Синхронизированные пикосекундные лазерныеи наносекундные электронные пучки и их применение для исследования фундаментальной люминесценции диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



- 4 л , •*

" ' Российская Академия Наук

Сибирское отделение . Институт сильноточной электроники

На правах рукописи

Пальянов Д опйЛо^ьй^

УДК 539.21:539.12.04;

548:539.12.04;535.37

Синхронизированные пикосекуидные лазерные;

и наноеекундные электронные пучки и их рименение для исследования фундаментальной люминесценции диэлектриков

01.04.07 — фи шка твёрдого тела

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

' Томск - 1995

Работа выполнена в лаборатории нелинейной физики Института сильно точной электроники СО РАН.

Научный руководитель: -доктор физико-математических наук,

профессор Вайсбурд Д.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Лисицын В.М.

доктор физико-математических наук, профессор Майбр Г.В.

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится . р 1995 г. в —_ча

на заседании специализированного совета К 063.53.05,по присуждению учёнс степени кандидата физико-математических наук в Томском государственно университете им. В.В.Куйбышева по адресу: 634010, г. Томск, пр. Ленина, 3

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ТГУ. Автореферат разослан " ^ " У * ^ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Г,

кандидат физ.-мат. наук Ш^'&а^С^ И.Н.Анохин

Общая характеристика работы

ксертация посвящена сравнительному экспериментальному исследованию диолюминесцсншш щёлочно-галоидных кристаллов (ЩГК) при мощном нм-льсном возбуждении электронными и лазерными пучками; прямому эксие-[ментальному доказательству явления внутризонной радиолюминесденции !РЛ); а также исследованию лучевой стойкости диэлектриков при синхро-гзированном воздействии наносекундных сильноточных электронных и пи-¡ССХУПД!"*" ^-г^пних пичкпв. , „ .

ктуальиость темы. Работа япляется логическим продолжением иссле->ваний процессов в диэлектрических материалах под действием мощных ла-рных и электронных пучков, начатых около 30 лет назад с момента создали первых лазеров и сильноточных электронных ускорителей. Долгое время ¡)фекты мощного лазерного и электронно-лучевого воздействия на диэлек-рики изучались в значительной мере обособленно, хотя многие из них имеют, хинаковую природу, связанную с неравновесным состоянием облучаемого ма-гриала. При лазерном воздействии обнаружены и глубоко изучены сильные елинейные эффекты, как, например, хрупкое разрушение твердых диэлек-риков, оптический пробой, нелинейное поглощение и светоиндуциронанная розрачность, многофотонная ионизация и другие. Под действием плотных пектронных пучков был обнаружен и подробно исследован ряд физических влений, таких как хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и ствол,.генерация акустических импульсов волн разгрузки и изгнбных волн, вы-окоэнергетическая проводимость и мощная критическая эмиссия дЪэлектри-ов, многоканальный электрический пробой, внутризонная раднолюминесцен-;Ия диэлектриков. Следует отметить, что большинство пионерских работ но [зучению свойств диэлектриков при воздействии плотных электронных пуч-;ов были проведены научным коллективом лабораторий нелинейной физики ^омского политехнического университета и Института сильноточной элек-роники СО РАН, в котором выполнена настоящая работа. Основные резуль-аты, полученные до 1980 года, описаны в монографии {!}, а последующие серии научных статей.

В диэлектрике, возбужденном мощным лазерным или электронным нуч-ом, развиваются два основных процесса: генерация одночастичных элемен-арных возбуждений высокой плотности — электронов, дырок, экситонов, фо-онов, с одной стороны, и сильных механических и электромагнитных ио-

лей с другой. Именно эти поля определяют коллективное поведение воз ждений и дефектов, что является причиной наблюдаемых катастрофнчеа явлений, таких как хрупкое разрушение, пробой, критическая эмиссия и т Импульсные лазерные и плотные электронные пучки как источники воз ждения диэлектриков обладают рядом значительных достоинств по сраг наю с другими способами возбуждения. В частности, лазерное возбужде! 1) дает возможность воздействовать на вещество рекордно короткими имщ сами (вплоть до фемтосекунд); 2) позволяет переводить электроны и ды на определенный уровень в спектре возбужденных состояний твердого та получать предельно высокие заселенности в узкой полосе спектра.

Достоинства способа возбуждения плотным электронным пучком: 1) собность производить плотную и достаточно однородную ионизацию боль: объемов диэлектрика без существенных термических эффектов; 2) воз\ ность накачивать электронами н дырками практически все энергетиче! уровни твердого тела вплоть до верхней энергии электронов пучка (с.оп тысячи кэВ).

