Радиационно и термически стимулированное перераспределение ионов-компенсаторов в кварце тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМЫ НАУКУКРАШИ

1НСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕР1АЛ03НАВСТВА ¡и. I. М. ФРАНЦЕВИЧА

.'1 -1 .1

ЩЕРБИНА ОЛЕГ 1ВАНОВИЧ

УДК 539.21

РАД1АЦ1ЙН01ТЕРМ1ЧН0 СТИМУЛЬОВАНИЙ ПЕРЕРОЗПОД1Л ЮН1В-КОМПЕНСАТОР1В У КВАРЦ1

01.04.07 - Физика твердого тша

- Автореферат дисертаци на здобуття иаукового ступени кандидата ({изико-математичних наук

Кшв -1997

Дисертащао с рукопис

Робота виконана у 1нституп reoxiMiï, мшералоги та рудоутвореню Украши

Науковий KepißHHK: докт. ф1з.-мат. наук

Epsoc Олександр Борисович 1ГМР HAH Украши, зав. вцадшом

ОфщШю опоненти:

докт. ф1з.-мат. наук, професор, член-кореспо!

HAH Украши

Глшчук Майя Давидана

1ПМ НАНУ, зав. вщгдлом

докт. ф1з.-мат. наук

1ще!ШО Станислав Степанович

1ФН НАНУ, проз. наук. сшвробпник

Провщш оргашзащя: 1нстшуг ф1зикн НА1ГУ, пщцш фЬики мат згвкщ, Kkïb

Заякст вщбудеться // 1997 р. о ^^ года

засщаиш спадашзоважн ради Д ОН 88. 03 в 1иститут» щ матер1алознавства ш. I. М. Францевича HAH Ухрашн (252142 Ки аул. Крнажатвсьхого, 3).

3 дисертащао мохсна ознайомитися у науковШ GiönioTeiu 1кс проблем матсхлалознавства if.:. !. M. Францевича HAH Украши ( Ктав-142, вул. Кржижашвського, 3).

втореферат розкланий

1997 р.

Вчений секретар сйещалповашй ради

Пгдерно Ю.Б.

/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми.

Кварц с уншальним матер1алом для виршення раду техтчних 1 наухових зав дань, а також для розв'язавня шнералопчних 1 геолопчних проблем. Фпичш власгивосп кварцу в значшй шр1 обумовлеш там, що його крисгалограф1чна структура мае каналм, паралельш оа с, вздовж яких при вщпалеяга чи опромшеяш зразха можуть рухатися юни Ка+, 1л+ (чи (они-компенсатори, як й називають у ллературО. Вони присутю в значних концентрациях практично у вах зразках природного 1 синтетичного кварцу.

Метод електронного парамагттного резонансу (ЕПР) виявився ефективним для досшдкення перерозподшу юшв-компенсатор1в мж риними пастками. Вони мають ядерний стан 3/2, який в кристалах кварцу характерной ттльки для них. Це дозволяс, проанал1зувавши надтонку структуру спектру ВПР, встановити наявшсгь юна-компенсатора в його склада, а реестр угачи змши концентраци таких цеятр1в, можна робити висновкн про особливосп [х перерозподшу у кварщ.

В публкащях рЬних автор1в, присвячених достдженню кварцу методом ЕПР, головна увага була спрямована на вивчення фЬнчних властивостеЗ 1 будови ршних парамагатних дефект». При цьому вивченню обмшу зарядами М1ж рЬннмк центрами 1 зокрема об мшу юнами-компеисаторами придшялась меньша увага. В той же час таю знания важшш дня визначення мехашзм1в 1 причин змши багатьох макроскотчних характеристик кварцу 1 вщповщно деградацц приладов, що м1стять кварцев! компонента. Сюда вщносяться змши характеристик кварцев их резонатор!в, кварцево! оптики, волокон ошичниа систем зв'язку, компонент елекгрониси, яка працюе в космоа 1 т д.

Останшм часом кварц став широко використовуватись у ретроспегшвшй дозиметри. К завданням с вщновлення дози опромшення техтчних об'егпв, людей 1 тварян, що опннились год даею радеацйного опромшення внаапдок аварШ на годприемствах, яю використовують таи випромшення, чи радюактивш матерхали та тциденттв при 1х транспортуванш та захороненю, 1, зокрема, лжвщацй насладив авари на ЧАЕС. Для вщновлення цнх доз опромшення вихористовусться кварц, видшений з будаветьиих конструкщй, деяю в иди кераюк, пдроксилапатит смат зуб1в людинн та карбоната бюлопчного походжеяня. Головною проблемою таких дослщжень е вивчення мехашзм1в обмшу зарядами шх дефектами структури в цих матер1алах. Перспективнии шляхом виршення ща проблема е застосування розроблених нами ехсперииентальиих методик 1 моделей для вивчення

поведшки рпних дефекпв у пдроксилапапгп емалд зуб1в i карбонатах бюлопчиого походжения.

