On radiation-induced optical and luminescence phenomena in thermally pretreated GSO:Ce crystals

Abstract

Effects of thermal annealing in different gaseous media (vacuum, oxygen-containing and reductive atmospheres) upon main optical, luminescence, spectral kinetic, and scintillation characteristics of GSO:Се crystals - both subjected and not subjected to y-irradiation (10⁴-10⁶ rad) - have been studied. The heat treatment in oxygen-containing media worsens the transparence and light yield, which is explained by partial transformation of cerium ions into a state of a higher oxidation degree (Се³⁺➔Се⁴⁺), with Се⁴⁺ not involved in scintillation processes and playing the role of absorption centers for the intrinsic radiation. On the contrary, the heat treatment of GSO:Сеcrystals in vacuum may result in a certain improvement of their scintillation characteristics, probably related to the inverse transformation of the cerium charge state (Се³⁺➔Се⁴⁺). GSO:Се crystals that had been thermally pre-treated in vacuum show substantial degradation of their optical and luminescent characteristics under irradiation. This can be related to oxygen vacancies Vₒ that emerge during vacuum annealing and form F-centers under y-irradiation.

Дослiджено вплив термiчного вiдпалу у рiзних газових середовищах (вакуум, окислювальне i вiдновлювальне середовища) на основнi оптико-люмiнесцентнi, спектрально-кiнетичнi i сцинтиляцiйнi характеристики кристалiв GSO:Се як неопромiнених, так i пiсля y-опромiнювання дозами 10⁴-10⁶ рад. Погiршення прозоростi i свiтлового виходу при термообробцi в окислювальному середовищi пояснюється частковим переходом iонiв церiю у стан з вищим ступенем окислення (Се³⁺➔Се⁴⁺), при яких iони Се⁴⁺ вже не беруть участi у сцинтиляцiйних процесах, але грають роль центрiв поглинання власного випромiнювання у кристалi i, навпаки, незначне полiпшення цих характеристик у разi термiчноЇ обробки у вакуумi, може бути пов'язано iз зворотньою трансформацiею зарядного стану (Се³⁺➔Се⁴⁺). Найбiльшу радiацiйно-iндуковану деградацiю оптичних i люмiнесцентних характеристик показують кристали GSO:Се, що заздалегiдь пройшли термiчний вiдпал у вакуумi, внаслiдок чого вiдбуваеться утворення кисневих вакансiй Vₒ, якi при y-опромiнюваннi утворюють F-центри.

Исследовано влияние термического отжига в различных газовых средах (вакуум, кислородсодержащая и восстановительная среды) на основные оптико-люминесцентные, спектрально-кинетические и сцинтилляционные характеристики кристаллов GSO:Се как необлученных, так и подвергнутых y-облучению дозами 10⁴-10⁶ рад. Ухудшение уровня прозрачности и величины светового выхода при термообработке в кислородсодержащей среде объясняется частичным переходом ионов церия в состояние с более высокой степенью окисления (Се³⁺➔Се⁴⁺), при которых ионы Се⁴⁺ уже не участвуют в сцинтилляционных процессах, но играют роль центров поглощения собственного излучения в кристалле и, наоборот, незначительное улучшение этих характеристик в случае термической обработки в вакууме может быть связано с обратной трансформацией зарядового состояния (Се³⁺➔Се⁴⁺). Наибольшую радиационно-индуцированную деградацию оптических и люминесцентных характеристик показывают кристаллы, предварительно прошедшие термический отжиг в вакууме, в результате чего происходит образование кислородных вакансий Vₒ, которые при y-облучения образуют F-центры.