Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl
Методами оптической и электронной микроскопии изучена природа центров рассеяния света в кристаллах NaI:Tl. Показано, что преимущественным типом дефектов в областях захвата являются выделения новой фазы в виде полых стержней, которые ориентированы вдоль оси роста. Стержни суть газовые каналы диаметро...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/77003 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl / К.А. Кудин, В.И. Глушко, В.В. Шляхтуров, А.Ю. Волошко, А.М. Кудин // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 395–398. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859672362474012672 |
|---|---|
| author | Кудин, К.А. Глушко, В.И. Шляхтуров, В.В. Волошко, А.Ю. Кудин, А.М. |
| author_facet | Кудин, К.А. Глушко, В.И. Шляхтуров, В.В. Волошко, А.Ю. Кудин, А.М. |
| citation_txt | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl / К.А. Кудин, В.И. Глушко, В.В. Шляхтуров, А.Ю. Волошко, А.М. Кудин // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 395–398. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | Методами оптической и электронной микроскопии изучена природа центров рассеяния света в кристаллах NaI:Tl. Показано, что преимущественным типом дефектов в областях захвата являются выделения новой фазы в виде полых стержней, которые ориентированы вдоль оси роста. Стержни суть газовые каналы диаметром около 50 нм, внутренняя поверхность которых покрыта поликристаллическим налетом. На основании того, что растворимость второй фазы в воде много меньше основного вещества, высказано предположение о том, что выделения связаны с карбонатами натрия и таллия. Сделан вывод о гетерогенном механизме образования таких дефектов. Это предположение согласуется с данными ИК спектрометрии о том, что локальное окружение ионов карбоната в областях захвата полностью не соответствует их окружению в регулярной решетке.
Методами оптичної та електронної мікроскопії вивчено природу центрів розсіювання світла у кристалах NaI:Tl. Показано, що домінуючим типом дефектів у смугах захоплення є виділення нової фази у вигляді порожнистих стрижнів, які орієнтовані уздовж вісі росту. Стрижні являють собою газові канали діаметром близько 50 нм, внутрішня поверхня яких покрита полікристалічним нальотом. На основі того, що розчинність другої фази у воді є значно меншою порівняно з матричним кристалом зроблено припущення, що виділення пов’язані з карбонатами натрію і таллию. Зроблено висновок про гетерогенний механізм утворення таких дефектів. Це припущення згоджується з даними ІЧ спектроскопії про те, що локальне оточення іонів карбонату в смугах захоплення не співпадає з їх оточенням у регулярній гратці.
Origin of light scattering centers in NaI:Tl crystal has been studied by optical and electron microscopy technique. It has been shown that main type of defects in striation bands are new phase inclusions in form of hollow bars. Bars are gaseous channels with average diameter of 50 nm the internal surface of which covered by polycrystalline film. On a base of the fact that solubility of new phase is less then matrix significantly, it has been supposed that new phase originated from carbonates of sodium and thallium. It has been concluded that formation process of such defects is heterogeneous. This supposition is in good agreement with the data of infrared spectroscopy that local environment of carbonate ions in striation bands differ cardinally compared with those of regular matrix.
|
| first_indexed | 2025-11-30T14:01:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
395
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы NaI:Tl широко применяются в
науке и технике в качестве эффективных сци-
нтилляторов. Одним из важных применений
этих кристаллов является ядерная медицина
(детекторы для диагностических гамма-ка-
мер), где требуются пластины большой пло-
щади [1]. Для этого назначения выращивают
слитки диаметром 500 мм и более автомати-
зированным методом Киропулоса с подпит-
кой [2]. Актуальным вопросом роста крупно-
габаритных кристаллов является проблема
светорассеяния, центры которого сосредото-
чены в полосах захвата.
Существуют две противоположные точки
зрения на природу центров рассеяния света
(ЦРС) и причины их появления. Первое объя-
снение дал Л.М. Шамовский [3], который на
УДК 548.4:546.33’15’683
ПРИРОДА ВЫДЕЛЕНИЙ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
КРИСТАЛЛОВ NaI:Tl
К.А. Кудин1, В.И. Глушко 2, В.В. Шляхтуров1, А.Ю. Волошко1, А.М. Кудин1
1НТК “Институт монокристаллов” НАН Украины (Харьков)
Украина
2Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина
Украина
Поступила в редакцию 07.10.2011
Методами оптической и электронной микроскопии изучена природа центров рассеяния света
в кристаллах NaI:Tl. Показано, что преимущественным типом дефектов в областях захвата яв-
ляются выделения новой фазы в виде полых стержней, которые ориентированы вдоль оси
роста. Стержни суть газовые каналы диаметром около 50 нм, внутренняя поверхность которых
покрыта поликристаллическим налетом. На основании того, что растворимость второй фазы
в воде много меньше основного вещества, высказано предположение о том, что выделения
связаны с карбонатами натрия и таллия. Сделан вывод о гетерогенном механизме образования
таких дефектов. Это предположение согласуется с данными ИК спектрометрии о том, что ло-
кальное окружение ионов карбоната в областях захвата полностью не соответствует их окру-
жению в регулярной решетке.
