Роль разупорядоченности структуры кварцевого стекла в радиационном дефектообразовании тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од 1 9 НОЯ 1993

ОРДЕНА ДРУНБИ НАРОДОВ АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИБСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ИСЛАМОВ АХАТКУЛ ХАШОВИЧ

УДК 539.2:(535.34 + 535.37)

РОЛЬ РАЗУП0РЯД0ЧЕНН0С7И СТРУКТУРЫ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА В РАДИАЦИОННОМ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИИ

01.04.0?.- физики твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ - 1993 Г.

Работа выполнена в Институте ядерной физики АН РУз

Научные руководителе чден-коор. АЕ РУз, доктор физ.мат.наук,

профессор ШИДОВ Я. А.

• кандидат физико-математических наук НУРИТДШЮВ II.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических каук,

профессор ЗАЙЮБИДИНОВ С.З.

доктор физико-математических наук ЭМ В. Т.

Ведущая организация: Институт физики АН Республики

Кыргызстан г.Бишкек.

Защита состоится; 19ЭЗ г. в/^ часов на

заседании специализированного совета Л 015.15.21 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Институте ядерной физики АН РУз. по адресу: 702132, Ташкент,Иирзо Улугбекский район, пос.Улугбек.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Иститута ядерной физики АН РУз.

Автореферат разослан (■Р 1993 г.

Ученый секретарь . - V7 ^

у д—я / ^)

специализированного совета» ^ ^¿11

доктор физ-мат.наук, профессор '1 ИСЕАТОВ Е-И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Благодаря совокупности ценных вашко-хкмя-ческих свойств кварцевое стекло находит широкое применение в самих различных областях современной науки и техники. Кварцевое стекло и изделия на его основе успеано используются в оптическом п рибо рос т роен к и,для изготовления световодов и оболочек источников высокоинтенсивяого света, слузгацих для накачки твердотельных лазерных систем, я т.д. В связи с- интенсивным развитием атомной энергетики, космической техники, оптических кеянтоеых .енераторов и волоконной оптики возникла необходимость создания материалов, обеспечивающих наденну» работу приборов в различных условиях. В связи с этим необходима разработка методов прогноза поведения приборов и устройств на основе промышленного ква.девого стекла, работающих при воздействии ионизирующего и мощного ультрафиолетового (УФ) излучения.

Следует обметить, что поиск и разработка радиационно-стойких материалов должны опираться на ясное понимание механизмов создания радиационных дефектов. Решение зтой проблемы требует фундаментальных исследований физических процессов в кварцевом стекле при воздействии мощного ионизирующего и интенсивное УФ-излучения. Поскольку при таких воздействиях в матрице твердого тела роадается большое разнообразие электронных возбуждений (ЗВ), это определяет значите, .ный рост интереса в последние годи к изучению процессов в твердых телах с их уч-отием. Это обусловлено тем, что ЗВ играют значительную роль в протекании, таких радкационно-сти-иулирсванных процессов, как передача энергии, перенос заряда, дефектообразование и т. д. Например, в ЩГК распад низкоэнергиги-ческих электронных возбуждений юкситоны, электроны и дырки) происходит не только излучательно, но такге безнзлучательно с рождением дефектов структуры,что служит одни* из каналов де$ек-тообразования наряду с упругим снесение, атомов.

Хотя существование различных электронных возбуждений в кварцевом стекле надеагко установлено, однако такие вопросы как область свечения автолокализованного экситона (АЛЭ), участие ЗВ е радиационном дефектообразовании изучены недостаточно. Поэтому изучение реализации механизма генерации дефектов структура в кварцевом стекле за счет ЭВ является актуальная. В этом направлении исследование радиационно- стимулированного свечения, преобразования энергии излучения,выяснение влияния активаторных цен-

трое на дефектообразование представляет интерес для понимания изменения тех или иных характерист-к кварцевых стекая б радиа цвонных полях, что позволяет выявлять условия получения радиа ционко-стойкйк и радиационго-чуствителышх материалов.

Изучение радиационно-стимулироаанкых явлений, протекающих ь кварцевых стеюах,отлнчающихся степенью разупорядоченности структуры, вносимой различными способами (высокотемпературной обработкой, механическим растягивание« и т. д.), совместно с вариацией типа,энергии,интенсивности радиации и температуры облучения,могу! давать ценную ин<$ориацив о механизме радиационного дефектообразо-ванкя.

Выаеперечесленные вопросы определили цель настоящих исследований:

1.Установление области свечения АЛЭ в кварцевом стекле при возбуждении ионизирующей радиацией.

2.Определение механизма дефектообразованяя, происходящего в кварцевом стекле при облучении у- и УФ-излучениями.

3,Оценка влияния степени неупорядоченности структуры "тварцеьых стекол на эффективность дефектооОразованкя при у-облучении.

4.Идентификация некоторых радиационко-наведеннкх дефектных центров в кварцевом стекле.

Для достижения поставленной цели требовалось реаение следукд-лх конкретных задач:

1.Л1ля идентификации собственного свечения я механизма его воз-Сукдения провести исследование гаима -и <5стол»минесценции в интервале температур ЧУ-гбОО К необлученных и предварительно облученных г-лучами и нейтронами моноблоков различных типов кварцевых стекол и вытянутых из них трубок.

2.Для определения характера радиационного дефектообразозания в различных типах кварцевого стекла изучить дозные зависимости накопления основных типов структурных дефектов (вакансий кислорода, Е* -центров и неместиковых атомов кислорода) . дмнесцентными, абсорбционными и ЭПР-иетодами.

•^.Исследование радиационио-стимулироьаииых дефектов при облучении кварцевого стекла У"~ свечение« плазмы ксенснового разряда для выявления механизма образования дефектов структуры.

4. Сравнительное исследование дозных заг-'синосте»! накопления радиационных дефектов в номинально-чистых стеклах,а также в стеклах, легированных редксзеиелькаии примесями, с цель» установления возможности преобразования энергии электронных возбуждений в

излучение и уменьшения вероятности подпорогового дефектообразо-вания.

