RU2442143C1 - Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals - Google Patents

Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals Download PDF

Info

Publication number
RU2442143C1
RU2442143C1 RU2010130292/28A RU2010130292A RU2442143C1 RU 2442143 C1 RU2442143 C1 RU 2442143C1 RU 2010130292/28 A RU2010130292/28 A RU 2010130292/28A RU 2010130292 A RU2010130292 A RU 2010130292A RU 2442143 C1 RU2442143 C1 RU 2442143C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystals
concentration
impurity
sample
crystal
Prior art date
Application number
RU2010130292/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Владимирович Семашко (RU)
Вадим Владимирович Семашко
Стелла Леонидовна Кораблева (RU)
Стелла Леонидовна Кораблева
Александр Кондратьевич Наумов (RU)
Александр Кондратьевич Наумов
Михаил Александрович Марисов (RU)
Михаил Александрович Марисов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет" (ФГАОУ ВПО КФУ)
Вадим Владимирович Семашко
Стелла Леонидовна Кораблева
Александр Кондратьевич Наумов
Михаил Александрович Марисов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет" (ФГАОУ ВПО КФУ), Вадим Владимирович Семашко, Стелла Леонидовна Кораблева, Александр Кондратьевич Наумов, Михаил Александрович Марисов filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет" (ФГАОУ ВПО КФУ)
Priority to RU2010130292/28A priority Critical patent/RU2442143C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2442143C1 publication Critical patent/RU2442143C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: according to the method, the roentgenofluorescence intensity of the analytic line is measured in the tested sample (crystal) and the roentgenofluorescence intensity of the same line is measured in working mixture containing a known amount of the measured element. A calibration chart is built and the absolute concentration of the impurities in the sample. At the same time spectral measurements of the sample are carried out, their results are compared with the results of roentgenofluorescence measurement and a reference gage is acquired for future use in impurity spectral analysis in industrial-scale production of the crystals.
EFFECT: creation of reference gages (reference crystal samples) while retaining measurement accuracy for controlled crystal properties.
4 dwg

Description

Изобретение относится к области химии, физики, выращивания кристаллов и может быть использовано при создании активированных кристаллических материалов с прогнозируемыми свойствами для нужд фотоники, квантовой электроники и оптики. Необходимость контроля концентрации примеси в активных элементах следует из зависимости выходных характеристик генерации лазерных материалов от концентрации активных ионов и равномерности их распределения по длине кристалла.The invention relates to the field of chemistry, physics, crystal growth and can be used to create activated crystalline materials with predictable properties for the needs of photonics, quantum electronics and optics. The need to control the concentration of impurities in active elements follows from the dependence of the output characteristics of the generation of laser materials on the concentration of active ions and the uniformity of their distribution along the length of the crystal.

К настоящему времени известны способы по определению концентрации примеси в кристаллах с использованием образцовых мер. Так, в работе [M.Fornoni, A.Bulou, J.M.Breteau, J.Y.Gesland, and M.Rousseau, "Neodymium concentration measurements in Nd:YLF laser rods: a nondestructive method". -Applied Optics, 1990. V.29, N12, pp.1758-1764] предложен метод определения концентрации ионов неодима в кристаллах LiYF4 (YLF), основанный на линейной зависимости интенсивностей линий спектров люминесценции определяемой примеси от ее концентрации. При этом для нормировки сигнала люминесценции использовались линии спектров комбинационного рассеяния исследуемого кристалла.Currently known methods for determining the concentration of impurities in crystals using exemplary measures. Thus, in [M.Fornoni, A. Bulou, J.M. Breteau, J.Y. Gesland, and M. Rousseau, "Neodymium concentration measurements in Nd: YLF laser rods: a nondestructive method". -Applied Optics, 1990. V.29, N12, pp.1758-1764] a method for determining the concentration of neodymium ions in LiYF4 (YLF) crystals is proposed, based on the linear dependence of the line intensities of the luminescence spectra of the impurity being determined on its concentration. In this case, to normalize the luminescence signal, we used the lines of Raman spectra of the crystal under study.

