K. Švarcs

Latvijas Zinātņu Akadēmija

Radiācijas fizikas eksperimenti LZA Fizikas institūtā tika uzsākti pagājušā gadsimta 60-to gadu sākumā. Pētījumu virziens bija sārmu metālu halogenīdu kristālu (NaCl, KCL, LiF) radiolīzes procesi. Paralēli eksperimentiem tika veidota arī tehniskā bāze tālākiem pētījumiem: kristālu audzēšanas iekārtas, optiskā spektroskopija (ari vakuuma UV), EPR, elektronu mikroskopija u.c. Paraugu apstarošanai izmantoja Salaspils atomreaktoru un gamma-staru kontūru, kā arī elektronu paātrinātāju (5 MeV). LiF kristālu apstarošana atomreaktorā, pateicoties kodolreakcijām 6Li(n, 4He)3T, deva iespēju pētīt radiolīzes procesus pie ļoti lielām absorbētām enerģijām. Zinātniskā virziena veidošanā piedalījās laboratorijas vadošie līdzstādnieki J. Ekmanis, V. Gotlībs, J. Kristapsons un A. Ozols (sk. [1 – 4, 9, 10]). Zinātniskajā darbā aktīvu dalību ņēma arī reaktora tehniskais personāls (D. Kalniņš. K. Baltmugurs u.c.). Cieša sadarbība zinātniskajā darbā izveidojās ar J. Tīlika radiācijas ķīmijas laboratoriju [12]. Šo pētījumu rezultāti regulāri tika publicēti vietējos un starptautiskos izdevumos [1 – 3] un vēlāk tika apkopoti monogrāfijā [4]. Laboratorijā aspiranturā tika sagatavoti kadri arī augstskolām, no kurām īpaši jāmin Daugavpils Pedagoģiskais Institūts (pirmais aspirants A. Podiņš [2]). Par laboratorijas pētījumu starptautisko rezonansi liecina to sistemātiskais apraksts enciklopēdijā „Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry” [6]. Šo pētījumu rezultāti tika arī izmantoti smago jonu radiācijas efektu interpretācijai LiF kristālos [7, 8]. Fundamentālie pētījumi LiF kristālos (V. Gotlībs, Z. Grants, A. Ļušina) deva arī iespēju izstrādāt termoluminescento dozimetru „TELDE” staru terapijai medicīnā (kopā ar prof. J. Nemiro, RMI).

70-to gadu sākumā tika uzsākti optiskā ieraksta procesu pētījumi neorganiskos materiālos. Blakus sārmu metālu halogenīdu kristāliem, eksperimentos izmantoja arī elektrooptiskos materiālus (LiNbO₃, LiTaO₃) un halkogenīdu pusvadītājus (As₂S₃, As₂Se₃, Sb₂S₃, Sb₂Se₃). Svarīgākie eksperimentu rezultāti apkopoti monogrāfijās [9 – 11]. Optiskā ieraksta un hologrāfijas pētījumi dažādos materiālos padziļināja gaismas inducēto procesu izpratni dielektriķos un pusvadītājos. Monogrāfija [10] un A. Ozola zinātniskā aktivitāte sekmēja hologrāfijas attīstību Latvijā.

Literatūras norādes uz laboratorijas līdzstrādnieku publikācijām (P. Augustova, V. Gerbredera, Z. Granta, M. Grūbes, J. Kalniņa, V. Laizāna, D. Lūša, A. Ļušinas, I. Manikas, T. Meža, V. Pašēviča, F. Pirogova, D. Popeles, S. Rabšas, M. Reinfeldes, P. Stradiņa, J. Šuņina, J. Tetera, A. Vītola u.c.) ir dotas monogrāfijās [4, 5, 9, 10, 11].