Научная новизна;

1.Идентифицирована область свечения автолокализованного эксн-тона в кварцевом стекле.

2.Впервые достоверно установлен механизм подпорогового образования радиационных дефектов в кварцевых стеклах, связанный с безызлучательнкм распадом автолокализованинх экситонов.

3.Впервые показано, что эффективность подавления радиационного дефектообразования с участием ЭВ примесями редкоземельных элементов впрямую зависит от эффективности преобразования энергии ЗВ в люминесценцию каждой из примесей (Sb3+ или Се3+).

4.Экспериментально показано, что дефектность структуры кварцевого стекла приводит к повышению эфектиЕности подпорогового дефектообразования.

Б.Идектиф :ированы центру свечения, связанные с дефектом типа трехкоординированного кремния (sSi4+) и с комплексным дефектом, включающим примесь водорода (=Si—Ой .....'О—Sie).

Практическая значимость:

1.Результаты, полученные при выполнении настоящей Daбоги, значительно расширяют понимание механизмов радиационного дефекто-образовакия и природы различных радиационно-стимулированных явлений в кЕарцезоы ere ле и могут быть использованы специалистами, занимающимися как практическим пр: енением, так и исследованием этого материала.

2. Закономерности влияния степени несовершенства структуры на радиационное дефектообразовакке,установленные в кварцевом стекле, могут быть полезными для понимания радиационных процессов, протекающих и в других неупорядоченных системах.

3.Реализация возмозности преобразования энергии электронных возбуждений в излучение введением сильг-ипоминесцирукчих примесей позволяет увеличивать стойкость кварцевых стекол к воздействию ти УФ- излучения.

На защиту выносятся слелуаие положения:

1.Вывод о том, что автолокализованяне зкситоиы в кварцевом стекле люминесцируют в области 495 им (2,50 эВ), полоса люминесценции с максимумом 455 нм (2,65 эВ) обусловлена трехкоордини-роБанныма атомами кремния,а свечение с максимумом 550 нм(2,25 эВ) связано с комплексным дефектом, включаюаим б свой состав примесь

водорода.

2.Основным механизмом радиационного дефектообразозания в кварцевой стекле при облучении у- и . 3-излученияш является безызлу-чатедькый распад автолокалкзованных якснтонов на структурные дефекта.

3.Введение сильнолшинесцирукацих редкоземельных прикесей(Зя)3+, Се3+), поглоцащих энергию электронных возбуждений, приводит к тому, что вероятность безналучательного распада последних на дефекты уменьшается с увеличением эффективности преобразования примесями энергии ЭВ в излучение.

4.Увеличение степени деформации структуры стекла и количества разорванных связей приводит к облегчений подпорогового дефект^ образования под действием "f-радиацки.

Публикации. Натериалы диссертационной работы опубликованы в 9 научных статьях и тезисах докладов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

Î.Ha научно-технической конференции пс материалоседению в атомной технике (Свердловсх, 1988 г.)

2-Ка VI Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии исннах кристаллов (Рига, 1986 г.)

3.На V Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Тазкент, 1589 г.)

4.На II Республиканской конференции по физике твердого тела (Оы, 1989 г.)

5.На VII Всесоюзном симпозиуме по оптическим и спектральным свойствам стекол (Ленинград, 1989 г.)

6.На I Республиканской конференции молодых ученых и преподавателей физики (Фрукзе, 1990 г.)

7.lia I Региональной конференции республик Средней Азии и Казахстана по радиационной физике твердого тела(Сама ркакд,1ЭЗ1г.)

Обгем и структура диссертационной работы: Дг сертяция состоит из введения, 4 глав,заключения и содержит 120 страниц,в том числе о- рисунков и библиографии, насчитывающей 123 наименований.

СОДЕРЗЕКИЕ РАБОТЫ.

В первой главе проведен литературной обзор работ, посвященных изучению электронных возбухдений и повреждению структура кварце-

аого стекла при воздействии различных видов радиации. Экспериментальными исследованиями фотопроводимости при зозбукдении в области фундаментального поглощения, а такле спектров отражения установлена возможность автслокализации зкситонов з кварцевом стекле. Однако излучателькому распаду АЛЭ приписываются разные полосы свечения и различные толкования образования самого АЛЗ рекомбина-ционным путем. Кроме того, недостаточно выяснена роль примесных центров в излучательной и безызлучательной релаксации ЭВ.

Анализ литературных данных, посвященных -исследованию радиационного де^ектообразсваняя з массивных блоках из кварцевого стекла и изготовленных из них коикренткых изделий: оптического волокна к оболочек источников высокоинтеисинного света, дает основание предполагать, что несовершенство структуры кварцевого стекла влияет на эффективность генерации дефектен структуры при безызлучатедьном рзспаде ЭВ. Исходя из вышеприведенных соображений в конце первой главы сформулирована цель и определены задачи работы.

Во второй главе даны характеристики исследованных образцов и методика экспериментов.

Исследованы образцы, полученные из промышленных моноблоков кварцевого стекла вакуумного наплава (I) и газового наплава (II), а такзе особо чистого (ССЧ) кварцевого стекла. Исследованы также вытянутые из промыэленкых моноблоков кварцевые трубки, полученные по одно- а двухстад. .¡ной технологии методами злектрсиаплава в вакууме, в атмосфере водорода, а т^кае газового наплава.

Для решения поставленных задач исследовались кварцевые стеклах с различной степенью несовершенства структуры,котороя варьировалась путем вытягивания трубок из моноблоков, изменения скорости вытягивания, высокотемпературной обработки с последующей закалкой,а такзе медленным охлаждением. В назем случае скорость вытягивания труб из одной стекломассы дости ш 0,и4, 0,05 и 0,06 м/с. Термообработка образцов провод, лась в течение 2 ч при 1000 и 1200° С. Закалка образцов из моноблоков достигалась путем резкого (~104 град/ч) охлаждения а трансформаторном масле. Для частичного улучшения структуры трубок использовалось медленное (15 а 25 град/ч) их охлаждение до хомпагь'сй температуры. Изменение дефектности структуры кварцевого стекла тагае достигалось предварительным облучением его протоками и сс-частицами.