Зр'ток робота э иауковиин пропмнии. планами. темами-

Дисертацш виконано в рамках проекту ДКНТ 2.3/520 "Видов структури i властивостей тунельних qempiB на прояви магттоелектричних ефекпв в парамагнетиках", проекту HAH Ужраши Чорнобнль 1.1.2 "Ретроспективна дозиметры об'екпв иавколишнього середовшца спектроскотчними методами", прректу HAH Украшн ЕСР-10 "Ретроспективна дозиметрй i режонструмця дози". Проведай в межах дисертацц дошдження е чаепшою плановнх робп- 1нституту reoxiuil, мшералот та рудоутворення HAH Украши, в якому було внхонано дисертацйо.

Мета та заминм poftrm-

Метою дано! робота проведения експерименпв по вивченню перерозподшу ioms-компенсаторов у кварц}, якнй виникае при радоащйному опромшеаш та посоддуючому вщпаленш зразха, аиашз !х результат та розробка моделей для опнеання цих процеав.

В рамках цих достдхень видшимо слщуюяа основш завдання: 1) проведения експерименпв по вивченню перерозподшу юшв-компенсатор1в при опромшеяш та постдуючому вщпаленш; 2) анашз та узагальнення отриманих результата; 3) застосування отримаиих результата для удоасоналення методик ретроспективно! дозиметри.

Наукога воминв робота.

До найбшып важлнвнх результата з точки зору науково! новизни можна вщнесги слщуюче:

• Автор встановив, що при дозах опромшення до кшысох сот Грей, в зразках кварцу, що мають велику концентраций пасюк слехтротв, дозов1 залежносл [АЮ*]° цеятру е лшШш функцц, куг нахнлу яких не залежать вщ концетраци домшок AI.

• Було вегановлено, що дозова залежтсть [GeOt/Li*]0 центру сублйпйна в обласп малих доз. Цей ефект обумовяений рухом юшв-компенсатор1в до домшшових GeO* тстраедр!» при опромшенш зразка.

• Вивчено особливосп кривих 1зотерм1чного шдпалеаня [АЮ«]0 та Ei' центру, обумовлеш темпфатурио епшульованим перерозподшом 10шв-компеясатор1в.

• Вперше було вивчено доэов1 залежносл Ei' qempiB (ваканш кисню, що захопили один електрон) в зразках, що шетпь незарядхеш ваганси кисню. Було показано, що в таких зразках можна рехонструюватн дози опромшення в1д кшысох до кшькох сотеиь Грей.

• Розроблеяо еишричи модега, що описуютъ перешчеш вгаце ефекга. Проанатазовано мохпввосп 1х засгосування для анашзу радацШних 1 температурвих впастявосгей центру СОг в гщроксилапапт емага зуб1в.

Псштате значащ одержана* рюупиат»-

Розроблеш модега можуть бути корисш для удосконалення методик ретроспективно! дозиметра, вивчення радоацШно 1 терм1чно стимульованих процеав лерерозподшу зарядов у лдроксилапатип еыаш зуб!в.

В хода проведения досшджень вивчепо процеси перерозподшу юнш-хомпеясатор1в у кварщ при опромшеяш 1 вцщаленш зразка, та побудовано емтркчт модеш, що 1х описукпъ. Отримат результата можуть буш викорнстша для вивчення процейв деградаци кварцевих резонатхдов, кварцевих оптичних систем, хварцевих волокон для систем оптнчного зв'язку шд даоо радоацШного опромшення 1 шдвшцених температур.

Не зважаючи на те, що досшдження проведено на зразках кварцу, щ результата мояна застосовувати для досшдження звшьнення, руху 1 захоплсаня кшв в рЬнах видах матергагав, обумовлених даек» радоацШпого опромшення та внсоких температур.

Одержат результата можуть бута вихористат Мипстерством по надзвичайних ситуациях Украши при лшилащТ насадив шцидеяпв, пов'язаних з авар1яыи на гадприемствах, що викорисговують радюагтивш матер1алн. Розроблеш ешпрнчш модет та методики визначення 1х параметров гокш для внхористння в вщповщних методиках резсонструюц! дози. Результата ща робота було реализовано щляхом публкаци вщповщних мзтер1алав та 1х передач! защкашгеннм ведомствам (зокрема в склад! звггао! документацц по перетпченим вшце державним проектам).

Оробисгий вклад автора в отримаша наукових результата, вихладених в дисертаци, полягае в сгадуючому:

• проведено ехгаернмеяталъне дослщження особливостей дозовях залежн остей [АЮ^]0, [СеОдЯл*]0 та Е|'цеятр1в у хварцК

• проведено ехсперимеятальне дослщження особливостей кривих ¿зотермчного вщпалення [АЮд]0 та ЕГцешр1в, запропоновано методичш прийоми, що дозволяють покращити точшсть виюрювань криЕих 13отермчного вщпалення.

• розроблено ешпрггага ш>дел1, що описуютъ дозов1 залежиосп 1 крпш 13отершчного вщпалепня та запропоновапа штерпрнтадш отрнманих результата.

