Совместное легирование тетрабората лития переходными и щелочными металлами

Введение. Выполнено исследование люминесцентных свойств тканеэквивалентных детекторов, изготовленных на основе тетрабората лития, легированного магнием, марганцем и оловом. Анализ полученных результатов позволяет подтвердить комплексность центров свечения в тетраборате лития без использования методов структурного анализа. Впервые продемонстрировано и объяснено влияние способа и порядка введения примесей на запасающие свойства исследованных материалов. Метод. Синтез основы тетрабората лития выполнен при реакции борной кислоты и карбоната лития. Связующим материалом являлся оксид кремния. Добавление магния, марганца и олово происходило как при синтезе самой основы, так и методом вторичного легирования. Конечной стадией синтеза стало спрессовывание порошка в таблетки и спекание при 1158 К в атмосфере аргона. Регистрация сигнала фотолюминесценции и катодолюминесценции осуществлена с помощью спектрометров с ПЗС-матрицами. Для возбуждения катодолюминесценции применялся портативный импульсный ускоритель электронов. Термически стимулированная люминесценция регистрировалась после предварительного возбуждения электронным пучком с помощью термолюминесцентного дозиметрического считывателя с нагревателем и фотоэлектронным умножителем. Основные результаты. Получены спектры фотолюминесценции, катодолюминесценции и кривые термически стимулированной люминесценции для пяти образцов тетрабората лития с различными примесями в виде магния, марганца и олова. Выполнено сравнение полученных результатов с целью выявления закономерностей зависимости интенсивности люминесценции от состава легирующих компонент и порядка их добавления. Установлено, что методика синтеза и порядок вхождения примеси в основу тетрабората лития влияет на люминесцентные свойства вещества. Выдвинуто предположение, что одна из примесей встраивается в борокислородный каркас, а вторая располагается на позиции катиона. Существующая конкуренция примесей за катионную позицию приводит к следующему результату. Легирование олова обеспечивает увеличение количества центров свечения марганца и в значительной мере сенсибилизирует его люминесценцию, в то время как легирование магния приводит к обратному результату. Обсуждение. На основе исследованных материалов возможно создание перспективных тканеэквивалентых детекторов с кардинально различными люминесцентными свойствами: в зависимости от доз ионизирующего излучения требуется использование материала с разной чувствительностью и радиационной стойкостью. Таким образом, изготовление детекторов на основе тетрабората лития и описанных примесей в будущем позволит создать перспективную группу детекторов ионизирующего излучения с различными свойствами.

1. Sun S.K., Wang H.F., Yan X.P. Engineering persistent luminescence nanoparticles for biological applications: from biosensing/bioimaging to theranostics // Accounts of Chemical Research. 2018. V. 51. N 5. P. 1131–1143. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.7b00619

2. McKeever S.W.S., Sholom S., Chandler J.R. Developments in the use of thermoluminescence and optically stimulated luminescence from mobile phones in emergency dosimetry // Radiation Protection Dosimetry. 2020. V. 192. N 2. P. 205–235. https://doi.org/10.1093/rpd/ncaa208

3. Christensen J.B., Togno M., Nesteruk K.P., Psoroulas S., Meer D., Weber D.Ch., Lomax T., Yukihara E.G., Safai S. Al2O3:C optically stimulated luminescence dosimeters (OSLDs) for ultra-high dose rate proton dosimetry // Physics in Medicine & Biology. 2021. V. 66. N 8. P. 085003. https://doi.org/10.1088/1361-6560/abe554

4. Степанов В.А., Деменков П.В., Никулина О.В. Радиационное упрочнение и оптические свойства материалов на основе SiO2 // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2021. № 1. С. 143–153. https://doi.org/10.26583/npe.2021.1.13

5. Lin W., Boccard M., Zhong S., Paratte V., Jeangros Q., Antognini L., Dréon J., Cattin J., Thomet J., Liu Z., Chen Z., Liang Z., Gao P., Shen H., Ballif Ch. Degradation mechanism and stability improvement of dopant-free ZnO/LiFx/Al electron nanocontacts in silicon heterojunction solar cells // ACS Applied Nano Materials. 2020. V. 3. N 11. P. 11391–11398. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c02475

6. Maye F., Turak A. LiF nanoparticles enhance targeted degradation of organic material under low dose X-ray irradiation // Radiation. 2021. V. 1. N 2. P. 131–144. https://doi.org/10.3390/radiation1020012

7. Liu K., Velasquez B., Schüler E. High-dose and ultra-high dose rate (UHDR) evaluation of Al2O3:C optically stimulated luminescent dosimeter nanoDots and powdered LiF:Mg,Ti thermoluminescent dosimeters for radiation therapy applications // Medical Physics. 2024. V. 51. N 3. P. 2311–2319. https://doi.org/10.1002/mp.16832

8. Ravikumar N., Kumar R.A. Synthesis and thermoluminescence properties of Li2B4O7: Sm phosphor for dosimetry applications // Materials Today: Proceedings. 2019. V. 18. Part. 4. P. 1716–1723. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.05.268