Для проведения исследований образцы облучались нейтронами на вертикальном канале реактора ВВР-СН ИЧ<> АН РУз потоками 5,6- Юп

н/см2-с и флюенсами от 101Т до 1019н/си2. Облучение образцов разными фпоенсами прогонов (Ер=18 Я-эВ) и а-частиц (Ед~13 НэВ) проводилось на циклотроне У-150. Об"учение гамиа-лучами проводилось на гамма установке ¡Ш АН РУа при мощности дозы (1,2*4) • 103р/с дозами от 10г до 109 Гр. ■ 'Сроме вышеуказанных видов радиации кварцевые оболочки в процессы работе газоразрядной лампы подвергаюсь воздействию плазмы ксеионового разряда.

Исследование спектров оптического поглощения (СП) в диапазоне длин волн 200*900 нм проводилось на спектрофотометрах EPS-3K Япония) и Specord М-40 {ГДР), спектров инфракрасного поглощения (ИК) 5 интервале 2000*5000 см"1- на спектрофотометре UP-20 (ГДР).Спектры парамагнитного поглощения (ЭЯР) регистрировались на радиоспектрометре РЭ-1306.

Для измерения спектров гаммалюминесценции (Fi) в области температур 77*300 К использовалась установка, собранная на базе спектрального прибора 5РМ-2 (ГЛР). Спектры фотолюминесценции (<Ш и оптического возбуждения записывались на установке, собранной на базе спектрсфшгариметра ИРР-2А (Япония) и дополнительной приставке, включавшей спектральные приборы SPM-2 и ЛГИ-21

В третьей главе приводятся результата исследований собственного рексмбинацаонного свечения и механизма радиационного дефектообразовании в кварцевых стеклах.

Исследование П-в интервале температур 774300 к неполученных и облученных разными дозами f-лучей и фа-сенсами нейтронов образцов показало, что при. температуре 77 К в спектрах всех необлученных образцов преобладает полоса люминесценции с максимумом в области 4Э5 ям. Интенсивность ее зависят от чистоты образца. Так если а особо чистых образцах ее интенсивность максимальна, тс с ростом концентрации примесей в образцах интенсивность полосы 495 нм • уменьшается. Повышение температуры до 140 К приводи? к сильному уменьпенив ее интенсивности, при этой в спектре ГЛ проявляется и растет по интенсивности полоса свечения с ml .симумом 465 ну. В температурном интервале 140-240 К интенсивность ее не меняется, после чего наблюдается ее уменление. С ростом дозы предварительного f-оодучения, флюс. са нейтронов и протонов наблюдается возрастание интенсивности полосы 4€5 нм.з то же время происходит сильное уменьпение свечения в области 495 v . При зтом с области 240-250 К в температурной зависимости полосы 465 нм наблюдается дополнительный максимум, интенсивность которого пропорциональна

_ а _

дозе предварительного облучения.

Исходя из результатов, а именно:

а)свечение с максимумом 435 нм имеет свое максимальное значение 8 особочистых образцах и с увеличением содержании примесе? эго интенсивность уменьшается;

б)интенсивность свечения 495 нм уменьпаетса с поведением дозы предварительного обручения,тогда как пра этом интенсивность свечения 465 нм возрастает;

в)с увеличением температуры измерения ГЛ от 77 К до 140 К интенсивность свечения 495 нм уменьиается, а интенсивности люминесценции 465 нк увеличивается аятибатно;

г)свечение с максимумом 465 нм имеет дефектное происхождение и его интенсивность увеличивается с ростом количества радиационных дефектов;

Сделан вывод о том, что свечение с максимумом 495 нм в кварцевом стекле обусловлено излучательной анигляцией автолокализованных экситонов, т. е. рекомбинацией электронов с автолокализованными дырками (АЛЛ). При 77 К АЛД неподвижны и, в основном, наблюдается свечение АЛЭ. Когда концентрация дефектов, обуславливающих свечение в области 465нм,увеличивается,до автолокализации дырки встречаются с ними и при рекомбинации последних увеличиваемся свечение структурных дефектов,что приводит к уменьпению интенсивности свечения АЛЭ в предварительно облученных образцах.На основании того, что полученные дозн^ зависимости полосы ГЛ 465 нм при 300 К совпадают с дозными зависимостями сьнала ЭПР Е'-центра (g=20013, ДН=2,4), характеризующего трехкоординированные атомы кремния с неспарными электронами,высказано предположение,что полоса свечения 465 нм возбухдается при рекомбинации подвижных дырок с электронами Е'-центров (недавно Itoh С., Suzuki Т., Itofc Я (1990 г) такасе показали, что в кварцевых стеклах уменьиение интенсивности полосы поглощения 215 нм (£'-центра) коррелу. ует с увеличением интенсивности полосы свечения 470 нм). Ь*_5людаемое при темперз-" туре Т>250 X уменьшение интенсивности полосы свечения 465 им связываем с термический тушением.

Исходя из аналогичности дозных зависимостей полосы ФЛ 465 нм и ГЛ 465 км, сделано предполоиен«е,что полоса ФЛ 465 нм обусловлена предпествениками Е'-центров в виде трехкоординированных иоков кремния *Si4+. Это предположение подтверждается результатами, показывающими, что при отжиге предварительно f-облученных дозой 103Гр стекол до €00 К происходит уменьяекие полосы поглощен v. я

-1С -

215 нм СЕ'-центров). Ярк этом полоса свечения 4G5 нм антибатко увеличивается.При повторном подоблучении отожженного стекла т-лучами дозой 104Гр концентрация '-центров восстанавливается, а свечение 465 нм умекьпается до исходного (до отжига) значения.