Сказанное привело к пониманию, что одновременное воздействие раз пых видов радиации на исследуемый материал может существенно расши] возможности эксперимента при сравнении с раздельным. Одной из перв: мировой практике работ, выполненных в в этом направлении, было созд установки СГИН-1 [2], в которой синхронизировались два сильноточных ; рителя типа ГИН-600 с точностью до ±2 не. Проведенные на СГИИ-1 исс; вания люминесценции- ЩГК, возбуждаемой одним ускорителем с одноврс иым наведением в образце механических полей, возникающих после во ствия на диэлектрик излучения второго ускорителя, подтвердили плодо' ность выдвинутой идеи. После этого стало ясно, что сочленение в лодо( рода установке лазерного и электронного способа воздействия на матер! силу их достоинств и различий, позволит эффективно выделять и исс.лед< в чистом виде элементарные составляющие сложных нелинейных проце«| выяснять их механизмы.

Цель работы — разработать и создать комплекс физической аппара] в котором соединены и синхронизированы три основных элемента: п| кундный лазер с перестраиваемой длиной волны, наносекундный силь ный ускоритель электронов и регистрирующая аппаратура соогветству временного разрешения — и с его помощью решить ряд конкретных за воздействию излучения на прозрачные диэлектрики.

шкретные задачи работы:

1. Создать пикосекундную лазерную систему на YAG:Nd3+ с генераторам» второй, третьей, четвертой гармоник, способную возбуждать прозрачные, диэлектрики с шириной запрещенной зоны Ед = 5 -г 9эВ вплоть до их лазерного пробоя.

2. Произвести синхронизацию лазера и сильноточного ускорителя электронов типа «Радан-220», а также регистрирующей аппаратуры с точностью не хуже rfcl не. - - ..........................• •

внутризонной радиолюминесценции диэлектриков при их лазерном и электронном возбуждении.

4. Получить прямое экспериментальное доказательство явления BPJ1 диэлектриков. item Выяснить механизм пикосекундной радиолюминесценции Cel.

5. Исследовать' влияние синхронного электронного облучения па оптичо-ский пробой диэлектрика лазерным лучом.

аучная новизна.

1. Впервые создан экспериментальный комплекс, в котором пикосекундный YAG:Nd3+ лазер с генераторами гармоник синхронизирован с наносе-купдным ускорителем электронов типа «Радаи-220» и регистрирующей аппаратурой субпапосекундного разрешения с точпостью не хуже ±1 не. ---------

2. Впервые, путем сравнения спектров люминесценции кристаллов NaC'l

• при электронном н двухфотопном лазерном (2!ы — У, 32 эВ) возбуж.де- .. .. нии получено прямое доказательство явления внутризонной электронной .радиолюминесценции прозрачных диэлектриков.

3. Выяснен механизм пикосекундной радиолюминесценции Csl и впервые показано сосуществование двух видов фундаментальной люминесценции зонных электронов и дырок: внутризонной электронной и межзонной дырочной радиолюминесценции.

4. Впервые произведены относительные измерения порогов оптическо! пробоя кристаллов ИаС1 при инжекции в образец сильноточного пучк Выявлена их независимость в пределах 25%-точности эксперимента.

5. Впервые проведены относительные измерения коэффициентов рэлеевск го рассеяния газообразных N2, Аг для импульсов переменной длительн сти от 15 пс до 20 не с длиной волны 532 нм. Показано, что коэффициент рассеяния не зависят от длительности рассеиваемого импульса.

Практическая значимость. Созданный в процессе работы аппаратурнь комплекс показал высокую эффективность при решении ряда практичесю задач, реализация которых была ранее затруднена. Полученные экспериме тальные данные позволяют с большей точностью прогнозировать поведен: прозрачных диэлектриков в интенсивных лазерных и электронных пучка Способы и методики, разработанные в процессе исследований, реализованы реальном физическом эксперименте, а их эффективность подтверждается г лученными научными результатами, такими как прямое доказательство яш ния ВРЛ в и наблюдение сосуществования внутризонной электронной межзонной дырочной радиолюминесценцни в Св1. Основные положения, представляемые к защите:

— синхронизация пикосекундного УАС:М3+ лазера с пассивной сикху шпацией мод и сильноточного ускорителя электронов «Радан-220», построе ноге по схеме импульсного трансформатора, осуществлена с точностью ±1!

— прямое_ экспериментальное доказательство явления внутризонной | днолюминесценции диэлектриков;

— спектр пикосекундной радиолюминесценцни кристалла СЫ формнру< ся двумя видами фундаментальной люминесценции ионизационно-пасспвн: зонных электронов и дырок: внутризонной электронной п межзонной дыр( ной; •

— порог оптического пробоя кристалла НаС1 сфокусированным нзлуче1 ем пикосекундного УАС:Ш3+ лазера не зависит от синхронной «подсветк плотным наносекундным электронным пучком в пределах 25% иогрешнос измерений; ' •

— коэффициенты рэлеевского рассеяния газообразных азота и аргона зависят от длительности рассеиваемых лазерных импульсов с длиной вол 532 нм в диапазоне длительностей 15 -г- 200 пс, 2 -г- 20 не. . '

пробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Томск, 1972 г.); сесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмо-|)ере (Томск, 1973, 1975, 1979 г.г.); VIII Всесоюзном симпозиуме по лазерно-у и акустическому зондированию (Томск, 1984 г.); IV Всесоюзном совещании Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные среды» (Ко ерово, 1986 г.); VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике Свердловск, 1990 г.); II Всесоюзной конференции «Модификация свойств кон-грукционных материалов пучками заряженных частиц» (Свердловск, 1091 ); 8 конференции по радиационной физике и химии неорганических материя-:п"• Г^ожд у народ íioiT кйн<|Ц ><*м ц и и п" лу>мин»гп?нпня Лосква, 1994 г.).