Положения, шо виносяться на захист:

1. Експериментально всгановлено i теоретично показано, що при дозах опромшення до кшькох сот Грей, в зразках кварцу, що мають велику концентрацда пасток електрошв, дозов1 залежносп [АЮ4]0 центру е лшШт функца, куг нахнлу яких не залежать вщ концентрацп дом!шок А1.

2. Суперлшшшсть дозово'1 залежносп [Ge04/Li+]° центру у кварвд при дозах опромшення до 500 Гр обумовлена рухом юна-компенсатора до домшжового Ge04 тетраедра.

3. При температурах вщпалення, нижчих за 270 °С хщ кривих 1зотерм!чного вщпалення [АЮ4]0 центру обумовлений рухом юшв-компенсатор1в до парамапитного [АЮ4]0 тетраедару. При вищих температурах хщ цих кривих обумовлений звшьненням юшв-компенсатор1в з глибоких пасток.

4. Хщ кривих ¡зотерм1чного вщпалення ЕГ центру при температурах в iHTepeani 200 - 270 "С обумовлений втратою юна-компенсатора, що стабшзуе ваканспо кисню, яка захотша два електрони, та одного з цих електрошв.

СГУТОНЬ Д0СТ0В1рН0СТ1.

HayKOBi положения, викладеш в дисертаци, вивчеш автором експериментально, обгрунтоваш теоретично, проведено пор^вняння вщповщних теоретачних розрахунюв i експериментальних даних. Отриман! результата не протир1чагь шформацп, опублжованш у лп-epaTypi i отриманШ шшими методами. Спостер1гаеться добре погодження отриманих експерименгалышх данних i запропонованих теоретичних моделей. Результата робота доповщались на ряда м1жнародних конференцш i симпозиум1в. Науков! положения роботи сформульоваш з урахуванням eciei ¡нформаци, отрнманох автором, i отримали пщгримку наухово5 громадськосп.

Апробашя результа-пв дисертаци.

Головш результата роботи доповщались на семи конференщях i симпозиумах у тому чист на:

® М1жнароднш конференцн "Радюспектроскотчш метода дослщження в

ф1зищ, xiMii, бюлоги i медициш", м. Кшв, 1993. « International Workshop "Dose reconstruction", Bad Honef, Germany, 1994.

в International Symposium "Luminescent Detectors and Transformers of

Ionizing Radiation", Tallin, 1994. • XXVIITH Congress AMPERE "Magnetic resonance and related phenomena", Kazan, 1994.

• 4-th International Symposium on ESR Dosimetry and Application, Munich, Germany, 1994.

• II м1жнародшй конференцп "Реальна структура та властивосп ацентричних крисгатв", Роая, Александров, 1995.

• Third European Meeting Spectroscopic Method in Mineralogy, Kiev, 1996.

• М1жнародному мшералопчному ceMiHapi "Структура н эволюция минерального мира". Сиктивкар. 1997.

Публшаин.

Головга результата роботи сформульоваш у двадцяти двох роботах, ссилки на яю помодет в кшщ автореферату.

Структура та об'ем роботи.

Дисертащя складаеться i3 введения, чотирьох глав, описания основних результате, та висновюв, загального списку л^тератури, що включае 89 найменування. Список лгтератури i додатки розмпцеш в кшщ. Дисертащя Micrim, 126 cropiHOK, включаючи 20 рисуншв, що займають 15 cropiHOK, i 7 таблиць загальним обсягом 2 сгоршки.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У Bcrvni обгрунтоваш актуальшсть теми дасертацн, сформульована мета роботи та завдання, ям noTpi6Ho вириоити для н досягнення, наукова новизна i практична щншсгь отриманнх результата, приведет основш положения, що виносяться на захисг, коротко викладено 3Micr дасертацн по главам.

В nepmifi raaBi приведено ф1зичш властивосп кварцу, що визначаютъ характер протаання процеав перерозподшу ioHiB-компенсатор1в у кварщ. Тут приводяться загальш вщомосп про кварц, описуегься ного крисгашчна структура, анал^зуютъся результата теоретичних po3paxynKiB властивостей дефекта крнстшпчно! структур и кварцу, особлнвосп фазового а->р переходу в кварщ, описуються основш парамапптш центри в кварщ.

В друпй maai вивчаються особливосл взаемодп кварцу з р1зними видами випромшень. В нШ приводиться загальна характеристика взаемодп заряджених частинок, нейтрошв та гамма-випромшення з речовиною та анал1зуються процеси, що протисають у кварщ при лабораторному опромшенш.

Тут приведено розрахован} автором залежиосп перегину захоплення фотоефекту i ефекту Комптона вщ енергп фотона, гоггомих втрат eHeprii внсокоенергетичного електроиа на юшзацно i випромшення та його довжини npo6iry у кварщ вщ його кшетично! енерп!, i проанал1зооано отримаш результата. Зокрема вщзначаеться, що довжина npo6iry електрона становить 4 мкм для eneprii елехтрона 20 кеВ

i 4 см для енерги 20 МеВ. На прошхку траектори, равному середшй вщсташ »еж атомами хисню i кремнио у кварщ, високоенсргстичний сяектрон втрачае доопъ енерги, щоб створити ележтронио-доркову пару.