Исследование механик .а образования дефектов структура при воздействии на кварцевое стекло т-лучей показало, что в СП после Г-облучения интенсивности наб-якдгемой голоси поглощения 215 ни и сигнала ЗПР g=2,0013,обусловленных Б'-центрами,с увеличением дозы ТГ-облучения 107Гр) воэрастаг-. Кроме того в СП на длинноволновом спаде полосы поглощения 215 нм выявляется и растет с дозой полоса 245 нм. В спектрах ФЛ при Y-облучениа дозой ЛрЮ7Гр появляются полосы <J'J! с максиму;-«ми 230-290 км, 465 и 660 нм. Kpov того, б спектрах № трубок, наплавленных в атмосфере водорода, регистрируется полоса 550 нм. Известно, что полоса 280-290 нк характерна для дефектов типа вакансий кислорода, а 660 нм -немо-стиковых атомов кислорода (HAK). Полосу 465 нм преписывали свечению трехкссрдккированних иэноь кремния, которое монет возбуждаться и в рекэмбииационкых процессах (Slgal). Исходя из связи голоси ФЛ 560 ки с избытком кислорода, присутствие свободна-о водорода и ан-тибатюй зависимости изменения количества центров сзоченил Н.чК и 550 ям,предполагаем, что последний представляет собой ту.па: sSi—С' КО-Sis или —0' л—Si«.

Анализ результатов показывает,что в промийленнах стеклах 1-типа и в трубках вакуумного наплава, где практически отсутствует водород, радиационное накопление Е' -центров до доэк 10'Гр,по-виднмо-му, в основном связано с дорадиационннми дефектами. Накопление £'-центров в водородсодерха^их кварцевых трубках (водородного и газового наплава) до дозы 106Гр обусловлено образованием дополь-кмтсльиих Е' -центров, возникающих при разрыве sSi-B связей. Это подтверждается уменьшением в ПК спектрэх интенсивности полосы поглощения комплексов sSi-H при одновременном увеличении концентрации Ь"-центров б водородсодерхащих образцах. Наблюдаемое при дозах ,3 ..> 5-Ю7Гр в дозной зависимости накопление Е' -центров в образцах вакуумного, водородного и газового наплавов дальнейшее их увеличение по своему характеру соответствует радиационному созданию Е'-центров в ^еслримесных участках сетки стекла.

Увеличение количества Е'-центров,комплексов sSi—ОН (обуславливающих ИК-поглсяцеиие б области 3690 см"') и интенсивности ФЛ 4С5 нм при дозах Лт>ао7Гр объясняем разрывом «натянутых" связей sSi-O-Sis при безызлучательной распаде ЭЗ на этих узлах и дсс-

траиваниеы водорода на ВАК. ~

eSi—G—-Sis + у-* sSt' 4 НО—Sie. (1) eSi—О—Sie + 3°--- sSi—Я + 'О—Si» (2)

Следует отметить, что не все типы образовавшихся ^диационнкх дефектов обусловлены стаблизкрувщии влиякем водорода. Казалось бы реакция (2) объясняет механизм создания HAK. Однако, не отрицая возможности протекания данной реакции,следует отметить,что она не объясняет некоторые результаты, в частности уменьшение концентрации комплексов sSi-H при облучении трубок водородного наплава с одновременным увеличением количества HAK.С другой стогны,известно, что увеличение содержания водорода в кварцевом стекле приводит к подавлению ФЛ от HAK при комнатной температуре. Наблюдаемая до дозы Лг=5-106Гр красная люминесценция в кварцевых трубках вакуумного наплава связана,согласно Силинь А.Р и др., с созданием HAK при удаление цепочных металов от комплексов sSi-OR*. Выше этой дозы,несмотря на рост содержания водорода в трубках, резко увеличивается интенсивность ФЛ 660 нм. Это свидетельствуют о том, что существенная доля радиационно-наведенных Z'-центров и HAK стабилизируется процессами, отличающимся от реакций (1) и (2). Этим механизмом может оказаться разрыв „натянутых" связей sSl-0-Sis при распаде ЭВ,стабилизация образовавшихся HAK и Е'-центров путем поворота тетраэдров [SiO^l с короткохивуцими немостиковыми кисло-родами и дальнейшая релаксация образовавцихся дефектных, центров (Силинь А.Р).

Нейтральные кислородные вакансий могут возникать при Естрече двух дефектов типа Е'-центров =si"+'sis » -Si—Si~. Однако в интервале доз 107-г5-108Гр концентрация Б'-центров в трубках водородного и вакуумного наплавоз отличается более чем на порядок, в то время как количество вакансий кислорода в них практический одинаково. Это говорит о возможности образования кислородных вакансий при. непосредственном смещении кислс. да из «натянутых" цепочек sSi-0-Sis в междоузлие. Кеядо>..¿льные ионы кислорода могут возникать такхе по реакций:

sSl—О -Х-* sSi* + 01 .

Известно,что для генерации ЭВ в стеклообразном SI02 требуется энергия порядка 10 эВ. Лля смещения агомов кислорода и кремния из узла сетки стекла требуется соответственно энергия 16,5 и 33 эВ,а , для разрыва одной 3=Si-0 связи достаточно полоекны энергии образования кислородной вакансии (т.е. 8,25 зВ) и зта величина меньше энергии ЭВ. В связи с этим иселедопамсь процессы, происходящее

■под действие» плазмы ксеюнового разряда (в составе хоторой имеется мокное УФ-излучение и электроны с энергией Е<20 эв) в оболочках газоразрядных ламп из ква" ;евого стекла, синтезированных электронаплавом & вазе/уме л в атмосфере зодерода. Полученные изменения в спектре ФЛ г.хле облучения плазмой ксенонэвого разряда в обоих типах оболочек показывают, что в них создаются те хе дефектные центры, которые возникают при высокодозяом т-облучении. Это указывают иа определяющий вклад механизм безнзлучзтелъксго распада ЭВ на дефекты г радиационном повреждении кварцевых труб, так как при таких энергиях облучения надпороговый механизм дефек-тообразовакия не может реализоваться.

