ИССЛЕДОВАНИЕ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА В АЛМАЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА СЭНЕРГИЯМИ ДО 300 КЭВ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 300-800 К
Аннотация
Обозначения и сокращения 3
Введение 4
1 Основные свойства катодолюминесценции, излучения Вавилова-Черенкова, а также
методы спектроскопического анализа образцов 6
1.1 Основные свойства люминесценции. Катодолюминесценция 6
1.2 Основные свойства излучения Вавилова-Черенкова 9
1.3 Методы исследования состава образцов на основе ИК и КР спектроскопии 13
2 Экспериментальное оборудование и методики измерений 15
3 Результаты и анализ экспериментальных исследований 18
3.1 Результаты и анализ экспериментальных исследований свечения и оптического
пропускания различных алмазных образцов 18
3.2 Результаты и анализ экспериментальных исследований спектров ИК-поглощения и
спектров КР различных алмазных образцов 23
Заключение 26
Список использованных источников и литературы 27
Детекторы высокоэнергетичных частиц применяются в различных областях науки и техники. Наиболее распространенными являются черенковские детекторы (ЧД), работающие на основе излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) и сцинтилляционные детекторы. Черенковские детекторы позволяют более точно определять такие параметры заряженных частиц, как ее тип, энергию и массу ЧД чаще применяются для регистрации заряженных частиц с энергией единицы-десятки МэВ, однако существуют области применения ЧД, где они регистрируют потоки электронов с энергией десятки-сотни кэВ. При таких энергиях электронов в материале радиатора ЧД (среды, в которой возникает ИВЧ) помимо ИВЧ может возникать и катодолюминесценция, которая будет искажать сигнал ИВЧ, регистрируемый ЧД. Поэтому информация о вкладе КЛ и ИВЧ в спектр свечения материала радиатора ЧД при воздействии пучком электронов с энергией десятки- сотни кэВ является очень важной.
В настоящее время одной из наиболее важных областей применения ЧД является регистрация убегающих электронов (УЭ) в установках термоядерного синтеза типа токамак. Известно, что основная энергия таких электронов составляет десятки-сотни кэВ [1]. Появление УЭ в токамаках может негативно сказаться на работе самой установки, и привести к частичному или полному выходу её из строя. Поэтому контроль УЭ в токамаках является важной задачей. Во время работы в токамаках создаются экстремальные условия: высокая температура (выше 500 К) и высокий радиационный фон [1]. По этой причине выбору материала радиатора ЧД в токамаках уделяют особое внимание. Наиболее перспективным материалом радиатора, способным работать в таких экстремальных условиях, является алмаз, так как он обладает высокой температурной, радиационной стойкостью и электрической прочностью. Кроме того, за счет высокого показателя преломления, алмаз имеет низкую пороговую энергию возникновения в нем ИВЧ, которая составляет ~ 50 кэВ.
Кроме того, в настоящее время становится перспективным применение черенковских детекторов на основе алмаза для регистрации заряженных частиц солнечного ветра в околоземном космическом пространстве. Такие частицы накапливаются на обшивке космических аппаратов и могут приводить к выходу из строя их электронной аппаратуры. Основная энергия электронов солнечного ветра составляет также десятки-сотни кэВ [2]. Температура окружающей среды в космическом пространстве может варьироваться в диапазоне (150 K - 600 K). Поэтому исследования свечения алмаза при воздействии пучком электронов с энергией десятки-сотни кэВ, как при низких, так и при высоких температурах (выше 300 К) являются актуальными.
Основной сферой применения сцинтилляционных детекторов является ядерная спектроскопия [3].
Целью данной работы является получение информации о катодолюминесценции и излучения Вавилова-Черенкова в спектрах свечения различных алмазных образцов при облучении их пучками электронов с энергией десятки-сотни кэВ в диапазоне температур 300-800 K.
Задачи данной работы:
1. Изучить литературу по теме исследования
2. Подготовить экспериментальный стенд по облучению алмазных образцов пучком электронов с энергией десятки-сотни кэВ алмазных образцов
3. Создать экспериментальную камеру с индукционным нагревательным элементом и системой водяного охлаждения для нагрева алмазных образцов до температуры ~
4. Провести исследование по регистрации спектральных характеристик свечения алмазных образцов с различным примесно-дефектным составом
5. Провести исследование примесно-дефектного состава алмазных образцов спектроскопическими методами - ИК-поглощение и КР.
6. Проанализировать полученные результаты.
Согласно результатам проведенного исследования, можно сделать вывод, что в спектрах свечения исследуемых образцов при облучении их пучком электронов с энергиями до 300 кэВ преобладает катодолюминесценция. Для создания черенковских детекторов, способных работать в экстремальных условиях, необходимо использовать алмазные образцы, в которых отсутствует люминесценция в УФ области спектра, так как интенсивность ИВЧ максимальна именно в этой области спектра.
Обнаружено, что в диапазоне температур 300-800 K скорость температурного тушения NV0 центров относительно NV- центров выше
Показано, что для регистрации ИВЧ в УФ области спектра наиболее подходящим является образец №2, а при температурах выше 700 К можно регистрировать ИВЧ как с помощью образца №1, так и №2 в широком спектральном диапазоне (от 225 до 1100 нм). Причем при температурах выше 700 K предпочтительнее использовать образец №1, так как он имеет большее пропускание в УФ области спектра. Образец №3 хуже подходит для регистрации ИВЧ, так как он имеет более слабое пропускание в УФ области спектра. Данный образец может использоваться в качестве сцинтиллятора, так как в нем наблюдается интенсивная люминесценция NV центров в диапазоне длин волн 500-800 нм, которая в спектрах КЛ наблюдается и при температурах ~ 800 K.
Спектры ИК поглощения исследуемых образцов показали, что наибольшая концентрация азотной примеси содержится в образце №3, что согласуется со спектрами КЛ данного образца.
Спектры КР исследуемых образцов оказались менее информативны, однако они подтверждают данные, полученные из спектров ИК поглощения.
Анализ спектров ИК поглощения и КР, а также спектров КЛ алмазных образцов позволяют определить влияние примесей и дефектов на образование центров свечения алмаза. Данная информация может быть полезна при создании алмазных образцов с необходимыми люминесцентными свойствами, предназначенных для использования в черенковских и сцинтилляционных детекторах.
Полученные данные будут полезны для различных применений алмаза как при создании детекторов излучений или заряженных частиц, способных работать в экстремальных условиях, так и в области высокотемпературной электроники и фотоники.