бъем и структура работы. Диссертация содержит 106 страниц маши-

шисного текста, 50 рисунков, 2 таблицы, 15 страниц библиографии и состоит

t введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего i

13 наименование.

Содержание диссертации

о введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель ис-[едованйй, кратко излагается содержание работы по главам.

первой главе анализируются оптические схемы импульсных твердотрль-

лх лазеров, позволяющие генерировать стабильные световые импульсы на------

шне волны Л = 1, 06 мкм в диапазоне длительностей от 20 пс до 20 не с. доста >чно плавной их регулировкой. Базовой активной средой служил YAG:N4'i+, жачшзаемцц импульсными ксеноновыми лампами с - жидкостным охлажде-1ем. Генерация импульсов длительностью 2 -г 20 не производилась в лазе: с модулированной добротностью фототрогшым затвором путем изменения шцентращш красителя 3955 в затворе (область перестройки 5 -т- 20 нс) и ;меиением размера внутрнрезонаториой диафрагмы (область перестройки -г5пс). Для получения импульсов длительностью 20-т-300пс использовал-лазер с пассивной синхронизацией мод красителем 3274у, растворенным в •аноле. Исследовались и сравнивались генерационные характеристики лазе->в с тремя видами резонаторов: 1 - линейный; 2 - кольцевой; 3 - резонатор с

антирезонансным отражателем на основе интерферометра Саньяка (ИС), при прочих равных условиях (неизменные активный элемент, система нака ки и охлаждения, фототропный краситель, оптический стол). В результа установлено, что воспроизводимость длительности одиночного пикосекундн го импульса у лазеров с кольцевым и ИС резонаторами приблизительно в д раза лучше, чем с линейным. Энергетическая стабильность пикосекундно импульса максимальна у лазера с ИС и минимальна у лазера с линейнь резонатором. Вероятность Р появления одиночного на аксиальном интерва импульса у лазера типа 3 Р=94%, типа 1 Р=85%, типа 2 Р=80%. Расход мость излучения лазеров 1 и 2 типов составила й 6 х Ю-4 рад, 3 типа й 3 х Ю-4 рад. Смещение кюветы с красителем относительно оптическо центра ИС позволяло плавно менять длительность пикосекундного импуль в пределах 20 4- 300пс; в лазерах тнпа.1 и 2 такая возможность отсутствуе В результате в качестве базовой схемы задающего пикосекундного ла: ра была выбрана схема с резонатором, содержащим интерферометр Санья! Подробно описывается многокаскадная схема усиления лазерных импульсоз пространственной фильтрацией излучения и преобразованием основной длш волны во вторую, третью, четвертую гармоники кристаллами 1ШР. Полу1 ны следующие параметры лазерной установки :

Энергия одиночного импульса. Стабильность энергии Минимальная длительность импульса Диапазон перестройки длительности импульса Стабильность длительности импульса Вероятность генерации одиночного импульса Длины волн излучения

Вторая глава посвящена рассеянию коротких световых импульсов в п зрачных средах. Рассеяние лазерного излучения в значительной мере оп деляет лучевую прочность диэлектрика, уровень фона в спектральных из; реннях и, кроме того, представляет самостоятельный интерес в оптике р сеивающнх сред. Проведен обзор экспериментальных работ по рэлеевскс рассеянию импульсного.излучения в газах, где особое внимание уделено ботам группы Ь'колтопек'а [3,4], получившей в результате эксперименто лазерными импульсами длительностью от 3 до 20 не аппроксимационн

мДж до 40

% 10

ПС 20 4-24

ПС 20 ~ 300

• % 10

% 94

1,064; 0,532;

0,353; 0,266.

зависимость для сечения рэлеевского рассеяния <тд<

<тд*/«гтеор и 1 - е~д</г, I

<ттеор - теоретически рассчитанное сечение рэлеевского рассеяния при стационарном облучении, г — константа, зависящая от условий эксперимента. На основании анализа методик, используемых Бкотопек с коллегами, а также с учетом собственных данных, полученных при измерении пропускания нейтральных стекол (НС), делается вывод о том, что результаты работы [3,4] могут быть ошибочными из-за неправильной методики калибровки приемной -аппаратуры.... ........................^»-д-^-,.««.- -'"-».-чготт»-»».