В принципе радиационные дефекты при г-сблучекик стекол могу быть образованы под действием вторичных комптоиоеских электронов. Если дефектообразование при ^-облучении происходит под действием комтоновеких электронов, тогда легирование образцов сильно л»мйнесцирую«;ими примесями не должно существенно влиять на скорость генерации, дефектов. Если ае дефекты генерируются при безналу-чательком распаде ЭБ, то наличие в структуре стекол ионов, преобразующих энергию зкеитоков в излучение, должно реа о снижать вероятность создания дефектов. В связи с этими сопоставлены доз-нце зависимости накопления С-центров, полученных с помовыо ЭЛР сигналов Е' -центров в преднамеренно нелегированных и легированных люминесцирущими пршесяки (Бв и Се) кварцевых оболочках вакуумного и водородного.наплавов. Эксперименты показали Срис.1), что при всех дозах у-обдучения, где наблюдается радиационное создание С-центров, концентрация дефектов наибольшая ?. нелегированных образцах, затем по уровню дефектности находятся образцы, легированные самарием. По состоянию дефектности на самом низком уровне находятся образцы,легированные примесью церия. Кроме' Е'-центров в легированных оболочках, накопление кислородных вакансий (полоса люмшесценций 230 им), трехкоординированных атомов кремния <ФЛ и Г.? с максимумом 465 нм) и БАК (ФЛ при 660 км) также на порядок ниже,чем в номинально чистых трубках.

При сопоставлении выхода ГЛ в образцах, легированных 5® и Се, было выяснено, что выход люминесценции при одинаковых условия возбуждения в образцах, легированных конами церик,намного больше, чем в образцах с самарием и тем самом определено, что вероятность преобразования энергии ЭВ в излучение у 1 нов Се3' больше, чей у иовов Бтэ+. Поэтому выход радиационных дефектов в цераевых образцах ниже по сравнению с самариевыми образцами.

Рис;, х.Зависимость интенсивности ЭПР сигнала Е'-центров от дозы /-облучения для чистых (3),цериЯ (2)- и самарийсодерха-цих (3) кварцевых трубок, полученных электронаплазом в вакууме.

Вызепреведенные результаты в тг-сблученнах легированных и нелегированных образцах совместно с фактом генерации структурных дефектов под действием плазмы газового разряда указывают на определявший вклад в радиационном повреждении кварцевого стекла механизма безызлучательного распада ЭВ.

Четвертая глава посвящена сразнительн 1у исследованию зависимости дефектообразования в /-облученных образцах с различной дефектность» структуры. Изучены спектральные характеристики образцов из промысленных моноблоков кзарцевого стекла (пластинки) и Еытянутых из них кварцевых труб, полученных электронаплавом в вакууме я газовым нзплзеом. Б кей гакхе представлены результаты исследования до и после т-облучения вытянутых с различной скоростью кварцевых труб, подвергнутых предварительной высокотемпературной закалке кварцевых пластик и медленно охлажденных со скоро-

стьв 15 и 25 град./ч кварцевых труб, з. такге предварительно облученных флюенсаыи протонов и а-частиц {4-Ю14 иЮ15сы~2) кварцевых труб.

Показано, что интенсивности полос поглощения с максимумами 215 и 245 нм, обусловленные Е' -центрами и вакансиями кисло ^да, после г-облучения существенный отличаются для кварцевых пластин и трубой. При одинаковой дозе г-облучения <д^>ю6Гр) интенсивности этих полос поглощения в трубках выше, чем в пластинках. Полученные дозные зависимости интенс-ивн ;тей полос ФД 290, 465 и 660 нм, обусловленных собственно вакансиями кислорода, трехкоординирован-ными атомами кремния и HAK, показали, что при изодозном у-облуче-нии до дозы 109Гр интенсивности этих полос в трубках значителы.^ больие, чем в пластинках.

Наблюдаемое более сильное уменьшение интенсивности полосы ФЛ 290 нм в трубках после дозы Др108Гр, чем в пластинках объясняется вхождением водорода при у-облучении и его радиационно-стимули-рованной диффузией, привэджзей к залечиванию вакансий кислорода. Не исключая этого процесса, возможно при высоких дозах обл. чения образование более сложных дефектов, состоящих из двух и более вакансий кислорода, приводящее к резкому снижения интенсивности полосы ФД 290 нм. Из сопоставления кинетики изменения (от дозы облучения) интенсизвостей полос Ф.1 465 и 660 нм в пластинках и трубках видно,что сверхлинейный ход дозных зависимостей в трубках начинается при гораздо меньпик дозах f-облучения, чем в пластинках. Результаты исследований кинетики изменения приведенных к массе интенсизкостей сигнала ЭПР с £^2,0013 ( Е' -центров) показали, что в пластинках и трубках наблюдаемые отличия в дозкой зависимости такие же как и для полос поглощения 215 км iE'-центров) и ФЛ 465 ни

Сравнительное исследование СИ и ФЛ газонаплавленнык кварцевых пластин и трубок,котоpue содержат повыиеннсе количество гидридных й гидроксилькых групп, показало, что интенсивности радиационно -наведенных полос поглощения 215 нм, 300 нм (обусловленной Е' -центом при алюминии т.е. ~А1' ) и 550 нм (обусловленной А1-дырочним центром),а также полос ФI 290, 465 и 660 нм при изодозном 'f-облучении в трубках значительно болыге, чем в пластинках.

Еа основании вьиепризеденных результатов сделано предположение о том, что существенное отличие эффективности образования Е"-центров, ВАК и вакансий кислорода в образцах из промышленных моноблоков кварцевого стекла, и вытянутых из них трубок обуслоьлива-

ется различием их реальной дефектной структуры. Если при синтезе промышленный кварцевый моноблок охлаждается сравнительно медленно, то в процессе изготовления кварцевых труб вытягивание производится непосредственно иэ расплава на воздух, что соп,овохдается их резкой закалкой. В результате сетка стекла в трубках содерзит большое количество разнообразных структурных нарушения (т.е. большее разупорядочение), чей в промышленных моноблоках (пластинках). Согласно представлениям, развиваемым Закисом Ю.Р. и Оксен-гендлером Б.Л. и др.,в сильно разупорядоченных матрицах параметры любых активационных процессов (в том числе и энергия 5разования дефектов) кмевт целый набор значений (в той числе меньпих, чем з «идеальной" структуре), который возникает из-за наличия градиента потенциальных полей (электрических или упругих) вокруг различных дефектных состояний. Учитывая вышесказанное, сделг-ю предположение, что в 5102 имеются участки, около которых безчзлучательный распад ЭВ на дефекты протекает более легко.

