ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
SCINTILLATIONMATERIALS
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ВВЕДЕНИЕ
Я начну с коротких исторических замечаний. В 1951 г. ректором университета стал академик Эстонской Академии наук Федор Клемент, 100-летие которого в мае 2003 г. отметил Тартуский университет. Профессор Клемент был одним из пионеров зарождавшейся в тридцатые-сороковые годы в Европе (и, в частности, в нынешнем Санкт-Петербурге, где в то время работал Клемент) области физики, связанной с явлениями люминесценции твердотельных материалов. В наше время эти явления широко изучаются во всем мире и находят широкое и разнообразное применение: дома – это люминесцирующие под действием электронного пучка экраны цветных телевизоров, на улицах – разного типа люминесцентные лампы, эффективность которых в несколько раз превосходит обычные лампы накаливания. В физике высоких энергий многие фундаментальные явления были открыты и детально изучены благодаря использованию для регистрации частиц твердотельных люминесцентных экранов: именно на этих экранах возникают вспышки свечения (сцинтилляции) при попадании на них отдельных электронов, протонов, нейтронов, a‑частиц, g-квантов и т.д. На заре ХХ века выдающийся физик Резерфорд сделал важный вывод, что почти вся масса атома сконцентрирована в его крошечном ядре, именно наблюдая в темноте одиночные вспышки свечения, которые возникали при попадании на экран из сернистого цинка (ZnS) a-частиц, рассеянных под разными углами. В шестидесятые годы ХХ века в гигантской индустриальной установке, использующей столкновение встречных пучков частиц огромной энергии, американские ученые обнаружили антипротон опять с помощью сцинтилляционных детекторов. Конечно, в этом случае вспышки свечения регистрировались не глазом, а сложными фотоэлектронными системами.
|
|
|
Как вы знаете, в наши дни широкое распространение получила ядерная энергетика и в таких странах как Япония, Франция, США, Россия, Германия значительная часть электрической энергии получается именно на атомных станциях. По-видимому, еще при вашей жизни, когда невосполнимые нефтяные и газовые запасы Земли сильно поубавятся, ядерная энергетика (использующая энергию, выделяемую при делении тяжелых ядер), а возможно и термоядерная энергетика (где используется энергия, выделяющаяся при синтезе легких ядер) будет играть определяющую роль в мировой энергетике. А это в свою очередь означает, что будет расти потребность и в самых разнообразных приборах контроля за радиационной безопасностью обслуживающего атомные станции персонала, да и всего населения Земли. Для измерения доз радиации, которая поглощена человеком, уже широко используются люминесцирующие материалы в виде небольших таблеток, способные во время облучения запасать полученную энергию, а затем при специальном прогреве или дополнительной подсветке лампой или лазером эта запасенная энергия выделяется в виде люминесценции. Эту люминесценцию регистрируют с помощью фотоэлектрической аппаратуры и таким образом определяют дозу радиации, попавшую в область таблетки, расположенной на теле человека.
|
|
|
Медицинские исследования давно показали, что одинаковые дозы энергии, поглощенные человеком при разных видах радиационного воздействия, очень по-разному вредят жизнедеятельности человека. Например, поглощенная доза облучения протонами или нейтронами примерно в 20 раз вреднее, чем такая же поглощенная человеком доза при облучении g- или рентгеновскими лучами. После 2ой мировой войны, в течение длительного времени в массовой персональной дозиметрии использовали люминесцирующие дозиметрические материалы, которые при попадании на них слабых смешанных потоков g-лучей и нейтронов давали явно заниженные данные о величине радиационного повреждения человека, так как практически не учитывали очень вредного влияния нейтронов. Теперь, конечно, ситуация не такая, но и сейчас постоянно возникают потребности в улучшении существующих и разработке новых дозиметрических материалов селективного действия. Конечно, нельзя исключить и проблемы, возникающие в нестационарных условиях (локальные военные действия, террористические акции), в результате которых наблюдается сильное кратковременное или более длительное и слабое радиационное облучение.