В качестве калибратора предложено использовать диффузную пластинку из прессованного порошка N^0. Измерения с помощью рассеянного от нее света показали, что при этом исключается влияние передающего тракта на величину регистрируемого импульсного сигнала, отсутствуют мощностные нелинейные эффекты, проявляющиеся при измерениях с НС, облегчается оперативный контроль за условиями эксперимента. С помощью созданных и описанных в главе 1 импульсных лазеров были измерены отношения 0"д«/0тсор для импульсов длительностью 2 -=- 20 не; 15 ч- 200 пс на длине волны 532 нм в газообразных азоте и аргоне. В пределах ошибки измерений, не превышающей 20%, установлено, что коэффициенты рэлеевского рассеяния не зависят от длительности рассеиваемого сигнала.

Экспериментально исследовалось ослабление пикосекундных лазерных импульсов в модельных рассеивающих средах (взвеси полистироловых латексов, ликоподия, молочных капель) с радиусами частиц от 0,4 до 15 мкм в условиях однократного рассеяния (оптическая толщина не превышала значения 3). Сравнение с ослаблением постоянного во времени излучения показало, что как постоянное, так и импульсное излучение на длинах волн 1,06 мкм, 0,53 мкм, 0,694 мкм длительностью 5 -г 300 пс ослабляется в одинаковой мере.

Третья глава посвящена результатам экспериментального .исследования лучевой прочности ряда прозрачных диэлектриков при синхронизированном воздействии пикосекундных лазерных и наносекундных плотных электронных пучков. Дается сжатый обзор работ по лазерному пробою щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) на основании экспериментальных и теоретических исследований. Показывается, что если в модельных условиях можно выделить и изучить многофоТонный либо лавинный механизмы пробоя, то для реальных

образцов задача усложняется в силу зависимости как от условий облучения, так и состояния образца. Проблема лучевой прочности становится еще сложнее в случае одновременного либо последовательного воздействия различных видов радиации, хотя, с другой стороны, позволяет в ряде случаев выделить тот или иной механизм лазерного пробоя диэлектрика.

В главе подробно описывается экспериментальная установка, позволяющая исследовать поведение диэлектриков при синхронном воздействии лазерных и электронных импульсов пико-и наносекундной длительности. Основными частями установки являются описанная ранее пикосекунднаи лазерная система и сильноточный ускоритель электронов типа «Радан-220». Поскольку генератор высокого напряжения «Радан-220» построен по схеме импульсного трансформатора, то время его срабатывания от стартового сигнала превышает микросекунду. Оптическая задержка лазерного излучения на такое время, без деградации светового пучка, затруднена. С другой стороны, характерной особенностью лазера с пассивной синхронизацией мод является нестабильность между стартовым сигналом и появлением импульса генерации, достигающая десятков микросекунд. Эти особенности приводят к тому, что синхронизация «Радан-220» с пикосекундным лазером от одного стартового сигнала невозможна. Известно, однако, что нестабильность появления импульса генерации в лазере с пассивной синхронизацией мод уменьшается до долей микросекунд, если отсчет вести с момента достижения порога свободной генерации. С учетом сказанного был разработан блок синхронизации на основе быстродействующего компаратора К597СА1. позволяющий совместить во времени лазерный и электронный импульсы. Для более «жесткой» синхронизации част! лазерного излучения фокусировалась в межэлектродный промежуток разрядника ускорителя. На рис. 1 приведены зависимости негтабильностп синхронизации от величины предпробойного напряжения ('цр в разряднике ускорителя и энергии поджигающего лазерного импульса /¿подж- При значения} •Ёнодж = ЮмДж и 1'пр = 0,995{/пор ('Люр - пороговое напряжение, при ко тором наступает самопробой разрядника) удалось синхронизировать работ} «Радан-220» и пнкосекундиого лазера с точностью не хуже ±1 не.

С помощью созданной экспериментальной установки проведены относи тельные измерения порогов лазерного пробоя кристаллов КаС1 при синхрон ном возбуждении кристалла пучком электронов и без него. Показано, что пр1 нпжекцни электронов плотностью до 1014 электрон/(см2-имп) и изменяющейса от 0 до 10 не задержке времен прихода импульса электронов и ппкосекундноп

верного импульса (А = 1,064мкм) пороги лазерного пробоя КаС1 не меня-пределах ошибки измерений, не превышающей 25%.

41Ж-

ОТСЯ в

В 3,5 7 £,мД;ж

Рис. 1. Зависимость времени задержки срабатывания разрядника от энергии поджигающего импульса. 1 - 11\ = 0,995Е7Пор, 2 - 1/г = 0,9781/пор, 3 - 11$ = ),950(/пор. ______________________________- - -----------------------------------------------------

Четвертая глава посвящена прямому экспериментальному доказательству-1вления внутризонной люминесценции ЩГК и изучению ее свойств. Дана классификация видов люминесценции диэлектриков под действием ионизирующих излучений, которая но традиции носит название «радиолюминешен-дия» (РЛ). Прежде всего все виды РЛ разделены на два класса: свободных [зонных) и связанных электронов и дырок.-В свою очередь РЛ свободных 'зонных) электронов и дырок разделяется на фундаментальную и структурно-*увствительную. Фундаментальная делится на пять типов: 1 - внутризонная электронная; 2 - внутризонная дырочная; 3 - рекомбинационная; 4 - межзонная электронная; 5 - межзонная дырочная. Структурно-чувствительные делятся

на четыре вида: б - электронно-донорные; 7 - дырочноакцепторные; 8 - элек-троноакцепторные; 9 - дырочно-донорные.