В трстт^ |7тцу{ описано дослщжеяня дозових залежностей парамагштннх uempie у кварщ. Найбшьш поширеним у кварщ с [AIO4]0 центр. Його концентрация сягае найбшьпшх значень, вш зусщичаеться як у природних так i в синтетнчних зразках. В обласп маяих доз його штенсившстъ визначасться особливосгями процеав захоплення електрошв i дарок цим центром та шшвми паспсами. На рнс. 1 представлено дозов! залежносп вщпалених синтетичного (1(1)), та природних зразнв (2 i 3) та вихщного синтетичного зразка. Загальна похибка втарювань в цьому експерименп, та наступних, якщо не зазаачено шитого, piena 15%. Опромшення проводилось на кобальтовШ гармап (13отоп Со60, енерпя кванту 1.2S МеВ, потужшсгь дози 0.1 Гр/с).

На рнс. 2 зображено процеси генераци та захоплення електротв i трок, що генеруються радаацШним опрогааеаняи. Цифрами позначено: 1 - процес генераци електрошв i дарок поромшенням, 2 - захоплення дарок парамагнпчим алюмгаевим центром, 3 - захоплення електрошв яепарамагштним алюмшевим центром, 4 - захоплення електрошв пасткою. На початку опромшення концентраадя [А10«]° центр1в набагато менша за концевпрацио центров у непарамапптному стань В вщпалених зразках доишукпъ процеси захоплеяш ярок непарамагштним алюмшевим центром i електрошв електронною пасткою. В межах такого наближення концентращя [АЮчР центр1в виявляеться равною концентрацц дрок, геяерованих опромшенням i не залежить вщ концентрацц домппох А1. Це справедливо для зразйв 1(1), 2, 3 на рис. 1 при дозах опромшення до ISO Гр. В нсвщпалених зразках електрони i основному захошпоються [AIO4]0 центром, що приводить до зменшенш болькосп [AIO4]0 центр1в. При бшьших дозах опромшення зростае вклад повторнкх захоплень електрона i юна-компенсатора [АЮ*]0 центром При цьому зростання швидкосп руху юшв-компенсатор1в з росток потужносп дози опромшення обумовлюе залежшсть дозових крнвж [АЮ<]° центру вщ потужносп дози опромшення.

Встановлено, що виглад дозових залежностей [Ge04/Li+]° [ГЮч/1л+]° центров снзначаеться рухом юшв-компенсатор1в д< дошшкових GeO« i ТЮ4 тетраеяр1в. Сумарна концеетращя домппок Ge Ti менша за концентраций юшв-компенсатор1в щовайменше на дш порядки. Тому можна припустит, що в перпи хвилини опромшаш звшьнясгься досить багато 10нш-компенсатор1в, щоб перевести вс домшки Ge i Ti в парамагнггннй стан [ОеОЛг^]0 i [TiCV/Li4]0 вщповаднс

Рис. 1. Залежшсть штенсивносп [АЮ4]0 центру I вщ дози опромшення Б.

р сг~ СТ"

1 2 т 4 3

Ь ег-'

Рис. 2. Генеращя радаащйним опромшенням 1 процеси захоплення еяеятрошв 1 дарох у кварц}.

Звщси сщцуе, що час руху ютв-компенсатор!в можна вважати р!вним часу опромшення. В цьому pa3i ймов1ршсгь захоплення одного юна-компенсатора за одиничний промжок часу буде пропорцшна швидкосп його руху та кшькосп Ge04 i Ti04 тетраедр1в, axi зустршися йому при ного перемиценш б какая. Оспшня величина пропорщйна часу руху юна-компенсатора i концснтрацй GeOj i Ti04 гетра едр1в. Таким чином, швидисть захоплення iohIb-ko мпенсатор1в GeO^ чи ТЮ4 тетраедрами пропорцшна добупсу концентраци юшв-компенсаторш на концентрацио Ge04 чи Ti04 тетраедр1в, а також на швидюсть ¡х руху i час опромшення.

Таким процес можна описати вщповщним диференцшним р1внянням, розв'язок якого мае вигляд:

N3 = N;-Cl-rap(-Mtl)i (2)

де N3 - концентрация [Ge04/Li+]0 QTiOVLi*]9) neinpis, N3° - загальна концентращя доыипкового Ge (Ti), С1-деяка постШна, M=s-v-Ni, s -коефиценг, що характернзуе ймов1ршсть процесу захоплення юна-коипенсатора [GtQ4Li*f ([TiG^/Li+J0), v - швндюсгь руху юна-компенсатора при опромшенш зразка, Ni - концентращя ioniB-компенсатор^в, яка е сталою величиною в ашу прлпущень,. Дозову заленсшсгь штеисивносп [GeCVLi*]0 центру вщ дози опромшення представлено на рис. 3. Yi було отримано при опромшенш природного зразку кварцу на ренгешвському даерел! Трихутшпсами позначено результата експгрименгу, неперервна лшя (крива 1) - результат розрахунгаз. Отримаш крива добре погодауються з результатами ei;cri грикег ггу.

