Помощь студентам в учебе
Исследование влияния концентрации иона празеодима на люминесценцию стекол активированных Tb/Pr
|
1 Физические свойства и практическое применение материалов
активированных ионами Tb/Pr 18
1.1 Энергетическая структура и люминесцентные свойства Tb и Рг 18
1.2 Применение материалов, активированных Tb/Pr 24
2 Техника исследований и образцы 30
2.1 Методика эксперимента и образцы 30
2.2 Техника эксперимента 31
2.3 Исследовательский комплекс для спектрально кинетических
исследований 33
3 Спектрально-кинетические характеристики люминесценции и
оптические свойства стёкол легированных Tb3+/Pr3+ с различной концентрацией Pr3+ 36
3.1 Оптические свойства 36
3.2 Импульсная фотолюминесценция 38
3.3 Импульсная катодолюминесценция 40
3.4 Кинетики затухания люминесценции 43
3.5 Кинетические характеристики люминесценции стекол при изменении
плотности возбуждения 46
3.6 Исследование светосуммы выхода и цветовой температуры 47
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение 50
4.1 Расчет FAST - анализа. 50
4.2 Инициация проекта 59
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом 61
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта 61
4.3.2 Контрольные события проекта 62
4.3.3 План проекта 62
4.3.4 Бюджет научного исследования 64
4.3.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования. 69
5 Социальная ответственность 73
5.1 Анализ вредных факторов на рабочем месте 73
5.1.1 Санитарные требования к помещению лаборатории 74
5.1.2 Микроклимат 74
5.1.3 Уровень шума 76
5.1.4 Освещение 77
5.1.5 Электробезопасность 82
5.1.6 Расчет защитного заземления 85
5.1.7 Пожарная безопасность 87
5.1.8 Инструкции 90
5.2 Охрана окружающей среды 91
5.3 Защита в ЧС 91
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 92
Заключение 95
Список литературы 96
Приложение А 99
активированных ионами Tb/Pr 18
1.1 Энергетическая структура и люминесцентные свойства Tb и Рг 18
1.2 Применение материалов, активированных Tb/Pr 24
2 Техника исследований и образцы 30
2.1 Методика эксперимента и образцы 30
2.2 Техника эксперимента 31
2.3 Исследовательский комплекс для спектрально кинетических
исследований 33
3 Спектрально-кинетические характеристики люминесценции и
оптические свойства стёкол легированных Tb3+/Pr3+ с различной концентрацией Pr3+ 36
3.1 Оптические свойства 36
3.2 Импульсная фотолюминесценция 38
3.3 Импульсная катодолюминесценция 40
3.4 Кинетики затухания люминесценции 43
3.5 Кинетические характеристики люминесценции стекол при изменении
плотности возбуждения 46
3.6 Исследование светосуммы выхода и цветовой температуры 47
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение 50
4.1 Расчет FAST - анализа. 50
4.2 Инициация проекта 59
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом 61
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта 61
4.3.2 Контрольные события проекта 62
4.3.3 План проекта 62
4.3.4 Бюджет научного исследования 64
4.3.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования. 69
5 Социальная ответственность 73
5.1 Анализ вредных факторов на рабочем месте 73
5.1.1 Санитарные требования к помещению лаборатории 74
5.1.2 Микроклимат 74
5.1.3 Уровень шума 76
5.1.4 Освещение 77
5.1.5 Электробезопасность 82
5.1.6 Расчет защитного заземления 85
5.1.7 Пожарная безопасность 87
5.1.8 Инструкции 90
5.2 Охрана окружающей среды 91
5.3 Защита в ЧС 91
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 92
Заключение 95
Список литературы 96
Приложение А 99
Стеклообразные материалы активированные РЗИ (редкоземельные ионы) широко применяются в оптико-электронных приборах в качестве оптически-активных сред в лазерах, преобразователях и усилителях излучения, сцинтилляторах, дисплеях и т.д. [3-5] Стекла имеют широкий диапазон изменения физико-химических, теплофизических и оптических свойств, что определяет их перспективность для изготовления элементов фотоники.