Из девяти названных видов люминесценции экспериментально обнаружены и относительно изучены только два: внутризонная электронная радиолюминесценция [1,5] и межзонная дырочная люминесценция (кросс-люминесценция) [6].

Согласно модели ВРЛ, она возникает в результате прямых излучательных переходов сильно неравновесных ионизационно-пассивных электронов между ветвями закона дисперсии внутри зоны проводимости. В то же время не исключена гипотетическая вероятность того, что существуют неидентифиниро-ванные энергетические уровни вне зоны проводимости, находящиеся около ее края в запрещенной зоне, переходы между которыми вызывают свечение со свойствами, характерными для ВРЛ (см. ниже). Прямого эксперимента, однозначно показывающего, какая зона ответственна за существование ВРЛ, до сего времени не было.

Предлагается способ решения задачи, суть которого состоит в сравнении спектров излучения диэлектрика при двух типах возбуждения: в одном случае электронами заселяется вся ионизационно-пассивная область величиной' £д и (1,5-7-2)Ед (Ед - ширина запрещенной зоны), а в другом — только дно зоны проводимости. Если модель ВРЛ верна, то в первом случае люминесценция возникает, а во втором — нет. Для этого в качестве источников возбуждения обоснованно использовать, например, электронный пучок сильноточного ускорителя типа ГИН-600 (энергия электронов « 300 кэВ) и двух-фотонное поглощение четвертой гармоники пикосекундного УАС:М3+ лазера (2Нш = 9,32эВ), а в качестве диэлектрика — кристалл КаС] (Ед = 8,9-4-9 эВ).

С этой целью, на основании полученных ранее и опи анных в предыдущих главах результатов, создан измерительный комплекс, схема которого приведена на рис.' 2. Исследуемый образец 1 возбуждается лазерным либо электронным излучением. Температура образца может изменяться от 80 до 970 К. Спектральный компонент свечения диэлектрика, выделенный монохромато-ром ДМР-4, регистрируется системой фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — скоростной осциллограф (С7-19) и с помощью телевизионного регистратора ТУЙ обрабатывается ЭВМ. \

Типичные спектры свечения ИаС1 при лазерном (а) и электронном (б) возбуждении приведены на рис. 3. Общими для спектров является наиболее интенсивная полоса 5,42 эВ синглетной люминесценции двухгалоидного автоло-

<^'3274, 35

Oi Д» 02 Д2

-f-QcO-o—^

ис. 2. Схема измерительного комплекса. Зеркала 3i.. .З5 - резонатор лазера; 1шзы Oi, О2, О3 с диафрагмами Дь Дг, Дз ~ пространственные фильтры; СВ система выделения одиночного импульса; УС1, УС2 - квантовые усилители; DPI, KDP2 - генераторы гармоник; СП - спектральная призма; О - цилин-рическая линза; 2 - экспериментальная ячейка; БС - блок синхронизации; Э - сильноточный ускоритель электронов; ФК - фотоэлемент коаксиальный; 8-12 - запоминающий осциллограф.

М

"а«, о™- сд.

4.66

10

14

2

б

4

б

б

Дш,:

Рис. 3. Сравнение спектров люминесценции кристаллов КаС1, измеренных пр двух различных способах возбуждения: а - двухфотонное поглощение четвер той гармоники пикосекундного импульса излучения УАС:М3+ лазера; б наносекундный импульс облучения плотным электронным пучком сильноточ ного ускорителя.

кализованного экситона (АЛЭ) и приблизительно в 50 раз менее интенсивна полоса 3,2 эВ из семейства триплетной люминесценции АЛЭ. Соотношение ш тенсивностей триплетной и синглетной люминесценции АЛЭ одинаково.-Пр лазерном возбуждении наблюдается узкая полоса 4,66эВ рассеянного света ч< твертой гармоники лазера. Принципиальное же различие в следующем. Пр электронном возбуждении полосы экситонной люминесценции опираются и широкий бесструктурный спектр ВРЛ. Интенсивность последней в 2,5 раз больше, чем триплетной люминесценции (врезка на рис. 3 б). При лазерно возбуждении те же полосы опираются на слабый фон, интенсивность которо! в 15 раз меньше, чем триплетной люминесценции (врезка на рис. 3 б) и в А раз меньше, чем ВРЛ.