|
|
|
В Институте физики Тартуского университета, как я уже сказал, более полувека ведутся научные и научно-прикладные исследования физических явлений в твердотельных материалах. В течение длительного времени TÜ FI имеет научные контакты со многими научно-прикладными институтами России, а в последние 15 лет и с институтами Швеции, Финляндии, Германии, Чехии, Италии, США, Японии, не говоря уже о ближайших наших соседях – Латвии. Кажется, самые сложные для науки годы уже пройдены.
В этом году я несколько обновил курс, так как за последние годы радиационная физика материалов, которая лежит в основе курса, продолжила свое развитие. Принято решение о строительстве во Франции международного термоядерного экспериментального реактора ITER. Затем предстоит разработать и существенно более мощные промышленные реакторы, где энергия выделяется при синтезе изотопов водорода. Последняя задача трудна не только для ученых, занимающихся устойчивой термоядерной плазмой (там достигли значительных успехов), но и для нас с вами – материаловедов. По мнению многих специалистов, "ахиллесовой пятой" мощной термоядерной энергетики является недостаточная радиационная стойкость конструкционных материалов для таких реакторов. В процессе длительной эксплуатации и в металлах, и в лучших диэлектрических материалах (о которых я и буду говорить в курсе) под воздействием быстрых нейтронов, ионов и разных видов коротковолновой радиации создаются дефекты – сначала наноразмерные, а затем и микро- и макроразмерные. В результате, материал выходит из строя. Проблема радиационной стойкости материалов очень масштабная, не исключено, что именно вашему поколению и удастся ее решить. Хочу отметить, что эстонские физики готовы участвовать в решении этой задачи, в нашей лаборатории уже напрямую занимаются поиском путей повышения радиационной стойкости диэлектрических материалов.
|
|
|
Я надеюсь, что коротко пояснил, почему и для чего будет прочтен курс лекций по дозиметрическим и сцинтиляционным материалам. К великому сожалению, я не могу рекомендовать вам ни одного специального печатного издания по курсу на эстонском языке. Имеются книги и обзоры в журналах на английском и русских языках, их много, но они в основном посвящены важным, но специальным аспектам проблемы. Поэтому их самостоятельное использование затруднено. Кроме того, для глубокого усвоения курса нужны базовые данные по физике твердого тела, радиационной физике, материаловедению и даже по медицине и биофизике. Поэтому читать этот курс мне будет трудно. Советую конспектировать лекции, я же постараюсь раздавать вам к лекции иллюстративный материал и давать ссылки на книги, близкие по содержанию к той или иной моей лекции.
Общий план курса перед вами. Сначала я рассмотрю современные базовые представления об основных физических процессах в твердых телах, связанных с излучением (в основном, люминесценцией) твердых тел и поглощением твердыми телами электромагнитных колебаний(см. Программу курса).
1. Введение.
Детектирование и дозиметрия радиации с использованием твердотельных материалов. Роль дозиметрических и сцинтилляционных материалов в современной энергетике, экологии, физике, химии, технике, тонких промышленных технологиях, технике радиационной безопасности и т.д.
2. Элементарные физические явления в твердых телах, лежащие в основе функционирования дозиметрических и сцинтилляционных материалов.
Оптические явления в твердых телах (люминесценция, поглощение). Структура идеальных кристаллов, типы плотнейших упаковок решетки, типы связей. Энергетическая структура металлов, узкощелевых полупроводников и широкощелевых диэлектриков. Зонная структура диэлектрических материалов. Квазичастицы в твердых телах (электроны проводимости, дырки, фононы, экситоны). Проявления электронно-дырочных и экситонных процессов в спектрах возбуждения фотопроводимости, внешнего фотоэффекта, различных видов люминесценции.
