Preview

Вестник НЯЦ РК

Расширенный поиск

ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В АНИОННОЙ И КАТИОННОЙ ПОДРЕШЕТКЕ КРИСТАЛЛОВ MgAl2O4 ОБЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМИ КСЕНОНА

https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-3-48-53

Полный текст:

Аннотация

В работе представлены результаты исследования оптических характеристик алюмо-магниевой шпинели, облученной ионами 220 МэВ Xe, моделирующими воздействие осколков деления ядерного топлива. В ходе экспериментов измерялись спектры пропускания в инфракрасной (ИК) области (240–12500) cм−1, спектры оптического поглощения в диапазоне (2–7) эВ, Рамановские спектры измерялись по глубине проникновения иона, от поверхности до 30 мкм. В спектре оптического поглощения (2–8) эВ облученных кристаллов шпинели наблюдается широкая сложная полоса радиационно-индуцированного поглощения с пиком в районе 5,3 эВ, связанная с электронными центрами окраски типа F+ и F, а дырочные центры окраски ответственны за оптическое поглощение при ~ (3–4) эВ. В ближней ИК области кристалл сохраняет прозрачность. В Рамановском спектре помимо характерных для идеального кристалла Рамановских мод проявляются также дополнительные моды, A1g* (720 см−1), и Eg* (385 см−1), в основном в виде ассиметричного плеча основной Eg моды. С ростом глубины отношение A1g*/Eg увеличивается, достигая максимального значения 0,05 на 6 мкм и остается практически неизменным до конца пробега иона Xe 14 мкм, с дальнейшим уменьшением до 0,045 на глубине 30 мкм. Таким образом, при облучении ионами 220 МэВ Xe происходит катионное перемешивание вдоль ионного пути.

Об авторах

А. Т. Акилбеков
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева
Казахстан

Абдираш Тасанович Акилбеков - доктор физико-математических наук, профессор кафедры Технической физики.

Астана



А. К. Даулетбекова
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева
Казахстан

Алма Кабдиновна Даулетбекова – доктор физико-математических наук, профессор кафедры Технической физики.

Астана



А. Н. Киряков
Уральский федеральный университет имени Б.Н. Ельцина
Россия

Арсений Николаевич Киряков - Доцент, Младший научный сотрудник, Заведующий учебной лабораторией, Кандидат физико-математических наук (01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Екатеринбург



Г. М. Аралбаева
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева
Казахстан

Гульнара Мырзахановна Аралбаева - PhD, и.о. доцент кафедры Технической физики.

Астана



Ж. Д. Оспанова
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева
Казахстан

Жулдуз Джумагалиевна Оспанова - докторант по специальности Техническая физика.

Астана



Список литературы

1. Bronuzzi J., Gkotse B., Glaser M., Gorine G., Mateu I., Pezzullo G. Radiation-hard instrumentation for the CERN Proton Facility // Advanced European Infrastructures for Detectorsat Accelerators. – 2019. – No. AIDA-2020-D15. 7. – P. 1–22.

2. Borghi N., Lauritzen B., Lindvold L., Poolton N. Characterization of optical components for the ESS Target Imaging System // Radiation Measurements. – 2020. – V. 136. – P.106329.

3. https://euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/

4. Feldbach E., Toldsepp E., Kirm M., Lushchik A., Mizohata K., Raisanen J. Radiation resistance diagnostics of wide-gap optical materials // Optical Materials. – 2016. – V. 55. – P.164-167

5. Ibarra A., Hodgson E. R. The ITER project: the role of insulators // Nucl. Instr. Meth. B. – 2004. – V. 218. – P. 29.

6. Gonzales de Vicente, S. G., Hodgson, E. R. & Shikama, T. Functional materials for tokamak in-vessel systems – status and applications // Nucl. Fusion. – 2017. – V.57. – P. 092009.

7. Baubekova G., Akilbekov A., Popov A.I., Shablonin E., Vasil’chenko E., Zdorovets M., Lushchik A. About complexity of the 2.16 eV absorption band in MgO crystals irradiated with swift Xe ions // Radiation Measurement. – 2020. – S. 135. – P. 106379.

8. Baubekova G., Akilbekov A., Kotomin E.A., Kuzovkov V.N., Popov A.I., Shablonin E., Vasil’chenko E., Zdorovets M., Lushchik A. Thermal annealing of radiation damage by swift 132Xe ions in MgO single crystals // Nucl. Instr. Meth. B. – 2020. – V. 462. – P. 163–168.

9. Skuratov V.A., Bujnarowski G., Kovalev Yu. S., O’Connell J., Havanscak K. In situ and postradiation analysis of mechanical stress in Al2O3: Cr induced by swift heavy– ion irradiation // Nucl. Instr. Meth. B. – 2010. – V. 268. – P. 3023–3026.