Дозсш залеяаюсп Ei" центру вшначаються дзома процесами: зохопленшш еяскгоола Ei° центром i послщуюче захоплення ще одного еле. .ттхша i гона-коыпеасатора (еиснозок яро захоплення юна* KOJsscucsw^a zpo&zeao на ornosi шшзу криын ¡зотершчного Елдкзлшкя Е:,' г.г:ггру). Такий процес ио^яа ожсзта шгегральним р&шига<1, pitzssuz ¡жого зш&одшшсь хс дэаомогою спещалько •рвзроблгдю! иеходазж. JIU, дозамх гшостей в вЗдваяевому

природному граз»с пргягшшаю ia jars. 3. Зэтслги» полаЗжавиьирювань в «?.сиу c;ei;cpnKiini була ршш 25%, Зг«щэ:г булэ опрошнено па psxra&e^ony дг^ггл. Точка вЬдев&здл гсгагрйнжптьпш дашш, - результатам psspaxj^ads. На кглэтшсу

rq&r.iTaaue-iO £.ягег.;г;;г4Йсть Ei' цстсу ¡С«:? (зразо:: було

33 д!б r;ic<: пря кшнатаШ

тегиерглгр!), г. «зггадужчого кратка при ЗСЭ "С на

О 60 120

Рис. 3. Залежшсть штелсивносг) сигналу БПР I вщ [ОеО«/1Л+]" центру (1), та Е|' центру шсля опромшекия (2) та пошдуючого вщпалення (3) тд часу опромшення I.

протяз115 хв (вщповщно крив1 213). Шсля такого вщпалеиня Е1" центрн втрачають другой електрон 1 юн-компенсатор. В третш глав1 також представлено математичну модель, що дозволяе отрнматн дозов1 залежносп Е1' центру в опромшеному 1 вщпаленому зразках. Результата модетовання представлено на рис. 3 кривими 213.

В четвертШ глав1 дослщжуклъся температурно епшульований перерозподш юшв-компеясатор1в у кварць Результата 1зотерм1чного вщпалення [АЮ4]0 центру представлено на рис. 4. точки вщповщають ехсперимеитальним даниим, крив1 с результат теорегачних розрахушав. Крив1 !зотерм1чного вщпалення можна роздшити на дифузШну \ кшетичну обласп. В дифузШнШ обласп (Т<270 °С) хщ кривих 1зотерм1чного вщпалення визначасться рухом шшв-компенсатор1в до [АЮ4]0 центру. Кут нахилу дотично! до криво! ¡зотерм^чного вщпалення [АЮ4]0 центру в цШ области наблнкуеться до 0, якщо час вщпалення прямуе до 0. Це е характерною ознакою дифузйно! обласп. В кшетячгай обласп (Т>270 °С) процес переходу алюмш1евого центру в непарам агштний стан визначасться звшьненням юи!в-хомпенсатор1в з глибоких пасток. Кут нахилу дотачно! до криво! 1зотерм1чного вщпалення в цШ обласп максииальиий, якщо час вщпалення прямуе до 0, як I в класичношй юнегацк

В дифузШшй обласп хшетака вщпалення [АЮ4]0 центру може бути описана там же диференщйним р^внянням, що й дозов1 залежносп гермашевого центру. Крива 1зотерм1чного вщпалення в цьому раз! може бута представлена формулою:

де N1 - концешраци [АЮ4]0 цектр1в, N1° - загальна концентращя [АЮ4]0 центров, Ыб - концешращя ютв-хомпенсатхдов, що можуть досягги алюмшпевого центру, С - деяха змшна, Ь - величина пропорцШна ймов1ршсп процесу,. В кшетичшй обласп шввднегь зменшення хонцетрацй [АЮ4]0 центру пропорцШна добутку його концентрацц на концентрацда ¡ошв-компенсатор1в> що захоплюються. Криву Ьотерм1чного вщпалення в щй обласп можна представити р1вняиням:

(3)

280 "С

295 "С

0 60 120 Рис. 4. Крив! ¡зотеркичного вадпалення [ АЮч]0 центру в кварщ. I

150 °С

0.5

180°С

^ —.—* 230 °С

250"С

0 240 480

Рис. 5. Крив1 ¡зотерК!чного вщпалення СОг- центру в . пдрсйссилапаптп емал! зубш.

де С - деяка змшна, yi - коефпоенг, пропорцШний ймсшртсп процесу звшьнення юна-компенсатора з пастки. Формула (3) i (4) добре описують експериментальш дат, яюцо покласга C=N6/Ni°, що слщуе з початково! умови Ni(0)=Ni°.