Дефекты кристаллической структуры. Точечные дефекты Шоттки и Френкеля, дислокации, поверхностные и объемные дефекты. Твердые растворы примесных ионов в кристаллах. Оптические характеристики центров люминесценции в широкощелевых материалах с учетом взаимодействия с колебаниями. Адиабатические потенциалы. Приближение Франка-Кондона. Термализованная и горячая люминесценция. Бесфононные линии. Тепловое и оптическое тушение. Безызлучательные переходы.
3. Взаимодействие электронов, протонов и ионов с материалами.
Взаимодействие медленных электронов со свободными атомами и кристаллообразующими частицами (эффект Франка-Герца). Спектры энергетических потерь электронов в твердых телах. Поперечные и продольные электронные возбуждения. Взаимодействие материалов с протонами и a-частицами. Треки частиц. Ионизационные потери в треках. Эффекты при разных величинах линейных потерь энергии. Тормозное излучение. Создание дефектов Френкеля при столкновении протонов с ионами. Треки тяжелых ионов в условиях сверхвысоких dE/dx. Экспериментальные проявления структуры треков тяжелых частиц.
Общая схема эволюции электронных возбуждений при детектировании частиц и квантов большой энергии. Создание и быстрая релаксация первичных и промежуточных электронных возбуждений. Релаксированные экситоны, электроны и дырки. Передача энергии центрам люминесценции. Элементарные процессы размножения электронных возбуждений.
4. Сцинтилляционные быстрые детекторы радиации.
Общие характеристики неорганических сцинтилляторов. Световой выход. Длительность сцинтилляционного импульса. Послесвечение. Радиационная стойкость. Применение сцинтилляторов в физике высоких энергий, радиационной физике средних энергий, медицине, геологоразведке и т.д.
5. Современные сцинтилляционные материалы.
Классические сцинтилляторы NaI:Tl, CsI:Tl и CsI:Na. Элементарные механизмы их функционирования. Новые сцинтилляторы на основе оксидов и оксидных систем, легированных ионами Ce3+ и др. Быстрые высокотемпературные сцинтилляторы с использованием собственной кросс-люминесценции BaF2, KBaF3 и YBaF5 .
6. Методы дозиметрии.
Высокочувствительная термолюминесцентная дозиметрия с применением равномерного и фракционного нагрева. Линейные, сублинейные и сверхлинейные процессы при термостимулированной люминесценции. Нарушения взаимо-заместимости интенсивности и длительности облучения. Фотостимулированная люминесценция и дозиметрия. Трековая дозиметрия тяжелых частиц.
7. Материалы для персональной и технологической дозиметрии.
Материалы на основе LiF, CaF2 и LiBaF3 для дозиметрииa-, b-, g-лучей и тепловых нейтронов. Дозиметры на основе Al2O3 и CaSO4 для g-дозиметрии. Материалы для дозиметрии быстрых нейтронов с использованием селективного создания дефектов (MgO) и сверхлинейных электронно-дырочных процессов (CaS и др.).
8. Некоторые специальные применения дозиметрических и сцинтилляционных материалов. Нерешенные проблемы и перспективы.
Литература:
1. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, New York, Willey, 1988, 1996;
Ч. Киттель, Введение в физику твердого тела, М., Наука, 1978.
2. P.A. Rodnyi, Physical Processes in Inorganic Scintillators, Boca Ratom, New York, CRC Press, 1997.
3. S.W.S. MsKeever, M. Moscovitch and P.D. Townsend, ThermoluminescenceDosimetry Materials: Properties and Uses, Ashford, Nuclear Technology Publishing, 1995.
4. Ч.Б. Лущик и А.Ч. Лущик, Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах. М., Наука, 1989.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
Люминесценция
Я начну с определения одного из основных оптических явлений, которое активно используется для детектирования или дозиметрии разных видов радиации с помощью твердотельных материалов. Если твердое тело находится в возбужденном состоянии, то может наблюдаться испускание электромагнитного излучения – люминесценция (т.е. это процесс обратный поглощению света). Вообще говоря, существует несколько видов свечения вещества: температурное излучение, люминесценция, отражение и рассеяние света, излучение Вавилова-Черенкова.
