pbwo4晶體晶軸細(xì)胞的偏振光譜

pbwo4晶體晶軸細(xì)胞的偏振光譜

1pwo4晶體的特性為了研究物質(zhì)的基本粒徑和性質(zhì)，歐洲核子中心（cerm）在本世紀(jì)初達(dá)到了世界上最大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)lh。其核心之一是建設(shè)一臺(tái)高精度的電磁量能器(CMS-ECAL)。由于PbWO4(PWO)晶體具有密度大,輻射長(zhǎng)度短,輻照硬度高,衰減時(shí)間短,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),故使它成為該電磁量能器首選的閃爍晶體。但是它在室溫下的發(fā)光率很低、發(fā)光性能和抗輻照硬度都與樣品有關(guān),如何提高PWO晶體的閃爍性能成為研究的熱點(diǎn)。大多數(shù)鎢酸鹽晶體在室溫下都顯示很強(qiáng)的藍(lán)色和綠色發(fā)光,發(fā)光衰減常數(shù)一般為微秒級(jí)。典型的PbWO4晶體激發(fā)發(fā)射光譜包含了一個(gè)藍(lán)光帶和兩個(gè)綠光帶和一個(gè)紅光帶。由于PbWO4晶體中存在著多個(gè)發(fā)光中心,其發(fā)光曲線可由幾個(gè)指數(shù)型的衰減式之和來(lái)擬合,故90%以上的光輸出在20ns以內(nèi)完成。根據(jù)Lecoq的結(jié)果:發(fā)光初始階段有一個(gè)衰減常數(shù)τ=2ns的快發(fā)光分量,隨后是τ=5ns(藍(lán)光),τ=9ns和τ=15ns(兩個(gè)綠光帶),而紅光的衰減時(shí)間為38ns。由于PWO是一種非化學(xué)計(jì)量晶體,其生長(zhǎng)后的吸收帶取決于晶體的生長(zhǎng)條件、材料的純度及熔體中化學(xué)計(jì)量的變化量,因此,晶體與晶體之間相差較大。典型的PWO晶體生長(zhǎng)后呈現(xiàn)一個(gè)比較弱的吸收帶,它的峰值位于350nm附近。當(dāng)用高能粒子或紫外輻照PWO晶體時(shí),能使PWO晶體產(chǎn)生誘導(dǎo)色心。經(jīng)賦色的PbWO4晶體吸收光譜除了具有350nm吸收帶之外,還在400nm附近出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)吸收帶,在500nm～700nm呈現(xiàn)一個(gè)寬帶。由于400nm吸收帶與PWO晶體400nm發(fā)射譜交疊,因此,嚴(yán)重影響了晶體閃爍性能,并導(dǎo)致光產(chǎn)額下降。有關(guān)PWO晶體的吸收譜的研究已有很多報(bào)道,認(rèn)為吸收譜起因于色心。吸收帶中峰值位于350nm,400nm及500nm～700nm的譜線分別被歸因于Pb3+心,O-心,F+和F心。PWO的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息及結(jié)構(gòu)示意圖由CAD-4型自動(dòng)四圓衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出,文中為了探究PWO吸收帶的結(jié)構(gòu)起因,所以測(cè)量了生成態(tài)的PWO晶體的偏振吸收光譜以及經(jīng)紫外輻照的PWO吸收譜,結(jié)果顯示峰值位于400nm的強(qiáng)吸收帶對(duì)偏振光并不顯現(xiàn)出二向色性。對(duì)此吸收帶的起因在文中將進(jìn)行討論。2兩譜線相對(duì)強(qiáng)度的特征實(shí)驗(yàn)采用的PWO晶體是用改進(jìn)了的Bridgeman方法生長(zhǎng)的。所用的原料氧化鉛(PbO)及三氧化鎢(WO3)的純度為5個(gè)9。用于測(cè)量吸收譜的樣品從同一晶體切割獲取。晶軸C分別平行及垂直于表面的樣品被磨制成10×10×1(mm3)的大小。隨后的著色由紫外輻射完成(1kW的汞燈輻照10h)。吸收譜由SHIMADZU-UVPC2510型分光計(jì)測(cè)量。樣品的自然光吸收譜線如圖1所示。(a)晶軸垂直于表面的吸收譜,(b)晶軸平行于表面的吸收譜,(c)把(a)(b)兩吸收譜迭在一起的圖線。吸收譜在350nm處有一弱帶出現(xiàn),在400nm處有一強(qiáng)帶出現(xiàn),在500nm～700nm范圍有一寬帶出現(xiàn)。從圖中可以看出兩譜線在相對(duì)強(qiáng)度方面呈現(xiàn)出不同的譜線特征,只有在400nm帶區(qū)兩譜線才呈現(xiàn)出相同的相對(duì)強(qiáng)度。為了確定吸收帶的結(jié)構(gòu)起因,實(shí)驗(yàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)很敏感的偏振吸收光譜也作了測(cè)量,偏振吸收光譜的測(cè)量是在光路中在樣品前放置一尼科耳棱鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用來(lái)做偏振吸收光譜的樣品的晶軸是平行其表面的。