В четвертш глав! показано, щр втрата вакашяею кисню другого електрона супроводжусгься втратою юна-компенсатора. При температурах в шгервал1 200 - 270 °С швидюсгь руху юшв-компенсаторю мала, крш того штенсивт сигнала люмшесценси свщчать про наявшсть електрошв i дарок. Тому створюються необзцдш умови для повторних захоплень електрошв i юшв-компенсатор1в вакансиями кисню. В свою черту це впливае на виг ляд вщповадних кривих i3orepMÍ4Horo вадпалення. На них можна видшити abí дшянки. На пернпй дшянщ вакансц кисню (i HMOBipHO imni дефекта, що не даютъ сигнали ЕПР) швидко втрачають юни-компенсатори i електрони до тих nip поки ймов1ршстъ повторного захопления юна-компенсатора не стане piBHa ймов1риосп його втрати. Цш дшянщ вщповщае швидкий pier концентраци Ei' центр1в на кривш 1зотерм1чного вщпалення. Попм часгана юшв-компенсатор1в досягас алюмшевого центру (чи шших центров захопления) i таким чином уже не може бути повторно захоплена ваканаею кисню. Це приводить до вщносно повшьно1 втрата юшв-компенсатор^в ваканелями кисню i до повшьного зростання концентраци Ei' цетрш на експериментальшп кривих. Чим менша рухлив1стъ юна-компенсатора там леппе видшити указаш дшянки на експериментальних кривих. В цШ пкш представлено емшричну модель, що описуе щ процеси.

Модели розроблеш в межах ща робота можна застосовувати для анашу температурных i дозових залежностей парамапитних центр ¡в в матер1алах, що використовуються в регроспективнШ дозиметр!!. Найбшьш перспективними серед них е кварц i пдроксилапатит емаш 3y6iB. При опромшенш в осганньому виникають штенсивш сигнали вщ центру СОг", що лшшно зростають з ростом дози опромшення. На рнс. 5 представлено кршй Ьотермпчного вщпалення цього центру. Як видно з мапюнка вони представляютъ собою експоненщйш крив!, що прямують до píbhh, що зменшуеться з ростом температури. Яюцо прийняти до уваги сказане вщце про температурю i дозов1 залежиосп парамагштних центр1в у кварщ, то щ Kpsmi можна поясииги захоплениям дарки парамагштним центром СОг. Асимлтотичне значения, до якого прямуе крива 13отерм1чного вщпалення визначасться концентращею пасток, що втрачають дорки при температур]' вщпалення.

3 сказаного вище про дозов1 залежносп i температурш властвосп парамагштних цешрш у кварщ слщуе, що bíh е зручним моделышм

об'ектом для вивчення г^пдацШко i тервячно стимульованого руху iome,

молекул, та радикашв в рйних Marepianax. Метод ЕПР е

иайефективнштм методом для таких досшджень а часто й единим

методом, що дозаяоляе отримати необхщну тформацпо.

Основт результата та висновхи

1. При дозах опромшення, що не перевищуютъ илька сот грей, дозова залежшсть [АЮ*]0 центру вязначаегься процесами захоплення i рекомбшавд! елехтротв i дорок. Яйцо у зразку кварцу е достатня кшыасть пастох елехтрошв, то дозова залежшсть алюшшевого центру е пряма липя, при дозах менших за приблизно 150 Гр, i ii нахил практично не залежить вщ концеитрацц домшпсових А104 тетраедр1в.

2. Здатшсть ютв-компенсатор!в накопичуватися в каналах кварцу i мала птвдюсть ix руху обумоште да! фундаментальш особливосп процесу к звшьнення з алюьяшевях центрia: зростания штенсивносп [АЮ4]0 центру з ростом потузхносп дози опромшення i домшуванням процеав повторного захоплення [АЮл]° центрами при великих дозах опромшення.

3. Остановлено, що хщ цих дозових залешгостей [GeO^/Li+p центру Еизначаегься рухом югав-компенсатор1в в каналах кварцу пщ даего опромшення.

4. Показано, що дозов1 залежносп Ei' центру в зразках старцу, що шстять незараджеш вакансй кнсню, визначаються двома процесами: захопленяям еяектрона Ei° центром (дозова залежшсть в зразку, вщпалеяому при 300 °С) i захопленням ще одного елехтрона i iona-компенсатора (дозова залешасть у вихщному зразку).

5. Показано, що icpnsi ¡зотерм1чного вщпалення [AIO4]0 центру моста роздшшн на дв1 области дифуз1нну, де швидоасть процесу визиачаегься рухом 1о:пп-компенсатор1з а каналах кварцу i кшетичиу, де швидюсть зменшення концешрацп [AIO«]0 центров визнзчгеться ззшьненням шшв-хоштенсатор!в з глнбо:шх пастох.

6. Kpirai Ьотермгшого вщпалешхя Ei' центру в «ггергал! температур 200 -270 "С эшначакяъся звшънениям з msi юшл-жош1енсатор1в i пзсгуяшш fx рухом до алздвдшевого центру та ¡глпих пасток. У Ежтакому температурному штекш суггезу рс;п» грають повтори захоплення юшз-хошклсаторЬ i елехтротв пзрамагатшш ЕГ центром.