Ключевые слова: ростовые дефекты, выделения второй фазы, гетерогенный распад твердого
раствора.
Методами оптичної та електронної мікроскопії вивчено природу центрів розсіювання світла у
кристалах NaI:Tl. Показано, що домінуючим типом дефектів у смугах захоплення є виділення
нової фази у вигляді порожнистих стрижнів, які орієнтовані уздовж вісі росту. Стрижні являють
собою газові канали діаметром близько 50 нм, внутрішня поверхня яких покрита полікриста-
лічним нальотом. На основі того, що розчинність другої фази у воді є значно меншою порівняно
з матричним кристалом зроблено припущення, що виділення пов’язані з карбонатами натрію
і таллию. Зроблено висновок про гетерогенний механізм утворення таких дефектів. Це при-
пущення згоджується з даними ІЧ спектроскопії про те, що локальне оточення іонів карбонату
в смугах захоплення не співпадає з їх оточенням у регулярній гратці.
Ключові слова: ростові дефекти, виділення другої фази, гетерогенний розпад твердого розчину.
Origin of light scattering centers in NaI:Tl crystal has been studied by optical and electron microsco-
py technique. It has been shown that main type of defects in striation bands are new phase inclusions
in form of hollow bars. Bars are gaseous channels with average diameter of 50 nm the internal
surface of which covered by polycrystalline film. On a base of the fact that solubility of new phase is
less then matrix significantly, it has been supposed that new phase originated from carbonates of
sodium and thallium. It has been concluded that formation process of such defects is heterogeneous.
This supposition is in good agreement with the data of infrared spectroscopy that local environment
of carbonate ions in striation bands differ cardinally compared with those of regular matrix.
Keywords: growth defects, inclusion of new phase, heterogeneous decay of solid solution.
К.А. Кудин, В.И. Глушко, В.В. Шляхтуров, А.Ю. Волошко, А.М. Кудин, 2011
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4396
основании данных оптической и электронной
микроскопии для кристаллов, выращенных
в вакууме, пришел к выводу, что ЦРС суть
газовые пузырьки размером 100 – 500 нм, за-
хваченные фронтом кристаллизации. Газы,
такие как O2 и N2, выделяются из исходной
соли при плавлении вследствие разложения
кислородсодержащих примесей [3]. А.Н. Па-
нова и Р.Х. Мустафина [4], которые изучали
влияние кислородсодержащих примесей на
оптические свойства кристаллов, и пришли
к выводу, что мутная часть кристалла отли-
чается от прозрачной увеличенным содер-
жанием карбоната натрия. По этой причине,
а также на основании изменений спектра
колебательного поглощения CO3
2–-ионов в
областях захвата, они приписали ЦРС выде-
лениям фазы Na2CO3.
Вторая модель ЦРС предполагает гомо-
генный распад твердого раствора примеси в
решетке кристалла. Две взаимоисключающие
точки зрения можно примирить, если предпо-
ложить, что распад имеет гетерогенный ха-
рактер и происходит на внутренней поверх-
ности пор. Цель настоящей работы как раз и
состояла в проверке высказанного предпо-
ложения.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для выращивания кристаллов мы использо-
вали модифицированный метод Киропулоса
с подпиткой расплавленным сырьем, опи-
санный в [5]. Выращивались кристаллы
NaI:Tl диаметром 250 и высотой 350 мм в ат-
мосфере аргона. Для преднамеренного полу-
чения ЦРС в растущем кристалле проводи-
лась кратковременная откачка объема печи.
В этом случае наблюдалась обширная область
захвата, кристаллы содержали большое ко-
личество ЦРС, а при значительном скачке
давления и газовые пузыри, видимые нево-
оруженным глазом. Достоинством такого ро-
да экспериментов является то, что они позво-
ляет довольно просто моделировать области
захвата. Ниже мы покажем, что в областях
захвата разной природы (спонтанной или соз-
данной преднамеренно) выявляются дефекты
преимущественно одного сорта.