Таким образом, двухфотонное поглощение лазерного излучения 9,32 эВ эффективно создает в №С1 электроны и дырки, которые объединяю-ся в экситоны, но не возбуждает внутризонную люминесценцию в отличие с возбуждения кристалла электронным пучком. Измеренные спектры ВРЛ обл;

«от следующими свойствами: 1 - практическая бесструктурность спектра, »стирающегося между краем фундаментального поглощения и спектраль-)й чувствительностью приемного тракта; 2 - независимость от структурных ;фектов (собственных и примесных); 3 - независимость от температуры в 1тсрвале 80 -г- 070 К; 4 - пнкосекундная инерционность; 5 энергетический >1ход ВРЛ и 5 х Ю-4 от поглощенной энергии излучения.

На основании уточненных данных о. механизме BPJI проведен анализ ис-гедований по пикосекундной раднолюмннесценцнн кристаллов (.'sí, впервые элучеиных авторами [7] при возбуждении люминесценции ускорителем элек-зонов ГИН-600 с пикосекундным обострителем. Время релаксации люминес-

if»»«íff: »ТПД*» HAL ttmr^ » Ч1Л1"*ЧЧ 1 » ■ I. « —

еры АГАТ-СФ1 в интервале 1,5 -г 2, 2 эВ, представлял собой широкую гладью полосу с максимумом на 1,9 эВ. Авторы предположили, что наблюдают 1утрнзонную радиолюмпнесценцшо горячих дырок, совершающих нзлуча-зльные переходы между ветвями валентной зоны, расщепленной вследствие шн-орбнталыюго взаимодействия. Теоретический расчет Onoclera [8] покл-1л, что за счет сильного спин-орбнтального взаимодействия в Csl р-орбитали эда формируют не одну, а две валентные зоны, разделенные узкой шелыо : 0,ЗэВ в спект])е плотности состояний (piîc. 4). Обе зоны попадают в пас-шную область для оже-ионизашш, и имеется уникальная возможность на-иодать на Csl межзонную дырочную раднолюмннесценшпо, которая к тому е не является «кросс-люминесценииен», так как создается нзлучательными зреходамн между валентными зонами, сформированными в основном орбн-алямн одного элемента — йода.

Для подтверждения правильности выдвинутой концепции нами нзмере-ы спектры быстрой люминесценции Csl при их возбуждении напосекундпым тастрошпдм пучком ускорителя ГИН-пОО. Схема измерений аналогична при-зденной на рис.. 2. Измеренный спектр покачан на рис. ó. По форме он близок приведенному в [7,9],'но принципиально отличается от пего следующим.

0 данным [7,9], спектр быстрой радполюминесцечшш (.'si резко обрывает-

1 в интервале 2,1 -г- 2, о эВ. Мы не обнаружили такого спада до ■! > H. :-)то Зстоятельство имеет важное значение для выяснения механизма радиолю-ннесцснции Csl. Общая ширина двух валентных зон Csl, по разным данным, вставляет от 2,0 до 2,5 эВ. Отсутствие обрыва показывает, что, по кранной ере, коротковолновая часть наблюдаемого спек тра Csl не ес.гь излучение ва-ентной зоны.

-2 Е, эВ -1 о

отя. ед.

Рис. 5. Спектры быстрой (1) и медленной (2) РЛ кристаллов Сэ1 при облу нии наносекундным пучком электронов.

Анализ всех экспериментальных данных и.результатов теоретических рас-1етов привел нас к выводу, что наблюдаемая быстрая радполюминесиешшя кристаллов Cslсостоит из двух составляющих. Первая —. мсжзонпая дыроч-1ая — дает резкий подъем интенсивности свечения в длинноволновой части щектра Ты < 1,4 эВ..Вторая — рнутризон.ная электронная люминесценция ---1ает пологую бесструктурную часть спектра в интервале 1, 5н- 3 эВ. По своим :войствам последняя полностью аналогична внутрнзонной радиолюмпнесцен-»ш, изученной на других 1ЦГК.

Основные результаты и выводы.

1.'Впервые рп'зр'ботаттп тт ¡"О^л^гт" -¡тт'ттгртт'.тгтттллт.ттр.я угтягтлпк*^ .»»*»-зующая новый тип научной аппаратуры для исследования быстропро-текающпх процессов в диэлектриках, основанный на синхронном воздействии на вещество двух мощных коротконмпульсных источников радиации. Установка включает пикосекундный YAG:Nd''+ лазер с пассивной синхронизацией мод, квантовыми усилителями и генераторами гармоник; наносекундный сильноточный ускоритель электронов типа «Радан-220»', построенный по схеме импульсного трансформачора, и спектрально-временную регистрирующую аппаратуру соответствующего временного разрешения с компьютеризованной системой обработки данных. Синхронизация работы лазера н ускорителя произведена с точностью не хуже ±1 не за счет формирования общего стартового сигнала в момент достижения порога свободной генерации и последующего лазерного под жига разрядника ускорителя.