7. Розроблено емшрпчп! модезЛ ;г.о опасуялъ петли ст вище ефекга. Показано, що вони таяояс конуга бута гвстссссяга для анагазу термосгамульованпх прсцссЬ з пгроксилапзтягп сзуба, таЬсхэтх

матер1ашв бюлопчного походження. Осильки зарядовой стан дошшок i дефекта структура може суттево впливати на макроскошчш вл асгавосп мащналу, то щ модеш можугь бути викорнсгаш для аналЬу criSxocri кварцу та ¿нших uaTepiame до вшшву високих температур.

OCHOBHIРЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦП ОПУБЛ1КОВАН1В РОБОТАХ:

1.Брик А.Б., В Л.Дсто да, Ю.А.Маразуев, М.И.Самойловнч, О.И. Щербина. О механизме образования туннельных парамагнитных А1 - О-центров в кварце по данным ЭПР. // ФТТ.-1995,- Т.37, № 1С.107-114.

2. Брик О.Б., Дегода В Л., Маразуев Ю.А., Щербина O.I. Перезарядка i тершчне руйнування парамагштних центрie у кристалах а-кварцу.// УФЖ. - 1995.- Т. 40, ЯЬ 8.- С. 880-882.

3.Брик О.Б., Дегода ВЛ., Маразуев Ю.А., Щербина O.I. Чушшсть крисгатв а-кварцу до радюактивного опромшення за ланями ЕПР [AIO4]0 центр!вУ/ УФЖ.-1995,- Т. 40, J* 8.- С. 876-879.

4. Брик А.Б., Дегода В Л., Маразуев Ю.А., Радчук В.В., Щербина О.И. О реконструкции дозовых нагрузок кварца с помощью реттенолюминесценсии. // Мин. журнал.-1995.- Т.17, № 3.- С. 31-35.

5. Brik A., Radchuk V., Shcherbina О., Matyash М., Gaver О. Metabolism in Tooth Enamel and Reliability of Retrospective EPR Dosimetry connected with Chernobyl Accident.// Proceedings of the First International Conference "The radiological consequences of the Chernobyl accident".-Minsk.-1996.- P. 1055-1058.

6. Wieser A., Shcherbina O., at all. International intercomparison of dose measurements using EPR spectrometry of tooth enamel. // Proceedings of the First International Conference "The radiological consequences of the Chernobyl accident".- Minsk.-1996,- P. 957-963.

7. Brik A., Radchuk V„ Scherbina O., Matyash M., and Gaver O. Metamorphic Modifications and EPR Dosimetry in Tooth Enamel. //Appl. Radiat. Isot.-1996.- Vol. 47, Jfe 11/12.- P. 1317-1319.

8. Брик А.Б., Дегода В Л., Маразуев Ю.А., Радчук ВЛ., Саду ев Н.Б.,

* Щербина О.И. О дозовых нагрузках кварца из зоны аварии на ЧАЕС.

// Тез. докл. международной кайф. "Радиоспектроскопические методы исследований в физике, химии, биологии и медицине".- Киев.- 1993,-С.45.

9. Brik A., Scherbina О. Spin Polarization of Tunneling Paramagnetic in Quartz by Means of Electric Fidd. // Extended abstracts of the XXVII Congress AMPERE "Magnetic resonance and related fenomena". -Kazan. 1994.- V.I.- P.286.

10.Brik A., Scherbina O., Marazuev Yu., Radchuk V. Experimental investigation of the e-Tjcts of generation by temperature and destroy by irradiation of paramagnetic centers in minerals. II Abstracts of 4-th International Symposium on ESR Dosimetry and Application. Munich.-1994.-P. 211.

11. Marazuev Yu., Brik A„ Degoda V., Scherbina O. EPR and TSL investigations of radiation defects in quartz at dose reconstraction. // Abstracts of 4-th International Symposium on ESR Dosimetry and Application. Munich.-1994,- P. 230.

12. Brik A., Radchuk V., Scherbina O. Methamorphic modification and EPR dosimetry in tooth enamel. // Abstracts of 4-th International Symposium on ESR Dosimetry and Application. Munich.-1994,- P. 199.

13.Brik A., Radchuk V., Degoda V., Marazuev Yu., Shcherbina O. About dose loading of quartz from Chernobyl accident zone. // Abstracts of International Symposium "Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation". -Tallin.-1994.- P.24.

14.Брик А.Б., О.И.Щербина, Ю.А.Маразуев. Радиационные и мапгатоелектричесхие характеристики алюминиевых центров в кварце. // Тез. докл. II международной конф. "Реальная структура н свойства ацентричных кристаллов".- Александров.-1995. - С.71-73.

15.Брик А.Б., Радчук В.В., Матяш М.И., Щербина О.И., Гавер О.М. Структура и радиационные характеристики биоминералов, используемых в ретроспективной ЕПР дозиметрии. II Расширенные тезисы докладов II Международного семинара "Минералогия и жизнь: Биоминеральные взаимодействия".- Сыктывкар. -1996.- С. 36-37.