Практическое применение этой методики связано со значительными трудностями. Сигналы комбинационного рассеяния имеют малую интенсивность и требуют использования мощных источников накачки, а сигнал люминесценции при таких условиях перестает быть пропорциональным концентрации, так как на его величину будут оказывать влияние такие процессы, как самотушение люминесценции, нелинейные эффекты, связанные с возбужденным поглощением и нелинейным взаимодействием, а также реабсорбция люминесценции. Исключение этих эффектов накладывает ограничения на диапазон определямых концентраций примеси в кристаллах - концентрация не должна превышать 0.5 ат.%. Как правило, такие малые концентрации не используются на практике, так, например, при изготовлении активных элементов лазеров требуются концентрации активаторных ионов в кристаллах 1% и более атомных процентов.The practical application of this technique is associated with significant difficulties. Raman signals are of low intensity and require the use of powerful pump sources, and the luminescence signal under these conditions ceases to be proportional to the concentration, since processes such as self-quenching of luminescence, nonlinear effects associated with excited absorption and nonlinear interaction will influence its magnitude. as well as reabsorption of luminescence. The exclusion of these effects imposes restrictions on the range of detectable impurity concentrations in crystals — the concentration should not exceed 0.5 at.%. As a rule, such low concentrations are not used in practice, for example, in the manufacture of laser active elements, activator ion concentrations in crystals of 1% or more atomic percent are required.

Таким образом, известный метод не приемлем для практического применения, в особенности в прикладных целях для определения концентраций примесей в кристаллах.Thus, the known method is not acceptable for practical use, especially for applied purposes for determining the concentration of impurities in crystals.

Наиболее близким аналогом, выбранным нами в качестве прототипа по совокупности совпадения характерных признаков и ожидаемому техническому результату, являются исследования, проведенные на кристаллах двойных фторидов LYF4 (YLF), активированных ионами неодима, опубликованные в работе [Ткачук A.M., Полетимова А.В., Петрова М.А., Егоров В.Ю., Королев Н.Е. «Вхождение ионов Nd3+ в матрицу LiYF4 и определение концентрации Nd3+ неразрушающим спектрофотометрическим методом». - Оптика и спектроскопия, 1991. Т.70, вып.6. С.1230-1235]. В этой работе исследовано вхождение ионов неодима в решетку YLF и предложена спектрофотометрическая методика определения как среднеинтегральной концентрации активаторных ионов в кристаллах, так и вид ее распределения по длине активного элемента. Спектрофотометрическая методика определения концентрации неодима в кристаллах LYF4 основана на измерении пиковой оптической плотности D на реперной линии с длиной волны λ по известному, или определенному другими методами, значению пикового поперечного сечения поглощения σ. При этом среднее значение концентрации неодима С в образце длиной 1 см-3 рассчитывается по формуле:The closest analogue that we selected as a prototype for the combination of characteristic features and the expected technical result are studies conducted on LYF4 double fluoride crystals (YLF) activated by neodymium ions, published in [Tkachuk AM, AV Poletimova, Petrova M.A., Egorov V.Yu., Korolev N.E. "The entry of Nd3 + ions into the LiYF4 matrix and the determination of the Nd3 + concentration by a non-destructive spectrophotometric method." - Optics and spectroscopy, 1991. V.70, issue 6. S.1230-1235]. In this work, the occurrence of neodymium ions in the YLF lattice was studied and a spectrophotometric method was proposed for determining both the average integral concentration of activator ions in crystals and the form of its distribution along the length of the active element. The spectrophotometric technique for determining the neodymium concentration in LYF4 crystals is based on measuring the peak optical density D on the reference line with a wavelength λ from the known, or determined by other methods, value of the peak absorption cross section σ. In this case, the average concentration of neodymium C in a sample 1 cm -3 long is calculated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

Как видно из формулы (1), от степени точности определения σ в основном зависит и точность определения концентрации, поскольку оптическая плотность D измеряется с гораздо более высокой точностью (<0.5-1%), чем определено значение сечения поглощения σ (~10-20%). Таким образом, имеется существенный недостаток в определении точности концентрации примесей в кристаллах, что препятствует получению достоверной информации по исследуемым кристаллам, что в свою очередь сказывается на качестве собственно устройств (лазеров).As can be seen from formula (1), the accuracy of determining the concentration mainly depends on the degree of accuracy of determining σ, since the optical density D is measured with a much higher accuracy (<0.5-1%) than the absorption cross section σ (~ 10-20 %). Thus, there is a significant drawback in determining the accuracy of the concentration of impurities in crystals, which prevents obtaining reliable information on the crystals under study, which in turn affects the quality of the devices (lasers) themselves.