10. Skuratov V.A., Kirilkin N.S., Kovalev Yu.S., Strukova T.S., Havanscak K. Depth-resolved photoand ionoluminescence of LiF and Al2O3 // Nucl. Instr. Meth. B. – 2012. – V. 286. – P. 61–66.

11. Gritsyna V. T., Afanasyev-Charkin I. V., Kobyakov V. A., Sickafus K. E. Neutron irradiation effects in magnesiumaliminate spinel doped with transition metals // Journal of nuclear materials. -2000. – V. 283. – P. 927-931.

12. Seeman V., Feldbach E., Karner T., Maaroos A., Shablonin E., Vasil’chenko E., Lushchika A., Mironova-Ulmane N., Popov A. I. Fast-neutron-induced and As-grown structural defects in magnesium aluminate spinel crystals with different stoichiometry // Optical Materials. – 2019. – V. 91. – P. 42–49.

13. Lushchik A., Feldbach E., Kotomin E. A., Kudryavtseva I., Kuzovkov V. N., Popov A. I., Seeman V., Shablonin E. Distinctive features of diffusion-controlled radiation defect recombination in stoichiometric magnesium aluminate spinel single crystals and transparent polycrystalline ceramics // Scientific Reports. – 2020. – V. 10. – P. 7810.

14. Wiss T., Matzke Hj.. Heavy ion induced damage in MgAl2O4, an inert matrix candidate for the transmutation of minor actinides // Radiation measurements. – 1999. – V. 31. – P. 507–514.

15. Weber W. J., Navrotsky A., Stefanovsky S., Vance E. R., Vernaz E. Materials Science of High-Level Nuclear Waste Immobilization // MRS bulletin. – 2009. – V. 34 (1). – P. 46–53.

16. Маматова, Н. Кирилкин, А. Акилбеков, А. Даулетбекова, А. Базарбек Фотолюминесценция алюмомагниевой шпинели, облученной быстрыми тяжелыми ионами // Вестник КазАТК № 3 (126). – 2023. – С. 451– 461.

17. Jouini A., Yoshikawa A., Brenier A., Fukuda T.& Boulon G.A. Optical properties of transition metal ion doped MgAl2O4 spinel for laser application // Physica Status Solidi C. – 2007. – V. 4. – P. 1380–1383.

18. Song E. et al. Thermally stable narrow -band greenemitting phosphor MgAl2O4: Mn2+ toward Wide Color Gamut Backlight Display Application // J. Mater. Chem. C. – 2019. – V. 7. – P. 8192–8198.

19. Rumpongpisan T. Wattanathana W., Sukthavorn K., Nootsuwan N., Hanlumyuang Y., Veranitisagul C., Laobuthee A. Novel luminescent PLA/ MgAl2O4:Sm3+ composite filaments for 3D printing application // Materials Letters. – 2019. – V. 237. – P. 270–273.

20. Chen C.-F. Doty F.P., Houk R.J.T., Loutfy R.O., Volz H.M., and Pin Yang, Characterizations of a hot-pressed polycrystalline spinel: Ce scintillator // J. Am. Ceram. Soc. – 2010. – V. 93. – P. 2399–2402

21. Pan L. et al., 2021. Magnesium aluminate spinel for optically stimulated luminescence dosimetry // J. Alloys Compd. Elsevier. 880. – Р. 160503.

22. Jiang H., Zishu Cao, RuidongYang, Lei Yuan, Hai Xiao, Junhang Dong Synthesis and characterization of spinel MgAl2O4 thin film as sapphire optical fiber cladding for high temperature applications // Thin Solid Films. – 2013. – V.539. – P. 81–87.

23. Aizawa, H., Ohishi, N., Ogawa, S., et al. Characteristics of chromium doped spinel crystals for a fiber-optic thermometer application // Review of Scientific Instruments. – 2002. – V. 73. – P. 3089–3092.

24. Klym, H. Ingram A., Hadzaman I., Karbovnyk I., Vasylchyshyn I. and Popov A.I. Nanoporous characterization of modified humidity-sensitive MgO-Al2O3 ceramics by positron annihilation lifetime spectroscopy method // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – V. 503. – P. 012019.

25. Liu K, Zhang R.Y., Lu L., Mi S.B., Liu M., Wang H., Jia C.L. Formation of antiphase boundaries in CuFe2O4 films induced by rough MgAl2O4 (001) substrates // Thin Solid Films. – 2019. – V. 680. – P. 55–59.

26. Fukami, N., Wakamatsu, R., Shinozaki, N. & Wasai, K. Wettability between porous MgAl2O4 substrates and molten iron // Materialstransactions. – 2009. – V. 50. – P. 2552–2556.

27. Kotomin E., Kuzovkov V., Popov A. I., Maier J. and Vila R. Anomalous Kinetics of Diffusion-Controlled Defect Annealing in Irradiated Ionic Solids // J. Phys. Chem. A. – 2018. – V. 122. – P. 28.