Известно, что концентрация дефектов в оптических световодах, вытягиваемых из кнзрцэьых заготовок, сильно зависит от условий вытяжки: температура,скорости вытягивания и натяжения. В связи с этим исследовано состояние исходной дефектности квзрцевах труб, электронаплавленных в вакууме, Еыта.чугых со скоростями 0,04, 0,05 и 0,06 м/с. Исследования показывают, что в СП с увеличением скорости вытягивания образцов усиливается поглощение з области 245нм, а в спектре "Л увеличиваются интенсивности полос в области 290 нм и 396 нм, связанные с разы ;идностями вакансий киглорода. Аналогичные изменения в СП и спектре ФЛ наблюдаются и при закалке кварцевых пластин, полученных электронаплавом в вакууме и газовым наплавом. В нагретих до 1000°С и медленно оклазденных со скоростями 15 и 25 град, /ч крзрцевых трубках, полученных электрснтлз-вом в вакууме, интенсивности полос поглощения 245 км к ФЛ ЗЭС нм меньше,чем з неотогяепннх образцах. Все эти г-зульта.л свидетельствуют о том, что увеличение скорости в1 'ягизания квзрцевых труб и высокотемпературная закалка пластин приводят к увеличению дефектности структуры, а медленное охлаждение кварцевых труб приводит к снижению ее.

В СП закаленных образцов кварцевых пластин закуумного капдаел интенсивности у-наведенннх полос поглощения 215 и 245 им значительно болъзе, чем з ьезакаленных образцах. Плотность видимой окраски образцов практически не зависит от высокотемпературной закалки. В отличи от этого в СП г-облученных кезакзленных кварце-

вых пластин газового наплава при дозе Д^<106Гр наблюдается поло« 215 нм (Г-центров), то в высокотемпературно закаленных образца) максимум коротковолновой полосы .ласлсшнсек в области 230 км, чтс обусдовлекно одной из разновидностей Е' -центров согласно работе Амосова A.B. и Иалъшда.:. С.Ф. Полоса поглоаения с иаксимукгч 550 нм В незакаленных образцах проявляется с 106Гр, растет с дозой, а при Ду. >ЮаГр наблюдается ее радиационное обесцвечивание. В тоае время в закаленных образцах она очень интенсивна уже при 104 Гр,а радиационное обесцвечивание её наблюдается при 10бГр. Сопоставление интенсивности полосы 215 нм в обоих типах образцов показало, что Е'-центров возникает больше s высокотемпературно закаленных образцах- При дозе Д^.>ЮаГр образование Е'-центров г • нашему мнению премуиественно идет за счет разрыва =3i-0~Si£ связей, поэтому количество Е'-центров значительно больше в закаленных образцах вследствие наличия больших концентраций натянутых связей. Об этом также свдетельствовали результаты, полученное при сразненки спектров ФЛ изодозно (Л^10аГр) r-сблученных незакаленных и закаленных кварцевых пластин обоих типов, а такзе образцов ОСЧ пластин, которые показали, что с ростом температ\^ы закалки (от 1000° до 1200°С) увеличивается образование вакансий кислорода (<W! 290 ям), грехкоординированиых атомов кремния (ФЛ 465 нм) и HAK (ФЛ 6S0 им).

Изучение СП квзрцеьых трубок вакуумного наплава, вытянутых со скоростями 0,04, 0,05 и 0,06 м/с, облученных одинаковыми дозами f-лучей показало, что с увеличением скорости вытягивания интенсивности полос поглощения 215 нм и сигнал ЗПР с g=2,0013, обусловленных £'-центрами (рис.2), а такае полосы поглощения 245 нм, связанной.с вакансиями кислорода,возрастамт.Эти результаты по-видимому свидетельствуют о том,что с увеличением скорости вытягивания кварцевых труб увеличивается степень разупорядоченности структуры стекла к sto способствует образованию при безызлучательном распаде ЭЕ и стабилизации дефектов структуры типа трехкоордини-рованных атоиов кремния (Е'-центров) при всздейс вии г-радиации. ОС этом такхе свидетельствуют результаты, полученные из дозной за исимости полосы ФЛ 660 нм,которые показали, что с увеличением скорости вытягивания тр«<5 снимется доза г-облученкя, при которой наблюдается резкий рост интенсивности полосы свечения HAK, Кроме того повышение флюенсов предварительного обчученкк и массы пада-вдих частиц (прогонов и а-частш) приводит такхе к укеньзенюо дозы r-облучения, при которой наблюдается резкий рост интенсив-

ности полоса поглощения 215нм (-центра) (ркс.З).

Таким образом с увеличением степени разупорядочскности структуры кварцевого стекла, вносимой путем высокотемпературной закалки, различной скорости вытягивания,а такзз предварите; лого облучения протонами и а-частицами, вероятность образования вакансий кислорода,Е'-центров и ЕЛК под действием у-радиации увеличивается.