旋轉(zhuǎn)尼科耳棱鏡可以改變偏振光光矢E和晶軸C之間的夾角。如果用射入尼科耳棱鏡的光作為參考,那么E⊥C,E//C及E和C之間的夾角為45°的著色PWO晶體的偏振吸收光譜分別如圖2的(a),(b),(c)所示。譜線在400nm處有最強(qiáng)的吸收帶,在350nm處有一個(gè)弱帶,在500nm～700nm范圍內(nèi)有一寬帶。如果把圖2中的(a),(b)兩條譜線曲線畫在同一張圖(c)上,便可以很清楚地看出,峰值在350nm的吸收帶及峰值在500nm～700nm范圍內(nèi)的寬帶的兩相對(duì)光強(qiáng)的明顯不同。而兩譜線在400nm帶處有著相同的光強(qiáng),它顯示400nm帶對(duì)偏振光吸收不顯出二向色性。3原子占位比及位置X光四圓衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出了許多關(guān)于PWO晶體結(jié)構(gòu)的信息。PWO有著白鎢礦的結(jié)構(gòu)。因?yàn)橛秀U空位和氧空位的存在,故它的化學(xué)式為Pb7WO32-x。在PWO晶體中,存在著三種類型的鉛原子,兩種類型的氧原子。未排滿的Pb(1)位,被八個(gè)O(1)原子所包圍,其形狀呈正四邊反棱鏡。已排滿的O(2)位,被八個(gè)O(2)原子所包圍,其形狀呈正四邊反棱鏡,并有著較大的尺寸。Pb(3)被四個(gè)O(1)原子和四個(gè)O(2)原子所包圍,其形狀呈不規(guī)則的多邊形棱鏡。W原子完全占有一個(gè)格位,第一鄰位是兩個(gè)O(1)原子和兩個(gè)O(2)原子。每一個(gè)O(1)原子有一個(gè)Pb(1),一個(gè)P(3)和一個(gè)W原子作為第一近鄰。每一個(gè)O(2)原子有一個(gè)Pb(2),一個(gè)P(3)和一個(gè)W原子作為第一近鄰。PWO中的原子占有率及原子,離子之間的距離分別在表1和表2中列出。以Pb為中心的Pb-O位,以W為中心的W-O位和以O(shè)為中心的O位的最鄰近排列,如圖3所示?？梢钥闯雒總€(gè)鉛位都由八個(gè)包圍它的氧離子所構(gòu)成,因而具有最高的對(duì)稱性。表1中列出的原子占有率顯示,在生長(zhǎng)中的PWO晶體中存在著一些鉛空位(記為VPb)和氧空位(記為VO)。VPb是正二價(jià)的,VO是負(fù)二價(jià)的,一對(duì)VPb-VO是局域電中性的缺陷中心。然而VPb的數(shù)量比VO的數(shù)量多。因此,除了VPb-VO對(duì)以外,還有剩余的VPb存在于PWO晶體中。剩余的VPb是一個(gè)負(fù)電中心,它要俘獲正電中心以維持本地的電中性。在純凈的PWO晶體中,有可能的帶正電的色心除了VO以外,分別是F+,Pb3+以及O-。F+心是VO俘獲一個(gè)空穴所形成的,它與氧格位有相同的對(duì)稱性。當(dāng)一個(gè)VO俘獲了兩個(gè)空穴,就構(gòu)成了F心,并與氧格位有相同的對(duì)稱性。Pb3+和鉛格位有相同的對(duì)稱性。O-心和F+心或F心有相同的對(duì)稱性。440偏振光c的中心振幅吸收PWO晶體是各向異性的晶體,不同的離子有它們不同對(duì)稱性的最近的配位結(jié)構(gòu)。任何色心對(duì)稱軸在樣品表面的投影記作P,P和C軸之間的角度記作θ。用于偏振光吸收測(cè)量的樣品的晶軸是位于其表面的,如果入射偏振光的電矢量E//C;,其中心振幅的吸收應(yīng)為E×cosθ。因此,如果入射偏振光的電矢量E⊥C,其中心振幅的吸收應(yīng)為E×sinθ。如果0<θ<π/4,E//C的中心的偏振光的吸收強(qiáng)度比E⊥C的要大。否則,如果π/4<θ<π/2,E⊥C的中心的偏振光的吸收強(qiáng)度比E//C的要大。因此,如果色心是各向同性的,它在偏振光吸收中就不顯出二向色性,因?yàn)镋⊥C跟E//C的偏振光吸收是相同的。根據(jù)偏振光的吸收光譜,400nm帶不顯出二向色性,它只能由各向同性的色心所產(chǎn)生。在PWO晶體中,O-位配位晶格是非對(duì)稱的,O-心的光譜特性在偏振吸收光譜中不顯出二向色性。因此,PWO晶體中以400nm為峰值的吸收帶不能起源于O-心。Pb位是唯一具有最高對(duì)稱性的晶格位。如果在晶體中存在Pb3+,那么它就是引起400nm吸收帶唯一可能的中心。所以把此帶歸因于Pb3+心。5mn吸收帶的光學(xué)特征在文中,單晶PWO晶體是用改進(jìn)了的Bridgeman方法生長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)對(duì)晶軸垂直及平行于表面的樣品的光學(xué)吸收譜分別作了測(cè)量。光譜特征顯出不同的相對(duì)強(qiáng)度。對(duì)晶軸平行于表面的偏振吸收光譜也作了測(cè)量。偏振光光矢方向垂直于晶軸