16.Brik A., Shcherbina О. EPR investigation of tunnel magnetoelectric effects in paramagnets. //Third European Meeting "Spectroscopic Methods in Mineralogy".- Kiev.-1996. - P. 18.

17.Matyash M., Brik A., Shcherbina O., Voloskyi V. The studying of characteristics of radiation centers in calcite biominerals by means of EPR method. //Third European Meeting "Spectroscopic Methods in Mineralogy".- Kiev. -1996.- P. 28.

18.Scherbina O., Brik A. Thermally stimulated moving of ion-compensator in irradiated quartz. //Third European Meeting "Spectroscopic Methods in Mineralogy".- Kiev.-1996.- P. 35.

19. Брик А.Б., Щербина О.И. Минералы биологического происхождения: характеристика карбонатных групп п механизмы их изменения при нагрезанин образцов. // Материалы к Международному ывнерапогочзехому семинару "Структура и эволюция генерального мира".- Сыктывкар.-1997. -С. 14-16.

20.Щербина О.И. О роли ионов-компенсаторов в образовании парамагнитных германиевого и титанового центров в кварце. II Материалы к Международному минералогическому семинару "Структура и эволюция минерального мира". -Сыктывкар. -1997,-С.95-96.

21.Щербина О.И. О механизме изотермического распада ЕГ кзнтра в кварце. // Материалы к Международному минералогическому семинару "Структура и эволюция минерального мира". -Сыктывкар. -1997.-С. 96.

АНОТАЦ1Я

Щербина О.1. Радаащйно 1 терм^чно стимульований перерозподш юшв-компенсатор1в у кварщ.-Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук по спещальносп 01.04.07 - ф1зика твердого тша.-1нститут проблем матер1алознавства ¡м. 1.М. Францевича, Кшв, 1997.

Захищасгься 21 наукова робота, яка мкггить результата експериментальних 1 теоретнчних дослщжень перерозподшу юшв-компенсатор^в м1ж дефектами крисгал1ЧН01 структури кварцу. Вивчено особливосп дозових залежностей 1 кривих 1зотерм1чного вщпалення алюмшквого, гермашевого 1 Е1' центров у кварщ, обумовлеш перерозподшом юшв-компенсатор1в. Побудовано емшричш модели що описують вказаш особливосп, розроблено методики визначення 1х парамегр1в по експериментальним даним. Результата дослщжень можутъ бути викорисгаш для удосконалення методик ретроспективно1 дозиметра, анал1зу процеав деградацп промислових вироб1в з кварцу пщ дцоо oпpoмiнeння \ високих температур, для дослщження матер1ашв, що використовуються в ретроспективнш дознметри.

Ключов1 слова: кварц, юни-компенсатори, дозов1 залежносп, крив1 ¡зотерм1чного вщпалення, емгаричш модели

АННОТАЦИЯ

Щербина О.И. Радиационно и термически стимулированное перераспредаление ионов-компенсаторов в кварце.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04.07 - физика твердого тела.-Инстатут проблем материалознавсгва им. И.Н. Францевича, Киев, 1997.

Защищается 21 научная работа, которая содержат результаты експеримеитальных и теоретических исследований перераспределения ионов-компенсаторов между дефектами кристаллической структуры кварца. Исследованы особенности дозовых зависимостей и температурных свойств алюминиевого, германиевого, титанового и Ei* центров в кварце, обусловленные перераспределением ионов-компенсаторов. Построены эмпирические модели, описывающие указанные особенности, определены методики определения их параматров по експериментальным данным. Результаты исследований могут быть использованы для усовершенствования методик ретроспективной дозиметрии, анализа процесов деградации промышленных изделий из кварца под действием облучения и высоких температур, для иследовання других материалов, используемых в ретроспективной дозиметрии.

Ключевые слова: кварц, ионы-компенсаторы, дозовые зависимости, кривые изотермического отжига, эмпирические модели.

SUMMARY

Shcherbina O.I. Radiation and thermally stimulated redistribution of ion-compensators in quartz.-Manuskript.

The physics and mathematics candidate of sciences thesis on speciality 01. 04. 07 - Solid State Physics, I. Frantsevich Institute for Material Sciences, National Academy of Sciences, Ukraine, Kiev, 1997.

21 papers are defended, which contain a experimental and theoretical investigation of the ion-compensators' redistribution between lattice defects of quartz. Special features of dose curves and isothermal anneal curves of the aluminium, titanium, germanium and ЕГ centres in quartz are investigated. We have develop empirical models, which describe these special features, and techniques for determination of the models' parameters, which correspond to experimental data. Results of this thesis may be used for improving of the retrospective dosimetry techniques, analysis of radiation and high temperature degradation of a quartz industrial products, investigation other materials, used for retrospective dosimetry.

Key words: quartz, ion-compensators, dose curves, isothennal anneal curves, empirical models.