Калибровка методики определения концентрации в работе [Ткачук A.M., Полетимова А.В., Петрова М.А., Егоров В.Ю., Королев Н.Е. «Вхождение ионов Nd3+ в матрицу LiYF4 и определение концентрации Nd3+ неразрушающим спектрофотометрическим методом». - Оптика и спектроскопия, 1991. Т.70, вып.6. С.1230-1235] осуществлялась по контрольной серии образцов кристаллов YLF-Nd, выращенных методом Стокбаргера. Изготовленные образцы контрольной серии представляют собой полированные и ориентированные относительно оптической оси кристаллические диски толщиной 1 мм и диаметром 6-10 мм, вырезанные из различных мест кристаллической були. Для всех образцов были зарегистрированы поляризованные спектры поглощения, а затем в них же методом рентгеноспектрального анализа была определена концентрация ионов неодима. Измерения осуществлялись на электронно-зондовом микроанализаторе Camebax. Измерив интенсивность спектров поглощения ориентированных пластинок YLF-Nd и зная из данных рентгеноспектрального анализа концентрацию ионов неодима, были рассчитаны значения пиковых сечений поглощения σ для реперных линий с наименьшей степенью поляризации в различных областях спектра. Среднюю концентрацию неодима в атомных процентах вычисляли из выражения:Calibration of the methodology for determining the concentration in the work [Tkachuk A.M., Poletimova A.V., Petrova M.A., Egorov V.Yu., Korolev N.E. "The entry of Nd3 + ions into the LiYF4 matrix and the determination of the Nd3 + concentration by a non-destructive spectrophotometric method." - Optics and spectroscopy, 1991. V.70, issue 6. S.1230-1235] was carried out according to the control series of samples of YLF-Nd crystals grown by the Stockbarger method. The manufactured samples of the control series are polished and oriented relative to the optical axis crystalline disks with a thickness of 1 mm and a diameter of 6-10 mm, cut from various places of the crystal boule. For all samples, polarized absorption spectra were recorded, and then the concentration of neodymium ions was determined in them by the same method of x-ray spectral analysis. The measurements were carried out on a Camebax electron probe microanalyzer. By measuring the intensity of the absorption spectra of oriented YLF-Nd plates and knowing the concentration of neodymium from the data of X-ray spectral analysis, we calculated the values of peak absorption cross sections σ for reference lines with the lowest degree of polarization in different spectral regions. The average concentration of neodymium in atomic percent was calculated from the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Недостатком известной методики, изложенной в прототипе, является то, что:
Figure 00000003
The disadvantage of the known methods outlined in the prototype is that:

- не приводится никаких данных о калибровке микроанализатора;- no calibration data is given for the microanalyzer;

- отсутствуют достоверные сведения об оценке точности в определении концентрации ионов неодима в образцах контрольной серии;- there is no reliable information on the assessment of accuracy in determining the concentration of neodymium ions in samples of the control series;

- отсутствует информация о последующем расчете значений сечений поглощения σ.- there is no information on the subsequent calculation of the values of the absorption cross sections σ.

Вследствие вышеизложенного значительно затрудняется оценка качества получаемых кристаллов лазерных веществ и собственно устройств (лазерных установок), в которых они используются по своему назначению. Поскольку интенсивность рентгенофлуоресценции определяемых ионов зависит от глубины проникновения рентгеновского излучения, используемого для возбуждения флуоресценции, вглубь образца, а также от поглощения квантов рентгенофлуоресценции другими химическими элементами, присутствующими в пробах, то необходима калибровка прибора РФА по каждому образцу подобного химического состава и с известной концентрацией определяемой примеси. Основываясь на приведенных аргументах, можно сделать вывод о том, что данный фактор является необходимым и определяющим условием повышения точности в измерении концентрации примеси в кристаллах.As a result of the foregoing, it is significantly difficult to assess the quality of the obtained crystals of laser substances and the actual devices (laser systems) in which they are used for their intended purpose. Since the intensity of the x-ray fluorescence of the ions determined depends on the depth of penetration of the x-ray radiation used to excite the fluorescence deep into the sample, as well as on the absorption of the X-ray fluorescence quanta by other chemical elements present in the samples, it is necessary to calibrate the XRD device for each sample of similar chemical composition and with a known concentration determined impurities. Based on the above arguments, we can conclude that this factor is a necessary and determining condition for increasing the accuracy in measuring the concentration of impurities in crystals.

