Вплив високотемпературної обробки на оптичні та сцинтиляційні властивості монокристалів на основі ітрій алюмінієвого граната

Abstract

В роботі вперше було проведено вирощування монокристалу ітрій алюмінієвого гранату, активованого 1 ат. % церія, та, співактивоаваного 0,75 ат. % кальцію та 0,25 ат. % магнію. Для цього попередньо було проведено процес твердофазного синтезу початкової сировини з подальшим завантаженням сировини в тигель та вирощуванням кристалу методом Чохральського з вольфрамового тиглю у відновній атмосфері суміші газів Ar+CO. З верхньої та нижньої частини кристалічної булі було виготовлено оптично прозорі зразки з розмірами 5х5х2 мм для визначення розподілу властивостей по довжині кристалу. Зразки кристалу відпалювались в атмосфері повітря впродовж 60 годин при температурах 1100 оС, 1300 оС, 1500 оС для визначення оптимальної температури відпалу. Було визначено оптичні та сцинтиляційні властивості зразків кристалу до та після відпалу. Встановлено, що високотемпературний відпал у окислювальному середовищі значно впливає на оптичне поглинання, пригнічуючи смугу поглинанння тривалентного церію. Натомість, інтенсивність рентгенівської люмінесценції значно зростає у відпалених зразках, а смуга люмінесценції, що відповідає переходам в іонах тривалентного церію при фотозбуджені навпаки зникає зі збільшенням температури відпалу. Що вказує на утворення в гартці кристалу іонів чотирьохвалентного церію. Встановлено позитивний вплив відпалу на сцинтиляційні характеристики кристалу YAG:Ce,Ca,Mg. Після відпалу світловий вихід зростає приблизно в п’ять разів незалежно від значення температури відпалу. Значення часів сцинтиляційного загасання скорочується приблизно на 20 % під впливом окислювального відпалу.

In the work, for the first time, single crystal of yttrium aluminum garnet activated by 1 at.% cerium, and, co-activated by 0.75 at.% calcium and 0.25 at.% magnesium was grown. For this purpose, the process of solid-phase synthesis of the initial raw material was previously carried out, followed by loading the raw material into the crucible and growing the crystal by the Czochralski method from a tungsten crucible in a reducing atmosphere of a mixture of Ar + CO gases. From the top and bottom of the crystal boule, 5x5x2 mm3 optically transparent samples were made to determine the distribution of properties along the length of the crystal. Samples of the crystal were annealed in the air for 60 hours at temperatures of 1100 ° C, 1300 ° C, 1500 ° C to determine the optimal annealing temperature. The optical and scintillation properties of the crystal samples before and after annealing were determined. It has been found that high temperature annealing in an oxidizing medium significantly affects optical absorption by inhibiting the absorption band of trivalent cerium. Instead, the intensity of X-ray luminescence increases significantly in annealed samples, and the luminescence band corresponding to transitions in trivalent cerium ions during photoexcitation, on the contrary, disappears with an increase in annealing temperature. This indicates the formation of tetravalent cerium ions in the crystal lattice. The positive effect of annealing on the scintillation characteristics of the YAG: Ce, Ca, Mg crystal. After annealing, the light output increases by about five times regardless of the annealing temperature. Scintillation decay times are reduced by approximately 20 % by oxidative annealing.