Smago jonu radiācijas fizikas institūts Darmštatē (GSI Darmstadt) blakus galvenajam pētniecības virzienam kodolfizikā un elementāro daļiņu fizikā, attīsta arī radiācijas pētījumus cietās vielās. Smago jonu izraisītie procesi cietās vielās ir izklāstīti pārskatos [13, 14]. Ātro smago jonu enerģijas pārnese dielektriķos notiek ar Kulona mijiedarbības palīdzību. Ar tās starpniecību smagie joni vielā inducē ātro elektronu plazmu, kura gala rezultatā režga atomus ierosina vai nobīda, radot defektus un to agregātus vai arī fāžu pārejas, tai skaitā amorfizāciju [13, 14]. LiF kristālos smagie joni ierosina atomus un defekti tiek radīti ar eksitonu mehānisma palīdzību [5, 14, 15]. Defektu veidošanās un to agregācija LiF kristālos ir atkarīga no jonu enerģijas un enerģijas zuduma lieluma (dE/dx), absorbētās dozas vai fluences (Φ, joni/cm2) un no apstarošanas temperatūras. Aplūkosim šos procesus LiF, kas apstarots ar dažādiem joniem no vieglā 12C oglekļa jona līdz smagajiem 197Au, 208Pb vai 238U joniem pie 8 K un 300 K [16 – 19].

Apstarojot ar joniem, kuriem enerģijas zudumi dE/dx ir mazāki par 10 keV/nm, defektu (krāsu centru) veidošanās notiek līdzīgi kā pie ātro elektronu vai rentgenstaru iedarbības, un krāsu centru sadalījums ap ātro jonu trajektoriju ir samērā homogēns. Apstarojot ar joniem, kuriem dE/dx ir lielāks par 10 keV/nm, defektu ģenerēšanās procesi jonu trekā stipri atšķiras: treka centrā (ar radiusu 1 – 2 nm) izveidojās cilindriska defektu agregātu zona (angliski „core”), ap kuru veidojās lielāka (ar radiusu 10 – 50 nm) punktveida defektu zona ar parastajiem krāsu centriem (angliski „halo”). Jaunas paradības tika novērotas, apstarojot kristālus pie 8 K [20 – 22]. Pie zemām temperatūrām apstarošana ar viegliem joniem (12C, 50Ti) notiek līdzīgi kā pie rentgenstaru iedarbības – defektu ģenerēšanās efektivitāte ir zemāka nekā pie 300 K. Turpretīm apstarošana ar smagajiem joniem (197Au, 208Pb u.c.) pie temperatūras 8 K ir efektīvāka nekā pie 300 K. Šo parādību var izskaidrot ar lokālu temperatūras pieaugumu jonu trekā, kas sekmē Frenkeļa pāru separāciju un tādējādi palielina krāsu centru ģenerēšanās efektivitāti [5, 22, 23, 24].

Jāatzīmē, ka GSI Darmstadt uztur plašus zinātniskos sakarus ar vairāk nekā 30 dažādiem institūtiem. Šajā sadrbībā iekļaujās arī LU Cietvielas fizikas institūts (I.Manika, J. Maniks) , kas jonu izraisīto mehānisko īpašību pētīšanā ieņem vadošu vietu starptautiskā mērogā [25].

Izmantotā literatūra

[1] В. И. Готлиб, Я. Ж. Кристапсон, К. К. Шварц, Ю. А. Экманис, «Коллоидальные центры и процессы радиолиза в щелочно-галоидных кристаллах» - Рига, Зинатне, 1973. – Вып. 7 – Стр. 143 – 196.

[2] K. Schwartz, A. J. Vitol, A. Podin, D. O. Kalnin, Yu. A. Ekmanis,“Radiation effects in pile irradiated LiF“, Phys. Stat. Sol.18 (1966) 897.

[3] Yu. Ekmanis, F. V. Pirogov, K. K. Schwartz, ”The process of colloidal center formation in alkali halide crystals during irradiation”, Radiation Effects 7 (1983) 199.

[4] К. К. Шварц, Ю. А. Экманис, «Диэлектрические материалы: Радиационные Процессы и Радиационная Стойкость» - Рига, Зинатне, 1989.

