ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕНТРОВ СВЕЧЕНИЯ В КИСЛОРОД- И ФТОРСОДЕРЖАЩИХ КРИСТАЛЛАХ Советский патент 1995 года по МПК G01N21/62 

Изобретение относится к аналитическим методам определения концентрации примесных дефектов в веществах, а именно к люминесцентному способу определения концентрации центров свечения, и может быть использовано для технологического контроля веществ.

Известен способ оптического измерения концентрации исследуемого вещества путем пропускания света через монохроматор основанный на изменении концентрации индикатора, реагирующего на изменении концентрации веществ и сравнении сигналов от измеряемого объекта и от сравниваемого вещества.

Наиболее близким техническим решением к предложенному, принятым за прототип, является способ, включающий отбор исходных проб, облучение пробы рентгеновским излучением и регистрацию спектра рентгенолюминесценции, выявление в полученных спектрах рентгенолюминесценции характеристических линий излучения редкоземельных элементов, определение интенсивности линий излучения. Данный способ характеризуется более высокой чувствительностью, благодаря использованию рентгенолюминесцентного метода.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет продвинуться в область малых концентраций дефектов, меньше 10^-8% Кроме того, он применялся только для оценки содержания редкоземельных элементов, в частности, и что значительно сужает диапазон определяемых элементов.

Целью изобретения является возможность определения концентрации центров свечения от 10^-2 до 10^-11% и расширение круга определяемых элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем отбор пробы, возбуждение люминесценции примесей ионизирующим излучением, для возбуждения используют импульс электронов, длительность которого составляет 0,1 от излучательного времени жизни наиболее короткоживущего центра и плотность модности которого обеспечивает, при данной длительности переход квантовой системы примесных центров в стопроцентное возбужденное состояние, регистрируют катодолюминесценцию и дополнительно измеряют ее кинетику, а идентификацию проводят по величине излучательного времени в пределах характеристической полосы.

На фиг.1 представлены градуировочные графики для определения содержания примесей Тi, V, Сr в лейкосапфире; на фиг.2 Се, Рr в гранате и LaF₃, а также Тi в YАlО₃.

Способ осуществляется следующим образом.

П р и м е р 1. Первая операция заключается в подготовке пробы и анализу, для этого выпиливают кристалл на основе Аl₂О₃ в форме пластинки с минимальной толщиной. Затем образец устанавливают в измерительной ячейке спектральной установки с наносекундным разрешением и регистрируют спектр катодолюминесценции (КЛ), а также кинетические характеристики центров свечения. Для возбуждения люминесцирующих центров используют ускоритель электронов с параметрами пучка 1 плотность тока 2 кА/см³, энергия электронов 300 кэВ длительность импульса 7 нс (так как из данных табл.1 следует, что минимальное излучательное время τ=70 мс, то формируют импульс электронного возбуждения по длительности меньше на порядок, то есть, 7 нс). затем, выявляются характеристические полосы в спектре КЛ. Пользуясь табл.1, где приведены сведения по спектральным характеристикам примесных центров в лейкосапфире, осуществляют идентификацию полос с тем или иным видом примеси. В следующей операции способа измеряют интенсивность характеристических полос и определяют количественное содержание примеси по градуировочному графику: l=f(С), где l интенсивность характеристических полос, С концентрация примесных центров).

Для установления этой зависимости необходимы пробы с заранее известным составом эталоны. С помощью эталонов строится кривая зависимости интенсивности полос от концентрации так называемый градуировочный график (фиг.1), которым пользуются при анализе проб.

П р и м е р 2. В предложенном варианте способа условия выполнения аналогичны примеру 1, но в операции возбуждения центров свечения электронами формируют импульс возбуждения длительностью 0,5 нс (как следует из данных табл. 2 минимальное τ=4,6 нс, поэтому, формируют импульс электронного возбуждения по длительности меньше на порядок, т.е. 0,5 нс). В операции выявления характеристических полос используют данные табл.2, где представлены спектральные характеристики примесных дефектов во фторидных кристаллах. Количественное содержание примеси в кристаллах определяют по градуировочным графикам, например, фиг.2, кр.3).

П р и м е р 3. Круг анализируемых веществ может быть расширен, как и диапазон определяемых элементов. В предложенном варианте способа условия выполнения аналогичны примеру 1, но в режиме возбуждения центров свечения электронами формируют импульс длительностью 100 нс (как следует из данных табл. 3 минимальное τ= 45 мкс. Однако, нельзя использовать для возбуждения импульс электронов с τ=4,5 мкс, так как с увеличением длительности импульса при неизменной величине энергии падает плотность мощности возбуждения, а следовательно, и концентрация возбужденных центров свечения, т.е. чувствительность способа.

В связи с этим, в примере 3 формируют импульс длительностью 100 нс. Дальнейшее увеличение длительности импульса при той же самой плотности мощности возбуждения, что и в примере 1, нецелесообразно, так как это приведет к увеличению температуры анализируемой пробы вещества и невозможности ее использования в дальнейших исследованиях. В операции выявления характеристических полос используют данные табл.3, где представлены спектральные характеристики лазерных кристаллов с примесями группы лантана.

Количественное содержание примеси в кристаллах определяют по градуировочным графикам (например, фиг.2, кл.1,2,4).

Таким образом, предложенный способ позволяет:
повысить чувствительность аналитического метода определения концентрации примесных центров свечения и продвинуться в область малых концентраций 10-2-10-11;
значительно расширить как круг анализируемых веществ, так и диапазон определяемых примесных центров свечения;
прост и не требует большого количества анализируемого вещества для приготовления проб;
сравнительно быстро осуществлять анализ вещества.

Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислородо- и фторсодержащих кристаллах включает использование для возбуждения импульса электронов с плотностью мощности не менее 6·10³Вт и длительностью, составляющей 0,1 от излучательного времени жизни центра. 3 табл. 2 ил.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕНТРОВ СВЕЧЕНИЯ В КИСЛОРОД- И ФТОРСОДЕРЖАЩИХ КРИСТАЛЛАХ, включающий отбор пробы, возбуждение люминесцентных примесей ионизирующим излучением, регистрацию люминесценции, выявление характеристических полос в спектре люминесценции, идентификацию центров свечения, измерение интенсивности характеристических полос и определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам, отличающийся тем, что, с целью возможности определения концентраций от 10^-2 до 10^-11% и расширения круга определяемых элементов, для возбуждения используют импульс электронов, длительность которого составляет 0,1 от излучательного времени жизни наиболее короткоживущего центра и плотность мощности которого обеспечивает при данной длительности переход квантовой системы примесных центров в стопроцентное возбужденное состояние, регистрируют катодолюминесценцию и дополнительно измеряют ее кинетику, а индентификацию проводят по величине излучательного времени в пределах характеристической полосы.