2: Разработана методика"сравнительного~ исследования спектров люминесценции прозрачных диэлектриков, Г.озбуждпсмьтх ЛТГ.'МГ! enr^rov'iM!!: ПЛОТНЫМ электронным пучком IT ny'IVM двухфотонпого ПОГЛО'И.ЧШЯ че-......твёртой гармоники излучения YAC^Nd^^asepa.'Утий'метолом получено прямое доказательство явления внутризонной электронной радиолюминесценции диэлектриков. ВРЛ возникает в результате прямых пз-лучательных переходов сильно неравновесных лошпашюнно-иасспвных электронов между ветвями закона дисперсии внутри зоны проводимоеi и.

3. Выяснен механизм ннкосекундной радполымннесценнин (-si и показано сосуществование двух видов фундаментальной люминесценции зонных электронов и дырок: внутрнзонной электронной и межзонной дырочной.

Межзонная дырочная радиолюмннесценция создается излучательными переходами между валентными зонами, расщепленными узкой щелью « 0,ЗэВ в спектре состояний, которая образована р-орбиталями йода вследствие сильного спин-орбитального взаимодействия.

4. Исследовано, как влияет синхронное облучение плотным электронным пучком (длительность » 5 нс, энергия электронов « 220 кэВ, плотность пучка « 1014электрон/см2-имп) на порог оптического пробоя кристаллов NaCl пикосекундным лазерным импульсом (длительность импульса « 25 пс, длина волны 1,064 мкм). Установлено, что это влияние не сказывается в пределах 25%-погрешности измерений.

5. Установлено, что коэффициенты рэлеевского рассеяния газообразных азота и аргона не зависят от длительности лазерных импульсов с длиной волны 532 нм в диапазоне длительностей 15 -г 200 пс, 2 Ч- 20 не. В модельных рассеивающих средах с частицами радиусом от 0,4 до 15мкм ослабление лазерного излучения на длинах волн 1,06 мкм, 0,53 мкм; 0,69 мкм не зависит от длительности излучения в диапазоне времен 5 ч- 300 пс,

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1.. Донченко В.А., Кабанов М.В., Пальянов П.А. О рассеянии короткого светового импульса в диспергированной среде. // X Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. Секция IV. М., 1972, с. 351-354.

2. Донченко В.А., Зуев В.Е., Кабанов М.В., Красюк И.К., Пальянов П.А., Прохоров A.M. Об энергетическом ослаблении сверхкоротких импульсов оптического излучения рассеивающими средами. // Письма в ЖЭТФ, 19Y3, т. 18, вып. 4, с. 330-332.

3. Донченко В.А., Кабанов М.В., Малютин А.А,, Пальянов П.А. Ослабление короткого светового импульса в рассеивающей с.рг>де, //II Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере Тезисы докладов. Томск, 1973, с. 113-115.

4. Малютин A.A., Пальянов П.А. Об одной особенности при регистрации ■ последовательности световых импульсов. // III Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Тезисы докладов Томск, 1975, с. 261-262. .

5. Донченко В.А., Кабанов М.В., Пальянов П.А. Предварительные результаты экспериментальных исследований .распространения^пикосекундных лазерных импульсов в рассеивающей среде. // Проблемы рефракции и рассеяция оптических волн. Сборник трудов ИОА СО АН СССР. Томск, 1977, с. 5-13.

6. Донченко В.А., Землянов A.A., Кабанов М.В., Коханеико Г.П., Пальянов П.А. Экспериментальные исследования рэлеевского рассеяния сверх- коротких-лазерных импульсов в газах.-// V Всесоюзный симпозиум по

распространению лазерного излучения в атмосфере. Тезисы докладов.

• *■ : '-г»*-"1 г* - S-W |Vn'~--MUI&';ttLl¡. W-.IU4]- < JtißAi * *ЯИГ_>.«г»Л<ИДВУ.мД!* ы-к/г* И -. 1,'j . ИТ.' . ..', ,- ■■, , i- -—ч. ■« i

Томск, 197», -т. 1, с. 273-276.'- / ..... —------- - - -

7. Ведерникова Е.А., Кабанов М.В., Крутиков В.А., Пальянов П.А. О временном осреднении пространственной структуры рассеянного излучения. // Известия вузов. Физика, 1980, т. 23, №6, с. 56-62.

8. Землянов A.A., Пальянов П.А. О работе ФЭУ при приеме слабых импульсных сигналов. // VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Тезисы докладов. Томск, 1984, ч. 2, с. 254 -255.

9. Борисов II.IL, Землянов A.A., Пальянов П.А. Оптимизация ФЭУ в задаче о рэлеевском рассеянии импульсов света. // Там же, с. 264-265.

10. Донченко В.А., Землянов A.A.. Кабанов М.В., Пальянов H.A. Рэлеепское рассеяние наносекундных импульсов света. // Известия вузов. Физика, 1985, №10, с: 49-54.