Форма газовых включений в кристаллах
изучалась при помощи оптического микро-
скопа МБС в сухой комнате. Электронно-мик-
роскопические исследования проведены на
просвечивающем микроскопе ЭМ-250 при
помощи техники угольных реплик. Образцы
размером 5×5×15 мм выкалывались вдоль оси
роста из разных частей кристалла. Попереч-
ный скол образцов производился в вакууме.
Напыление реплик осуществлялось на уста-
новке ВУП-5. Оттенение реплик производили
золотом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение преднамеренно созданной полосы
захвата под микроскопом позволило обнару-
жить в них многочисленные включения в
виде пузырей. Фотография участка кристалла
с такими дефектами приведена на рис. 1а.
Видно, что в первоначально бездефектном
кристалле (верхняя, более темная часть фото-
графии), начиная с определенного момента,
появились пузыри, причем в очень большом
количестве. На фотографии только некоторые
из них находятся в поле резкости, остальные
выглядят как размытые полосы. Стрелкой на
фотографии указано направление оси роста.
Подавляющее большинство газовых включе-
ний расположено закономерно: в верхней час-
ти расположена ограненная пора, книзу на-
правлен довольно длинный постепенно исче-
зающий канал. Как видно из фотографии,
вытянутые пузыри ориентированы вдоль оси
роста.
а) б)
Рис. 1. Фотографии газовых пузырей в кристаллах
NaI(Tl). Вертикальная стрелка на части “б” указывает
ось роста.
ПРИРОДА ВЫДЕЛЕНИЙ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ КРИСТАЛЛОВ NaI:Tl
397
В увеличенном масштабе отдельные поры
приведены на рис. 1б. Хорошо видно, что го-
ловка выделения имеет все признаки огранки.
Ограненные внутренние поверхности сов-
падают с плоскостями спайности (100) крис-
талла NaI (в этом случае ось роста совпадала
с направлением <001>). На некоторых порах
хорошо видно, что газовый канал в нижней
части распадается на прерывистую цепочку
отдельных пузырьков меньшего размера.
Этот факт позволяет высказать предположе-
ние, что ЦРС в области кристалла, где в оп-
тический микроскоп не наблюдаются пузыри,
также представляют собой газовые включе-
ния, но гораздо меньшего размера.
Для выявления наноразмерных пузырьков
были проведены электронно-микроскопиче-
ские исследования. Как и следовало ожидать,
были обнаружены газовые пузыри размером
∼ 0,2 мкм округлой или эллипсоидальной фор-
мы. Как по форме, так и по размерам эти
включения хорошо соответствуют пузырь-
кам, описанным в монографии [3]. Сущест-
вуют, однако, два возражения, которые не
позволяют прямо связать эти дефекты с ЦРС.
Во-первых, дефекты такого сорта практичес-
ки с одинаковой вероятностью обнаружива-
ются как в прозрачной части кристалла, так
и в полосе захвата, а их концентрация слиш-
ком мала для объяснения сильного рассеяния
света. Во-вторых, на репликах из мутной
зоны в большом количестве проявляются
дефекты совсем другого сорта, форма кото-
рых до определенного момента оставалась
совершенно непонятной.
Ясность наступила после того, когда время
промывки было сведено к минимуму, т.е. реп-
лика извлекалась из воды немедленно после
растворения кристалла-основы. Изучение та-
ких реплик в электронном микроскопе
выявило другую картину. На фотографии
(рис. 2а) в большом количестве видны вы-
ступающие стержни, которые не успели раст-
вориться в воде. Отдельный стержень в уве-
личенном виде приведен на рис. 2б. Хорошо
видно, что стержень полый внутри. Этот
факт, как и приблизительно цилиндрическая
симметрия дефекта, прямо указывает на то,
что полые стержни по своей природе непо-
средственно связаны с газовыми каналами
(см. рис. 1), но гораздо меньшего размера.
Электроннограмма, полученная от отдельно
взятого включения, показывает, что стержень
имеет аморфную структуру (вставка на рис.
2б). Следует отметить, что дефекты в виде
полых стержней характерны для областей
захвата во всех изученных нами кристаллах
NaI.