9. de Oliveira L.S.S., de Souza L.F., Donald G.G., D’Emidio M.F.S., De Lima Ferreira Novais A., Souza D. Challenges in personal and clinical dosimetry using Li2B4O7 and MgB4O7 as TLD and OSLD // Brazilian Journal of Radiation Sciences. 2022. V. 10. N 2A. https://doi.org/10.15392/bjrs.v10i2A.2019

10. Chopra V., Dhoble S.J., Gupta K.K., Singh A., Pandey A. Thermoluminescence of Li2B4O7:Cu phosphor exposed to proton beam for dosimetric application // Radiation Measurements. 2018. V. 118. P. 108–115. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2018.05.002

11. Danilkin M.I., Koksharov Yu.A., Romet I., Seeman V.O., Vereschagina N.Yu., Zubov A.I., Selyukov A.S. Manganese agglomeration and radiation damage in doped Li2B4O7 // Radiation Measurements. 2019. V. 126. P. 106134. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2019.106134

12. Shpotyuk O., Adamiv V., Teslyuk I., Ingram A., Demchenko P. Probing vacancy-type free-volume defects in Li2B4O7 single crystal by positron annihilation lifetime spectroscopy // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2018. V. 112. P. 8–13. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.08.025

13. Mendoza-Anaya D., González-Romero A., Ávila O., González P.R., Escobar-Alarcón L. Thermally stimulated luminescence of Li2B4O7:Cu,Ag,P + PTFE // Journal of Luminescence. 2018. V. 204. P. 176–181. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.08.025

14. Rahimi M., Zahedifar M., Sadeghi E. Synthesis, optical properties and thermoluminescence dosimetry features of manganese doped Li2B4O7 nanoparticles // Radiation Protection Dosimetry. 2018. V. 181. N 4. P. 360–367. https://doi.org/10.1093/rpd/ncy035

15. Ding C.C., Duan B. Investigations on the role of doped 3d transition ions in Li2B4O7 glasses: Local structures, spectroscopic properties and optical basicities // Materials Research Bulletin. 2022. V. 156. P. 111995. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.111995

16. Kerikmäe M., Danilkin M., Lust A., Nagirnyi V., Pung L., Ratas A., Romet I., Seeman V. Hole traps and thermoluminescence in Li2B4O7:Be // Radiation Measurements. 2013. V. 56. P. 147–149. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2013.02.002

17. Danilkin M.I., Vereschagina N.Yu., Vainer Yu.G., Kochiev M.V., Ambrozevich S.A., Romet I., Mändar H., Morozov A.N., Repeev Yu.A., Spassky D.A., Shutov A.V., Seleznev L.V., Mokrousova D.V., Selyukov A.S. Ultrafast and slow Mn2+ luminescence in lithium tetraborate // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 883. P. 160852. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160852

18. Захарчук И.А., Данилкин М.И., Селюков А.С., Ивкина О.В., Мосягина И.В. О применимости материалов на основе тетрабората магния для считывания дозовой информации при оптической стимуляции // АНРИ (Аппаратура и новости радиационных измерений). 2023. № 3(114). С. 45–55. https://doi.org/10.37414/2075-1338-2023-114-3-45-55

19. Осадченко А.В., Ващенко А.А., Захарчук И.А., Дайбаге Д.С., Амброзевич С.А., Володин Н.Ю., Чепцов Д.А., Долотов С.М., Травень В.Ф., Авраменко А.И., Семенова С.Л., Селюков А.С. Органические светоизлучающие диоды с новыми красителями на основе кумарина // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 6. С. 1112–1118. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1112-1118

20. Дайбаге Д.С., Амброзевич С.А., Перепелица А.С., Захарчук И.А., Осадченко А.В., Безверхняя Д.М., Авраменко А.И., Селюков А.С. Спектральные и кинетические свойства квантовых точек сульфида серебра во внешнем электрическом поле // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 6. С. 1098–1103. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1098-1103

21. van Bunningen A.J., Sontakke A.D., van der Vliet R., Spit V.G., Meijerink A. Luminescence temperature quenching in Mn2+ phosphors // Advanced Optical Materials. 2023. V. 11. N 6. P. 2202794. https://doi.org/10.1002/adom.202202794

22. Ye N. Structure design and crystal growth of UV nonlinear borate materials // Structure-Property Relationships in Non-Linear Optical Crystals I: The UV-Vis Region. 2012, С. 181–221. https://doi.org/10.1007/430_2011_69

23. Benavente J.F., Gómez-Ros J.M., Correcher V. Characterization of the thermoluminescence glow curve of Li2B4O7:Cu,Ag // Radiation Measurements. 2020. V. 137. P. 106427. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2020.106427

24. Santos C., Lima A.F., Lalic M.V. First-principles study of structural, electronic, energetic and optical properties of substitutional Cu defect in Li2B4O7 scintillator // Journal of Alloys and Compounds. 2018. V. 735. P. 756–764. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.154