Эффективность процесса свечения определяется процессами переноса энергии возбуждения между матрицей и активатором, между активаторами. Вероятность излучательного или безызлучательного переноса энергии будет определяться структурой матрицы, типом и количеством ионов-активаторов, их распределением в объеме материала. В стеклах на фосфатной основе миграция энергии происходит более эффективно, по сравнению с силикатными [2]. Кроме того, фосфатные стекла имеют низкий показатель преломления и низкую величину дисперсии. Поэтому в качестве матрицы использовались стекла на фосфатной основе. Введение в состав оксида лития и бора увеличивает сечение захвата ионизирующего излучения, в частности, тепловых нейтронов.
Применение активированных стекол в качестве материалов для детектирования ионизирующего излучения обусловлено возможностью создавать элементы любой протяженности и формы, высокой однородностью среды, хорошей растворимостью РЗИ, низкой стоимостью (по сравнению с кристаллами). При этом, стекла «проигрывают» кристаллам по величине светового выхода. Поиск путей увеличения светового выхода для стеклообразных сред является актуальным. Исследования в этой области ведутся в направлении поиска и оптимизации составов ионов-активаторов, модификации структуры матрицы стекла. Исследование закономерностей влияния типа и количества активаторов, состава матрицы на люминесцентные характеристики стекла дает возможность установить механизмы взаимодействия матрицы и активатора, найти способы управления излучательными характеристиками оптически-активного материала.
Потребность в таких материалах с различными харасктритиками растет в силу развития областей применения ионизирующего излучения: медицинская томография, неразрушающий контроль, физика высоких энергий.
Выбор ионов-активаторов обусловлен несколькими факторами: 1) высокий квантовый выход излучения, 2) корреляция спектрального состава излучения со спектром чувствительности фотоприемников, применяемых в сцинтилляционной технике, 3) возможность сенсибилизации люминесценции при со активировании парами ионов [8]. Ионы тербия обладают интенсивной люминесценцией в видимой области, максимум излучения приходится на 544 нм, ионы празеодима за счет богатой энергетической структуры излучают в видимой и ИК области, имеют интенсивные полосы поглощения в видимой области. Соактивация ионами Рг и Tb кристаллов и стекол при определенных условиях, дает «белое» свечение [1], что позволяет использовать их как преобразователи излучения «синих» и ультрафиолетовых чипов для светодиодов.
Несмотря на многолетние и активные исследования области спектроскопии стекол, активированных РЗИ, их спектрально-люминесцентные свойства до сих пор не получили объяснение в такой же степени, как свойства активированных кристаллов. Это обусловлено сложностью структуры стекол, многообразием факторов, влияющих на процессы переноса энергии возбуждения в слабоупорядоченных структурах. Поэтому, исследование влияния изменения концентрации иона празеодима при фиксированной концентрации иона тербия в стеклянной матрице является актуальным. Использование методов импульсной спектрометрии с временным разрешением при возбуждении электронным пучком позволит получить новые закономерности и изучить процессы переноса энергии возбуждения.
Объектом исследования в настоящей работе являются литий-фосфат- боратные стекла (ЛФБС), активированные редкоземельными элементами (Tb, Рг).
Цель работы: установление закономерностей влияния концентрации иона празеодима на спектрально-кинетические характеристики и световой выход люминесценции литий-фосфат-боратных сцинтилляционных стекол, активированных Tb/Pr.
Основные задачи исследований:
1. Исследование оптических свойств образцов ЛФБС легированных (Tb/Pr) с концентрацией Pr от 0,2 до 1 вес%.
2. Исследование спектров возбуждения люминесценции, фотолюминесценции, катодолюминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr, с различной концентрацией Pr.