28. Sickafus Kurt E. Structure of Spinel / K. E. Sickafus, J. M. Wills, N. W. Grimes // J. Am. Ceram. Soc. – 1999. – Vol. 82, no. 12. – P. 3279–329.

29. http://www.srim.org/

30. Hosseini, S.M. Structural, electronic and optical properties of spinel MgAl2O4 oxide // Phys. stat. sol. (b). – 2008. – V. 245. – P. 2800–2807.

31. Summers, G. P., White, G. S., Lee, K. H. & Crawford, J. H. Jr Radiation damage in MgAl2O4 // Physical Review B. – 1980. – V. 21. – P. 2578–2584.

32. White, G. S., Jones, R. V. & Crawford, J. H. Jr Optical spectra of MgAl2O4 crystals exposed to ionizing radiation. // J. Appl. Phys. – 1982. – V. 53. – P. 265–270.

33. Cain, L. S., Pogatshnik, G. J. & Chen, Y. Optical transitions in neutron-irradiated MgAl2O4 spinel crystals. // Physical Review B. – 1988. – V. 37. – P. 2645–2652.

34. Gritsyna, V. T., Afanasyev-Charkin, I. V., Kazarinov, Y. G. & Sickafus, K. E. Optical transitions in magnesium aluminate spinel crystals of different composition exposed to irradiation // Nucl. Instrum. Meth. B. – 2004. – V. 218. – P. 264–270.

35. Costantini, J. M. et al. Color-center production and recovery in electron-irradiated magnesium-aluminate spinel and ceria // J. Phys.: Condens. Matter. – 2016. – V. 28. – P. 325901.

36. Ibarra, A., Lopez, F. J. & de Castro, M. J. V centers in MgAl2O4 spinels // Phys. Rev. B. – 1991. – V. 44. – P. 7256–7262.

37. Lushchik A, Dolgov S., Feldbach E., Pareja R., Popov A.I., Shablonin E., Seeman V. Creation and thermal annealing of structural defects in neutron-irradiated MgAl2O4 single crystal // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. – 2018, – V. 435. – P. 31–37.

38. Seeman V., Feldbach E., Kärner T., Maaroos A., Mironova-Ulmane M., Popov A.I, Shablonin E, Vasil'chenko E., Lushchik A. Fast-neutron-induced and asgrown structural defects in magnesium aluminate spinel crystals with different stoichiometry // Optical Material. – 2019. – V. 91. – P. 42–49.

39. Alexander Platonenko, Denis Gryaznov, Eugene A. Kotomin Aleksandr Lushchik Viktor Seemanb, Anatoli I. Popov Hybrid density functional calculations of hyperfine coupling tensor for hole-type defects in MgAl2O4 // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. – 2020. – V. 464. – P. 60–64.

40. Lushchik A., Feldbach E., Kotomin E.A., Kudryavtseva I., Kuzovkov V. N., Popov A. I., Seeman V. & Shablonin E. Distinctive features of diffusion-controlled radiation defect recombination in stoichiometric magnesium aluminate spinel single crystals and transparent polycrystalline ceramics // Scientific reports. 2020. 10:7810 https://doi.org/10.1038/s41598-020-64778

41. Kiryakov. A. N., Zatsepin A. F., Shchapova Yu. V., Golyeva E. V. and Pustovarov V. A. Optically Active Defects Induced by 10 MeV Electron Beam in Transparent MgAl2O4 Ceramics // ASRTU Conference on Alternative Energy Sino-Russian ASRTU Conference Alternative Energy: Materials, Technologies, and Device. – 2018. – P. 98–108.

42. Satoru Yoshioka, Konosuke Tsuruta, Tomokazu Yamamoto, Kazuhiro Yasuda, Syo Matsumura, Takeharau Sugiyama, Yojiro Oba, Norito Ishikawa, Eiichi Kobayashi, Koji Okudaira. Local structure investigations of accumulated damage in irradiated MgAl2O4 // Journal of American Ceramic Society. – 2020. – V. 103. – P. 4654– 4663.


Рецензия

Для цитирования:


Акилбеков А.Т., Даулетбекова А.К., Киряков А.Н., Аралбаева Г.М., Оспанова Ж.Д. ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В АНИОННОЙ И КАТИОННОЙ ПОДРЕШЕТКЕ КРИСТАЛЛОВ MgAl2O4 ОБЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМИ КСЕНОНА. Вестник НЯЦ РК. 2023;(3):48-53. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-3-48-53

For citation:


Akilbekov A., Dauletbekova A., Kiriakov A., Aralbayeva G., Ospanova Z. FORMATION OF DEFECTS IN THE ANION AND CATION SUBLATTICE OF MgAl2O4 CRYSTALS IRRADIATED BY HIGH ENERGY XENON IONS. NNC RK Bulletin. 2023;(3):48-53. (In Russ.) https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-3-48-53

Просмотров: 67


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1729-7516 (Print)
ISSN 1729-7885 (Online)