centers were found fo be caused by formation of complex defects,. Including oxygen ion Impurity. A part of Manganese ion impunity, was shown to localise at ceramic grain boundaries. Under high temperature treatment the part of manganese Ions moves in thf regular lattice sites, thereby, leading to increase in luminescence Intensity. On the base of the conducted investigation two techniques (methods) have been, worked out for making 1) the optical filter" element with a variable optical transmlttance band and 2) the thermoluminescent dosimetrical element with a widened range of measurable doses.