3. Исследование зависимости характеристического времени затухания люминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr, от концентрации празеодима, от плотности энергии возбуждения.
5. Анализ процессов переноса энергии возбуждения между ионами тербия и празеодима.
6. Исследование светового выхода и цветовых характеристик катодолюминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr.
Эффективность процесса свечения определяется процессами переноса энергии возбуждения между матрицей и активатором, между активаторами. Вероятность излучательного или безызлучательного переноса энергии будет определяться структурой матрицы, типом и количеством ионов-активаторов, их распределением в объеме материала. В стеклах на фосфатной основе миграция энергии происходит более эффективно, по сравнению с силикатными [2]. Кроме того, фосфатные стекла имеют низкий показатель преломления и низкую величину дисперсии. Поэтому в качестве матрицы использовались стекла на фосфатной основе. Введение в состав оксида лития и бора увеличивает сечение захвата ионизирующего излучения, в частности, тепловых нейтронов.
Применение активированных стекол в качестве материалов для детектирования ионизирующего излучения обусловлено возможностью создавать элементы любой протяженности и формы, высокой однородностью среды, хорошей растворимостью РЗИ, низкой стоимостью (по сравнению с кристаллами). При этом, стекла «проигрывают» кристаллам по величине светового выхода. Поиск путей увеличения светового выхода для стеклообразных сред является актуальным. Исследования в этой области ведутся в направлении поиска и оптимизации составов ионов-активаторов, модификации структуры матрицы стекла. Исследование закономерностей влияния типа и количества активаторов, состава матрицы на люминесцентные характеристики стекла дает возможность установить механизмы взаимодействия матрицы и активатора, найти способы управления излучательными характеристиками оптически-активного материала.
Потребность в таких материалах с различными харасктритиками растет в силу развития областей применения ионизирующего излучения: медицинская томография, неразрушающий контроль, физика высоких энергий.
Выбор ионов-активаторов обусловлен несколькими факторами: 1) высокий квантовый выход излучения, 2) корреляция спектрального состава излучения со спектром чувствительности фотоприемников, применяемых в сцинтилляционной технике, 3) возможность сенсибилизации люминесценции при со активировании парами ионов [8]. Ионы тербия обладают интенсивной люминесценцией в видимой области, максимум излучения приходится на 544 нм, ионы празеодима за счет богатой энергетической структуры излучают в видимой и ИК области, имеют интенсивные полосы поглощения в видимой области. Соактивация ионами Рг и Tb кристаллов и стекол при определенных условиях, дает «белое» свечение [1], что позволяет использовать их как преобразователи излучения «синих» и ультрафиолетовых чипов для светодиодов.
Несмотря на многолетние и активные исследования области спектроскопии стекол, активированных РЗИ, их спектрально-люминесцентные свойства до сих пор не получили объяснение в такой же степени, как свойства активированных кристаллов. Это обусловлено сложностью структуры стекол, многообразием факторов, влияющих на процессы переноса энергии возбуждения в слабоупорядоченных структурах. Поэтому, исследование влияния изменения концентрации иона празеодима при фиксированной концентрации иона тербия в стеклянной матрице является актуальным. Использование методов импульсной спектрометрии с временным разрешением при возбуждении электронным пучком позволит получить новые закономерности и изучить процессы переноса энергии возбуждения.
Объектом исследования в настоящей работе являются литий-фосфат- боратные стекла (ЛФБС), активированные редкоземельными элементами (Tb, Рг).
Цель работы: установление закономерностей влияния концентрации иона празеодима на спектрально-кинетические характеристики и световой выход люминесценции литий-фосфат-боратных сцинтилляционных стекол, активированных Tb/Pr.
Основные задачи исследований:
1. Исследование оптических свойств образцов ЛФБС легированных (Tb/Pr) с концентрацией Pr от 0,2 до 1 вес%.
2. Исследование спектров возбуждения люминесценции, фотолюминесценции, катодолюминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr, с различной концентрацией Pr.