11. Адуев Б.П., Вайсбурд Д.И., Пальянов П.А., Середкнн Й.А. Установка

для исследования люминесценции твердых тел при синхронном возбуждении пикосекундными лазерными и плотными электронными пучками. // IV Всесоюзное совещание «Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные среды». Тезисы докладов. Кемерово, 1986, ч. 2, с. 4-5. -

12. Адуев Б.И., Вайсбурд Д.И., Кондратов A.A., Пальянов Г1.А. Синхронизация ускорителя «Радан-220» с иикосекундным ОКГ на АИГ:Х<13+. // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Свердловск, 1990, ч. 3, с. 60-62.

13. Адуев Б.П., Вайсбурд Д.И., Кондратов A.A., Пальянов П.А. Синхронизированные лазерные пикосекундные и электронные субнаносекундные плотные пучки для возбуждения прозрачных диэлектриков. // Приборы и техника эксперимента, 1991, №3, с. 155-158.

14. Адуев Б.П./Кондратов A.A., Па,льянов П.А. Разрушение NaCl при электрон-фотонном воздействии. //II Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц». Тезисы докладов. Свердловск, 1991, с. 66-67.

15. Пальянов H.A. Способ определения коэффициентов молекулярного поглощения и суммарного аэрозольного и молекулярного рассеяния газовых сред. Авторское свидетельство 1699248 от 15 августа 1991 г.

16. Пальянов П.А. Способ определения коэффициентов молекулярного поглощения и суммарного аэрозольного и молекулярного рассеяния газовых сред. Авторское свидетельство 1699249 от 15 августа 1991 г.

17. Вайсбурд Д.И., Пальянов П.А., Семин Б.Н. Экспериментальное наблюдение в Csl двух видов фундаментальной люминесценции ионизационно-пассивных электронов и дырок— внутризонной электронной и межзонной дырочной. // 8 конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-8. Тезисы докладов. Томск, 1993, ч. 1, с. 83.

18. Вайсбурд Д.И., Пальянов H.A., Семин Б.Н. Прямое экспериментальное доказательство явления внутризонной радиолюминесценцни диэлектриков. // Там же, с. 86.

19. Вайсбурд Д.И., Пальянов П.А., Семин Б.Н. Прямое экспериментально« доказательство явления внутризоаной радиолюминесценции длэлектри ков. // Доклады РАН, 1993, т. 333, №'4, с. 452-456.

20. Вайсбурд Д.И., Пальянов H.A., Семин Б.Н., Шумский О.М. Одновре менное наблюдение внутризонной электронной и межзонной дырочно] радиолюминесценцни на кристаллах Csl. //Доклады РАН, 1994, т. 336 №1, с. 39-42. .

21. Вайсбурд Д.И., Пальянов H.A., Семин Б.Н. Радполюминесценция свс бедных ноншационно-пассивных электронов н дырок в диэлектрика}

//. Международная конференция по люминесценции. Тезисы докладов. Москва, 1994, ч. 1, с. 7.

Список цитируемой литературы

1. Вайсбурд Д.И-., Семин Б.П., Таванов Э.Г. и др. Высокоэнергстпческая электроника твердого тела. Новосибирск: Наука, 19S2. 220 с.

' 2. Вайсбурд Д.И., .Семин Б.П., Серобян Е.С., Трофимов В.Л. Синхро-■ ир^пашше сильноточные ускорители для облучения, твердых тел

пучками. // Приборы и техника эксперимента, 1986, №6, с. 135-138. • ■ .

3. Skowronek М., Vitet G., Bayer С. Mesure de la section Efficace Differentirlle Rayleigli du Moyen d'un laser a Rubis Declench. //La Journ. de Pliys. (France), 19^3, V. 34, pp! 229-234.

4. Skowronek M., Alayli J. Effect of the momentum transfer on the Rayleigh scattering cross section. // Phys. Rev. A, 1979, V.A 19, №6, pp. 2260-2269.

5. Вайсбурд Д.И., Семин Б.II. Внутризоиная радиолюминссценция диэлектриков. // Изв. РАН. Сер. физ., 1992. т. 56, №2, с. 103-112.

6. Александров 10.М., Махов В.II., Родный П.А. и др. Собственная люминесценция BaF2 при импульсном возбуждении ашхротронным излучением. // ФТТ, 1984, т. 26, вып. 9, с. 2865-2867.

7. Алукер Э.Д., ГаврйЛйв В.В., Дейч Р.Г., Чернов С.А. Сверхбыстрая люминесценция Csl. // Письма в ЖЭТФ, 1988, т. 47, вып. 2, с. 116-117; — -

8. Onodera J: Energy bands of Csl (Green's function method). //J. Phys, Soc. Japan, 1968, V. 25, №2, pp. 469-480. - ,

9. Deich R., Karklina M., Nagli L. Intraband luminescence of Csl crystal. // Solid State Communs., 1989, V. 71, №10, pp. 859-862.

Заказ Тираж 100

УОП ТГУ, Томск, 'V:i.;;iin-rfat4.