Для выявления подобного рода дефектов
после растворения образца необходимо, что-
бы их каркас состоял из нерастворимых или
малорастворимых в воде примесей. Из имею-
щихся в решетке кристалла примесей этому
условию в наибольшей мере соответствуют
карбонаты натрия и таллия, растворимость
которых приведена в таблице по данным [6,
7].
Из данных табл. 1 следует, что, вероятнее
всего, каркас включений образован бикарбо-
натом натрия, растворимость которого в воде
мала. Возможно, что в состав каркаса входит
также карбонат таллия.
Таким образом, наши эксперименты под-
твердили обе существовавшие ранее точки
зрения на природу ЦРС в кристаллах NaI.
Действительно, мы полагаем, что ЦРС нераз-
рывно связаны с газовыми пузырьками, как
а) б)
50 nm
Рис. 2. Реплика с выступающими из нее выделениями
(a), увеличение ×16000. Электронно-микроскопичес-
кая фотография отдельного полого стержня (б), на
вставке приведена его электроннограмма.
Таблица 1
Растворимость в воде карбонатов натрия
и таллия [6, 7]
Соединение NaI Na2CO3 NaHCO3 Tl2CO3
Температура,
°C
20 20 20 18
Растворимость
(100 г H2O)
179,3 21,5 9,6 5,23
К.А. КУДИН, В.И. ГЛУШКО, В.В. ШЛЯХТУРОВ, А.Ю. ВОЛОШКО, А.М. КУДИН
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4398
и [3]. С другой стороны, наблюдаемые де-
фекты образуются в результате распада твер-
дого раствора [4]. Если очагами образования
второй фазы является внутренняя поверх-
ность газовых включений, то вполне естест-
венно, что локальное окружение карбонат-
ионов в ЦРС отличается от такового в регу-
лярных узлах матричной решетки, что и на-
блюдалось в [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методами оптической и электронной мик-
роскопии изучена природа центров рассеяния
света в кристаллах NaI:Tl. Показано, что пре-
имущественным типом трехмерных дефектов
в областях захвата являются выделения новой
фазы в виде полых стержней, которые ориен-
тированы вдоль оси роста. На основании то-
го, что растворимость второй фазы в воде
много меньше, чем основного вещества, вы-
сказано предположение о том, что выделения
связаны с карбонатами натрия и таллия. Это
предположение согласуется с данными ИК
спектрометрии о том, что локальное окруже-
ние карбонат-ионов в областях захвата полно-
стью не соответствует их окружению в регу-
лярной решетке NaI. Сделан вывод о гетеро-
генном механизме образования ЦРС, со-
гласно которому очагом распада являются
газонаполненные полости, вытянутые вдоль
оси роста.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lecoq P., Annenkov A., Gektin A., Korzhik M.,
Pedrini C. Inorganic Scintillators for Detector
Systems. – Springer-Verlag Berlin: Heidelberg,
2006. – 325 p.
2. Горилецкий В.И., Гринев Б.В., Заславский Б.Г.,
Смирнов Н.Н., Суздаль В.С. Рост кристаллов.
– Харьков: Акта, 2002. – 535 с.
3. Шамовский Л.М. Кристаллофосфоры и сцин-
тилляторы в геологии. – М.: Недра, 1985. –
239 с.
4. Мустафина Р.Х. Роль таллия и кислородсо-
держащих примесей. – Дис. канд. физ.-мат.
наук. Харьков:, 1975. – 215 с.
5. Zaslavsky B.G. Automated pulling of large-dia-
meter alkali halide scintillation single crystals
from the melt//J. Cryst. Growth. – 1999. –
Vol. 200. – P.476-482.
6. Киргинцев А.Н., Трушникова Л.Н., Лаврен-
тьева В.Г. Растворимость неорганических
веществ в воде. Справочник. – Л.: Химия,
1972. – С. 51-52.
7. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Нек-
ряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. – К.:
Наукова думка, 1974. – 388 c.
LITERATURA
1. Lecoq P., Annenkov A., Gektin A., Korzhik M.,
Pedrini C. Inorganic Scintillators for Detector
Systems. – Springer-Verlag Berlin: Heidelberg,
2006. – 325 p.
2. Goriletskiy V.I., Grinev B.V., Zaslavskiy B.G.,
Smirnov N.N., Suzdal V.S. Rost kristallov. –
Kharkov: Akta, 2002. – 535 s.
3. Shamovskiy L.M. Kristallofosfory i stsin-
tillyatory v geologii. – M.: Nedra, 1985. – 239 s.