[5] Ч. Б. Лущик, А. Ч. Лущик, «Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах» - Москва, Хаука, 1989.

[6] “Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry“, – Berlin, Springer.

[7] K. Schwartz, M. V. Sorokin, A. E. Volkov et al., „Li colloids in heavy-ion-irradiated LiF crystals after thermal annealing”, GSI Annual Report 2009, Darmstadt, 2010.

[8] A. T. Davidson, K. Schwartz, J. D. Comins et al., „Vacuum ultraviolet absorption and ion track effects in LiF crystals irradiated with swift ions”, Phys. Rev. B 66 (2002) 214102.

[9] К. К. Шварц, В. И. Готлиб, Я. Ж. Кристапсон, «Оптические Регистрирующие Среды» - Рига, Зинтне, 1976.

[10] K. Švarcs, A. Ozols „Hologrāfija – Revolūcija Optikā“, – Rīga, Zinātne, 1975.

[11] K. Schwartz „The Physics of Optical Recording“, – Heidelberg, Springer, 1994.

[12] Ю. З. Авотиньш, Л. Т. Бугаенко, Ю. Р. Дзелме, Ю. Е. Тилик, «Лиолюминесценция» - Рига, Зинатне, 1984.

[13] K. Schwartz, C.Trautmann, R. Neumann „Electronic excitations and heavy-ion-induced processes in ionic crystals“, Nucl. Instr. Meth. B 209 (2003) 73.

[14] N. Itoh, D. M. Duffy, S. Khadshouri, A. M. Stoneham “Making tracks: electronic excitation role in forming swift heavy ion tracks”, J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 474205.

[15] K. Schwartz “Electronic excitations and defect creation in LiF crystals”, Nucl. Instr. Meth. B 107 (1996) 128.

[16] K. Schwartz, C. Trautmann, T. Steckenreiter et al., „Damage and track morphology in LiF crystals irradiated with GeV ions“, Phys. Rev. B 58 (1998) 11232. 

[17] C. Trautmann, K. Schwartz, J. M. Costantini et al. „Radiation defects in lithium fluoride induced by heavy ions“, Nucl. Instr. Meth. B 229 (1998) 367.

[18] M. Enculesu, K, Schwartz, C. Trautmann et.al.,“ Heavy ion induced damage in NaCl and KCl crystals“, Nucl. Instr. Meth. B 229 (2005) 397.

[19] K. Schwartz, C. Trautmann, A. S. El-Said et al., „Color-center creation in LiF under irradiation with heavy ions: Dependence on energy loss and fluence“, Phys. Rev. B 70 (2004) 184104.

[20] K. Schwartz, A. E. Volkov, K-O. Voss et al., „Thermal spike effect on defect evolution in NaCl irradiated with light and heavy ions at 8 and 300 K”, Nucl. Instr. Meth. B 245 (2006) 204.

[21] K. Schwartz, M. Lang, R. Neumann et al.,“Damage creation in LiF and NaCl crystals irradiated with swift heavy ions at 8 and 300 K“, Phys. Stat. Sol. ( c) 4 (2007) 1105.

[22] K. Schwartz, A. E. Volkov, M. V. Sorokin et al., „Effect of electronic energy loss and irradiation temperature on color-center creation in LiF and NaCl crystals irradiated with swift heavy ions”, Phys. Rev. B 78 (2008) 024120.

[23] A. Lushchik, Ch. Lushchik, K. Schwartz et al.,“Creatiobn of nanosize defects in LiF crystals under 5- and 10-MeV Au ions“, Phys. Rev. B 76 (2007) 054114.

[24] K. Schwartz, M. V. Sorokin, SA. Lushchik et al., „Color center creation in LiF crystals irradiated with 5- and 10-MeV Au ions”, Nucl. Instr. Meth. B 266 (2008) 2736.

[25] I. Manika, J. Maniks, K. Schwartz, „Swift-ion-induced hardening and reduction of dislocation mobility in LiF crystals”, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 074008.