На основе, полученных данных по влиянию высокотемпературной закалки кварцевых пластин и различной скорости зытягивания кварцевых труб, ка радиационное образование дефектов струкг -ры сделано предположение о том, что медленное охлаждение кварцевых труб мозеет снизать вероятность дефектообразования при воздействии Т-лучей. Анализ результатов по СП И ФЛ кварцевых труб,нагретых до ЮС0°С и медленно охлажденных со скоростями 15 и 2е град./ч,показало, что интенсивности у-наведенннх полос поглощения 215 и 245нм, а такзе полос -Т/Я 290, 465 и 660 нм уменьшаются,причем зти различия проявляйся заметнее а уменыгениэм скорости охлаадения. Эти результаты подтверждают сделанное предполозение о том, что снижение разупорядоченности структуры сетки стекла способствует уменьшению вероятности радиационного образованней вакансий кислорода, Е'-центроЕ и БАК.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОЛЫ

1.Проведенными комплексными исследованиями разреяеко разногласие о спектралы л положении автолскализованных зкситснов в кварцевом стекле.В результате изу нил спектроскопических свойств специально синтезированных особо чистых, а такае промышленных кварцевых стекол различных типов установлено, что в 310г автоло-кализозанные зкеитоны ляминецирувт б области 2,50 эВ.Наличие примесей, а такте собственных дефектов з сетке стекла приводит к уменьшении свечения автелокалиэованных зкеитонов.

2.Изучением процессов де^ектсобразования при с щионарном у-облучении,а также под действием плазм'- газового разряда (УФ-излучение, электроны с Е<20 эВ) впервые достоверно установлен механизм подпорогового дефектообразовакия в кварцевых стеклах, обусловленная безызлучатель«ым распадом автелокалиэованных экситоноз.

3.Показано,что при одинакссих условиях облучения ионизирующими изучениями стекла присутствие сильнолгминесцирувщих примесей редкоземельных ионов,таких как 5п3+ и Се3+, существенно снижает количество созданных радиацией структурных дефектов типа Б'-центров, трехксордикированных атомов кремния, вакансии кислорода и

и

Рис.2.Зависимость интенсивности ЭПР сигнала К' -центров 'от дойы |-облучения для вытянутых с различными скоростями 0,04 (1), 0,05 <й)и 0,06 м/с (3)кварцевых трубок, полученных вдектронап-лавом в вакууме.

Рис.3.Кинетика изменения оптической плотности в максимуме поло-си поглощения 215 им в кзарце-гчх трубках, предварительно не-облученмых (1) и облученных флюенсами 4-30и(2,3)и 1015см'"г (4,5) протонов (2,4)и «-частиц

-IS -

немостикозых атомов кислорода. При этом вероятность подпорогового дефектообразования с участием ЭВ снижается с увеличением преобразования примесями энергии AJ3 з излучение.

4.Доказано, что свечение с максимумом 465 нм <2,65 'В),возбуждаемое при стационарном ^-облучении и фэтовозбуядении в области прозрачности кварцевого стекла,обусловлено одними и теми же центрами. Оно не связано с излучательноЯ релаксацией автолокализован-ных зксиюнов, как это утверадается рядом исследователей, а обусловлено трехкоордикирэванными атеизма кремния н314+. В рекомбина-ционных процессах это свечение возбуждается при анниг чции подвижных дырок с электронами Е'-центров:

3Si-+ е4 I-> * iiv2fM эВ.

5. Установлено, что свечение с максимумом 550 нм (2,25 эВ) в кварцевых стеклах связано с комплексным« структурными дефектами, включающими в сзой состав примесь водорода.Предполагается, что этими центрами являются немсстиковые атом« кислорода, распологен-ные рядом с -=Si— ОН или sSi— Н :

sSi— о:..Я — о — 51= ила =Si— О'.... И— Sis

6. Показано,что увеличение степени неупорядоченности и дефектности структуры кварцевого стекла при закалке,облучении,или вытя-гивснии из стекломассы трубок приводит к повышению вероятности подпорогового дефектообразования. Доказано,что упорядочение сетки стекла, достигаемое нагревом до высоких температур (Т>1000оС) и медленным отзигом, уменьшает вероятность дефектообразовакия при безызлучательном распаде электро; ых возбуждений около структурных несовервенстЕ.

Основные материалы, включенные в диссертацию.опубликованы в следующих работах:

1. Ибрагимов K.J., Исламов Л.Х., Нуритдчнов И., Хуаваков О.Б. Низкотемпературная рексмбинацис-няая люминесценция к ¿рцевых стекол // Тез. докл. науч.- техн. коиф. ькчодах ученых "Материало-риаловедение в атомной технике",- Свердловск, 1986.-d.19.

2. Ибрагимов К.Д., Исламов А.л., Нуритдинов И., Хупваков О.Б. Гаммалюминесценция собственных дефектов в кварцевом стекле // Тез. докл.науч.-техн. конф. молодых учены* "Материаловедение в атомной технике" - Сверлзвск, 1986.- С.18.

3. Блинкова Г.Б., Рахидов H.A., Исламов А.Х., Нуритдинов И., Хайдарова Х.А. Подпороговое дефектообразование в кварцевых стеклах при облучении ионизирующим излучением // <$№. и хим. стекла.-

1988.- Т. 14.-424.- С. 494-500.

4. Блинкова Г.Б., Исламов А.Х., Вуритдинов И., Хайдарова Х.А. Влияние шаэш газового разряда на структуру кварцевого стекла // Тез. докл. V всесовзн. конф. по взаимодействию электроиаг-ниткыхизлучений с плазмой.- Ташкент, 1989.- С.116.

5. Блинкова Г.Б. .Бахидов Щ.А..Нуритдинов И., Исламов А.Х., Салкева Г.Ы. Влияние примеси церия на радиационное дефектообразо-вание в кварцевых стеклах //Тез. докл. VI. Всесовзн. конф. по радиационной физике и химии йог шх кристаллов.- Рига, 4.II.-1986.-С. 442-443.

6. Блинкова Г.Б., Исламов А.Х., Вуритдинов И., Салиева Г.К., Хайдарова Х.А. О природе радиационко-наведенного центра свечена,. 2,3 sB в кварцевом стекле // Тез. докл. I. Респуб. конф. молодых ученых и препод, физики.- Фрунзе, 1S90.-C.81.

7. Блинкова Г.Б.,Вакидов I.A., Исламов А.Х., Нуритдинов П., Хайдарова Х.А. О роли преобразования энергии ионизирующего излучения при дефектообразовании б кварцевых стеклах // Тез. докл. VII. Всесоюзи.симп. по оптическим и спектралным свойствам сг. жол. - Ленинград, 19S9.-C.24c;.