4. Mustafina R.Kh. Rol talliya i kislorodsoderzha-
shchikh primesey. – Dis. kand. fiz.-mat. nauk.
Kharkov:, 1975. – 215 s.
5. Zaslavsky B.G. Automated pulling of large-dia-
meter alkali halide scintillation single crystals
from the melt//J. Cryst. Growth. – 1999. –
Vol. 200. – P.476-482.
6. Kirgintsev A.N., Trushnikova L.N., Lavrentye-
va V.G. Rastvorimost neorganicheskikh ves-
hchestv v vode. Spravochnik. – L.: Khimiya,
1972. – S. 51-52.
7. Goronovskiy I.T., Nazarenko Yu.P., Nekryach Ye.F.
Kratkiy spravochnik po khimii. – K.: Naukova
dumka, 1974. – 388 c.
ПРИРОДА ВЫДЕЛЕНИЙ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ КРИСТАЛЛОВ NaI:Tl
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-77003 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T14:01:17Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кудин, К.А. Глушко, В.И. Шляхтуров, В.В. Волошко, А.Ю. Кудин, А.М. 2015-02-15T15:00:19Z 2015-02-15T15:00:19Z 2011 Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl / К.А. Кудин, В.И. Глушко, В.В. Шляхтуров, А.Ю. Волошко, А.М. Кудин // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 395–398. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/77003 548.4:546.33’15’683 Методами оптической и электронной микроскопии изучена природа центров рассеяния света в кристаллах NaI:Tl. Показано, что преимущественным типом дефектов в областях захвата являются выделения новой фазы в виде полых стержней, которые ориентированы вдоль оси роста. Стержни суть газовые каналы диаметром около 50 нм, внутренняя поверхность которых покрыта поликристаллическим налетом. На основании того, что растворимость второй фазы в воде много меньше основного вещества, высказано предположение о том, что выделения связаны с карбонатами натрия и таллия. Сделан вывод о гетерогенном механизме образования таких дефектов. Это предположение согласуется с данными ИК спектрометрии о том, что локальное окружение ионов карбоната в областях захвата полностью не соответствует их окружению в регулярной решетке. Методами оптичної та електронної мікроскопії вивчено природу центрів розсіювання світла у кристалах NaI:Tl. Показано, що домінуючим типом дефектів у смугах захоплення є виділення нової фази у вигляді порожнистих стрижнів, які орієнтовані уздовж вісі росту. Стрижні являють собою газові канали діаметром близько 50 нм, внутрішня поверхня яких покрита полікристалічним нальотом. На основі того, що розчинність другої фази у воді є значно меншою порівняно з матричним кристалом зроблено припущення, що виділення пов’язані з карбонатами натрію і таллию. Зроблено висновок про гетерогенний механізм утворення таких дефектів. Це припущення згоджується з даними ІЧ спектроскопії про те, що локальне оточення іонів карбонату в смугах захоплення не співпадає з їх оточенням у регулярній гратці. Origin of light scattering centers in NaI:Tl crystal has been studied by optical and electron microscopy technique. It has been shown that main type of defects in striation bands are new phase inclusions in form of hollow bars. Bars are gaseous channels with average diameter of 50 nm the internal surface of which covered by polycrystalline film. On a base of the fact that solubility of new phase is less then matrix significantly, it has been supposed that new phase originated from carbonates of sodium and thallium. It has been concluded that formation process of such defects is heterogeneous. This supposition is in good agreement with the data of infrared spectroscopy that local environment of carbonate ions in striation bands differ cardinally compared with those of regular matrix. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl Article published earlier |
| spellingShingle | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl Кудин, К.А. Глушко, В.И. Шляхтуров, В.В. Волошко, А.Ю. Кудин, А.М. |
| title | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl |
| title_full | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl |
| title_fullStr | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl |
| title_full_unstemmed | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl |
| title_short | Природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов NaI:Tl |
| title_sort | природа выделений на внутренних поверхностях кристаллов nai:tl |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/77003 |
| work_keys_str_mv | AT kudinka prirodavydeleniinavnutrennihpoverhnostâhkristallovnaitl AT gluškovi prirodavydeleniinavnutrennihpoverhnostâhkristallovnaitl AT šlâhturovvv prirodavydeleniinavnutrennihpoverhnostâhkristallovnaitl AT vološkoaû prirodavydeleniinavnutrennihpoverhnostâhkristallovnaitl AT kudinam prirodavydeleniinavnutrennihpoverhnostâhkristallovnaitl |