3. Исследование зависимости характеристического времени затухания люминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr, от концентрации празеодима, от плотности энергии возбуждения.
5. Анализ процессов переноса энергии возбуждения между ионами тербия и празеодима.
6. Исследование светового выхода и цветовых характеристик катодолюминесценции образцов стекол, активированных Tb/Pr.
Исследованы оптические и спектрально-кинетические свойства стекол легированных Tb и Pr c различной концентрацией ионов Рг. Измерены спектры стекол при возбуждении потоком ускоренных электронов с мили- и микросекундным временным разрешением, а так же интегральные спектры свечения. В миллисекундном временном диапазоне спектр состоит из ряда полос 490, 545, 585, 615 нм. Изучены кинетики затухания в основных полосах свечения, так же выявлена тенденция уменьшения интенсивности люминесценции тербия с ростом концентрации ионов празеодима.
• Изучены спектрально-кинетические закономерности люминесценции литий-фосфат-боратных стеклол, активированных Tb, Pr, Tb/Pr при возбуждении импульсным электронным пучком.
• С ростом концентрации Рг в образцах стекла, уменьшается интенсивность всех полос свечения ионов тербия.
• Полосы свечения иона празеодима в интегральных спектрах люминесценции не проявляются; в спектрах, измеренных с временным разрешением полосы свечения иона празеодима регистрируются в микросекундном временном диапазоне.
• Введение празеодима уменьшает соотношение полос свечения тербия, наблюдается «тушение» люминесценции тербия в "синей" области спектра для образцов, активированных Tb/Pr.
• Установлено что концентрация празеодима влияет на характер кинетики затухания свечения тербия. Время затухания коротковременного и длинновременого компонента уменьшается с ростом концентрации празеодима.
• При увеличении плотности возбуждения, увеличивается интенсивность свечения полос ионов тербия, однако изменение характера кинетики затухания не наблюдается.
• Обнаружено изменение цветности катодолюмиинесценции стекол, при увеличении концентрации Рг , происходит смещение координат цветности в синюю область спектра.
Рекомендации: полученные результаты могут быть использованы при разработке материалов фотоники, для оптимизации состава и концентрации активаторов.
В работе рассмотрены вопросы финансового менеджмента, ресурсоэффективности и ресурсосбережения в области научных разработок, проработаны вопросы охраны труда в условиях вредных и опасных факторов.
• Изучены спектрально-кинетические закономерности люминесценции литий-фосфат-боратных стеклол, активированных Tb, Pr, Tb/Pr при возбуждении импульсным электронным пучком.
• С ростом концентрации Рг в образцах стекла, уменьшается интенсивность всех полос свечения ионов тербия.
• Полосы свечения иона празеодима в интегральных спектрах люминесценции не проявляются; в спектрах, измеренных с временным разрешением полосы свечения иона празеодима регистрируются в микросекундном временном диапазоне.
• Введение празеодима уменьшает соотношение полос свечения тербия, наблюдается «тушение» люминесценции тербия в "синей" области спектра для образцов, активированных Tb/Pr.
• Установлено что концентрация празеодима влияет на характер кинетики затухания свечения тербия. Время затухания коротковременного и длинновременого компонента уменьшается с ростом концентрации празеодима.
• При увеличении плотности возбуждения, увеличивается интенсивность свечения полос ионов тербия, однако изменение характера кинетики затухания не наблюдается.
• Обнаружено изменение цветности катодолюмиинесценции стекол, при увеличении концентрации Рг , происходит смещение координат цветности в синюю область спектра.
Рекомендации: полученные результаты могут быть использованы при разработке материалов фотоники, для оптимизации состава и концентрации активаторов.
В работе рассмотрены вопросы финансового менеджмента, ресурсоэффективности и ресурсосбережения в области научных разработок, проработаны вопросы охраны труда в условиях вредных и опасных факторов.