Академик Сергей Вавилов дал следующее определение: люминесценция есть избыточное над тепловым испускание тела в том случае, если этот избыток обладает конечной длительностью, превышающей время фазовой релаксации (период световых колебаний, ~10-14-10-15 s. Обычно у фотолюминесценции t = 10-9 – 10-6 s).
Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового излучения, которое является равновесным (т.е. для его появления не требуется никаких внешних воздействий). Из общего курса физики и своего собственного опыта вы знаете, что тела, нагретые до достаточно высокой температуры, испускают тепловое свечение, распределение которого по энергии излучаемых фотонов (hn, или l ‑ длине волны излучения) дается с учетом квантовых эффектов распределением Планка для абсолютно черного тела. Поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется испускательной способностью (эмиссионная способность).
(1)
Итак, температура – это параметр от которого резко зависит тепловое излучение: чем вышеТ, тем ярче светится абсолютно черное тело и при росте Т максимум кривой распределение смещается в область больших n.
Если имеем дело не с абсолютно черным телом, то нужно учесть коэффициент черноты, реальные тела излучают меньше (их поглощательная способность < 1, а излучение тем значительнее, чем больше поглощение). Используют такое понятие как яркостная температура тела – это T абсолютно черного тела, при которой оно имеет такое же спектральное распределение (1). Распределение солнечной радиации соответствует T ~ 6000 K в (1), излучение ламп накалывания обычно соответствует T » 3000 K. Итак, люминесценция – это надтепловое свечение (т.е. сверхравновесное).
Вторая часть определения позволяет отделить люминесценция от других типов неравновесного свечения, имеющих очень малую длительность (сравнимую с t » 10-15 s). Это отражение света, рассеяние света и излучение Вавилова-Черенкова.
Если мы воздействуем на кристалл монохроматической радиацией (т.е. имеем неравновесный процесс) с энергией квантов hnexc, то кроме истиной люминесценции кристалла и фотонов hnexc,отражающихся от поверхностей кристалла, можно зарегистрировать там фотоны с несколько большей и меньшей энергией, hnexc ± hnvib – это так называемое комбинационное (или Рамановское) рассеяние, возникающее при взаимодействии внешнего излучения с колеблющимися ионами кристалла. Если в кристалле возможно, например, колебание с одной частотой hnvib и hnvib << hnexc, то в результате рассеяния кроме фотонов hnexc из кристалла выходят и hnexc + hnvib (когда энергия колебания добавляется к фотону), и hnexc ‑ hnvib (когда за счет части энергии падающего фотона происходит рождение фонона – кванта колебания). Длительность рассеянного света (как и отраженного) t << 10-9 s.
Еще один случай надтеплового свечения, не являющегося люминесценцией, – это свечение Вавилова-Черенкова. Если кто-то из вас был на исследовательском реакторе (в 1961-98 гг. такой реактор был у наших коллег из Института физики в Саласпилсе) – то мог бы видеть довольно яркое голубое свечение в охлаждающем водяном бассейне реактора. Когда-то это свечение принимали за обычную люминесценцию примесей, находящихся в воде. Это свечение исследовал аспирант Вавилова П. Черенков: было установлено, что это очень быстрое свечение (как и отражение с рассеянием) обусловлено свечением электронов, движущихся в воде со скоростью выше скорости света в этой среде (но не в вакууме!). Аналог этого эффекта – резкий звук, который мы слышим, когда реактивный самолет при взлете превышает скорость звука. О различных типах люминесценции мы поговорим позже, после краткого рассмотрения квантовомеханической энергетической структуры твердых тел.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 257; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!