8. Блинкова Г.Б.,Бракловская Р.В.,Исламов А.Х.,Хайдарова Х.А. Взаиомосвкзь реальной структуры и радиационного дефектообразова-ния в кварцевых стеклах // Тез. докл. 1. Региональной конф. Респуб.Средней Азии и Казахстана по радиац. физике твердого тела. -Самарканд,'1991.-1.1. -С.109.

9. Блинкова Г.Б., Исламов А.Х., Нуритдинов И., Хайдарова Х.А. Преобразование собственных и примесных радиационных центров в кБарцевом стекле при термическом откиге // Тез. докл. II. Респуб. конф. по физике твердого тела. -0в, 1969. -C.197-1S8.

10. Бахидов ¡S.A., Блинкова Г.Б., Ибрагимов К.Д., Исламов А.Х., Хуашаков О.Б., Юлдааев А.Д. Дефектообразование в у-облученных кристаллическом к аморфном ЗЮ2 с различной степенью дефектности структуры // ДАН УзССР.- 1990.-JS5. -С.20-22.

КВАРЦ ШИШАСИДАГй СТРУКТУРЛВИЙ ТАРШБСИЗЛЙКЛАРИНИНГ РАДИАЩОН НУ^СОЕЛАР ^ОСИЛ БУЛЩЦА ТУГГАН УРНИ.

АЩКУЛ рЯИТОВИЧ ИСЛАМОВ

1$ЩАЧА МАЪЯОСИ

Иа кварц пизаларида кузатиладиган хусусий рекомбинацион люминесценциянинг табиатини.пу^сснларнинг ^осил булиа не"»ластик механизмини,^амда радиацион ну^сонлар пайдо булини хараёнига шипа структурасининг ну^сонлилик даразасининг тагсириш ургания масз-лаларига багишдангак.

Тозалик дарахаси билан фарцланадиган турли типдаги кварц шииа-ларида, гд^да турли килдаги ядро нурлари билан х,ар хил дозада ол-диндан нурлантирилган намуналарда 77-300 К э;арорат оралигида гаи-малвминесценци. ;и урганиш асосида автолокаллапган зкситонлар (АЛЭ). люминесценциясининг спектрал урни ва. бу люминесценциянинг уйгониа механизми анналами. Радиациок нук.сонларнинг з^осил булшаи-да электрон уйронияларнинг, хумладан АЛЗни.чг, ролини ани^лаш ма.^-садида, ургзнидган кварц иииалари нейтронлар, х~ ва катта интен-сивликдаги ултрабинзфиа нурлари билан таъсирлантирилди. Радиаиион нуцсоклар (Е'-марказлар,бир томонлама Оогланган кислород атсмлари ва кислород ваканси"чари) нозластик механизм асосида АЛЭларкинг курланишсиз емирилияи натияасида ¡озг-а келиши курсатилди. Еиаага кучли люминесценция берувчи 5гг13+ва Сеэ+ араладма ионлари критил-ганида АЛЭнинг нурланивсиз емирилкши натихасида нуксонлар %осил булиаи з^тимпллиги камайипи курсатилди. Бунинг сабаби АЛЭ анер-гиясини аралашма ионлари люминесценцияга айлантиради ва бунда электрон уйгонишлари энергиясикинг нурланиисиз емирилиаи э^ти-молияти камаяди. Айни пайтда зкситонлар знергиясинин* аралаама ионлари воситасида люминесценцияга айлантипилиш зффективлиги цак-ча катта булса, нуцсонларнинг нозластик йул билан ^осил булии э^тимоллиги шунча кам булади. йк.орида курилганлардан тапкари гсвдг шиша структурасида ну^соклар дарааасинкнг купайиаига олиб келади-гак факторлар булганида, яъни пиша массаларидан тортилган кварц труокаларининг тортилин тезлигини узгартиривда, сгноат моноблок-ларидан олинган кварц иииалари тобланганда (олдккдан ю^ори темпе-рагурада налов Оерилиб ва тез совутилганда)дамда олдиндан протон ва а-заррачалари билан таъсирланткрилганда ну^сокларнинг нозластик йул билан з^осил булии зффективлигининг оииаи курсатилган.

ROLE OF STRUCTURAI DISOEDERISG OF FUSED SILICA IB RABIATIOif IHDUCED DEFECT PRODUCTIOÎL

AHATKUL HAYITOVICH ISLAMOV

SUMMARY

The main goal of the -dissertation is to ¡study intrinsic recois-binational luminescence in fused eilica, to elucidate mechanism of radiation induced defect prodwtion.Also the effect of initial structural imperfections upon efficiency of radiation defect formation is under consideration-

Ganma- luminescence analysis in the temperature range from .I to 3G0 K various types (differing in purity and defectness of lattice) fussed silica of irradiation enables us to identify spectral composition of luainescence and reveceled to prove the mechanism of self-trapped excitons (STE) luminescence.

In order to clear up the role of electronic excitations (in particular, of self- trapped excitons) in the defect forn.jitior process the fused quartz samples were subjected to irradiation by neutrons, r-rays and intensive UV radiation.

Defects (E'-centres, non-bridge oxygen atoms and oxygen vacancies) are generated by subthreshold mechanism involving non-radiative decay of self-trapped excitons. Introducing highly luminescent impurities such as Sn3+ and Ce3+ decreases probability oi radiation induced defect production which is due to non-radiative decay of self-trapped excitons. The reason for it is the impuritj accepts the STE- energy and releases it by radiation (luminescence). In this case the high the efficiency of exciton energy conversion by irspuritcs is the lover the prc'cafclity of subtresholc defect formation.

Besides it has been established that structural imperfectness, caused by 1) fast pulling oftubes from fused si1 lea 2) preliiainar: high temprature hardening of industrial moncblocUo (of fused . .ilea) and 3) preliminary irradiation By proton arid «.-particles results in increasing of efficiency of subthreshold aefect formation.