Таким образом, приведенная в работе средняя погрешность в измерении концентрации ионов неодима, позиционируемая в пределах 10%, не представляется обоснованной. Одновременно приведенная величина погрешности является довольно большой величиной, что сужает область практического применения предлагаемой методики и сводит к минимуму возможность создания качественной продукции (лазерных кристаллов) и соответственно значительно снижает качество самих устройств (лазеров).Thus, the average error given in the work in measuring the concentration of neodymium ions, positioned within 10%, does not seem reasonable. At the same time, the given error value is a rather large value, which narrows the field of practical application of the proposed technique and minimizes the possibility of creating high-quality products (laser crystals) and, accordingly, significantly reduces the quality of the devices themselves (lasers).

Кроме того, авторами работы [Ткачук A.M., Полетимова А.В., Петрова М.А., Егоров В.Ю., Королев Н.Е. «Вхождение ионов Nd3+ в матрицу LiYF4 и определение концентрации Nd3+ неразрушающим спектрофотометрическим методом». - Оптика и спектроскопия, 1991. Т.70, вып.6. С.1230-1235] не предлагалось создать образцовую меру для последующего его использования при определении концентрации ионов неодима различными неразрушающими спектроскопическими методами. Авторы провели лишь единичную калибровку образцов методом рентгеноспектрального анализа с целью определения значения пикового поперечного сечения поглощения σ на исследуемом образце.In addition, the authors of the work [Tkachuk A.M., Poletimova A.V., Petrova M.A., Egorov V.Yu., Korolev N.E. "The entry of Nd3 + ions into the LiYF4 matrix and the determination of the Nd3 + concentration by a non-destructive spectrophotometric method." - Optics and spectroscopy, 1991. V.70, issue 6. S.1230-1235] it was not proposed to create an exemplary measure for its subsequent use in determining the concentration of neodymium ions by various non-destructive spectroscopic methods. The authors performed only a single calibration of the samples by X-ray spectral analysis in order to determine the value of the peak absorption cross-section σ on the test sample.

Следовательно, можно констатировать тот факт, что авторами работы не была поставлена задача по созданию образцовых мер (стандартных образцов кристаллов) с известными (измеренными) свойствами. А это не способствует возможности значительного сокращения временного интервала выявления количественных показателей кристаллов, таких как концентрация примеси в кристалле, а следовательно, и качественных свойств полученных кристаллов.Therefore, we can state the fact that the authors of the work did not set the task of creating exemplary measures (standard samples of crystals) with known (measured) properties. And this does not contribute to the possibility of a significant reduction in the time interval for identifying quantitative indicators of crystals, such as the concentration of impurities in the crystal, and, consequently, the qualitative properties of the obtained crystals.

Кроме того, авторы вышеозначенной работы не стремились улучшить точность в определении сечения поглощения, а значит, и отсутствовала задача по повышению точности в определении концентрации ионов неодима за счет использования статистической методики, измеряя значения σ по различным частям исследуемого кристалла, отличающихся концентрацией примесных ионов, а следовательно, и коэффициентом поглощения. Это свидетельствует о том, что известный метод не предназначен для решения специального вопроса по созданию образцовых мер (стандартных образцов кристаллов) с известными (измеренными) свойствами.In addition, the authors of the aforementioned work did not seek to improve the accuracy in determining the absorption cross section, and therefore there was no task of increasing the accuracy in determining the concentration of neodymium ions through the use of a statistical method, measuring σ values from different parts of the crystal under study that differ in the concentration of impurity ions, and therefore, the absorption coefficient. This indicates that the known method is not intended to solve the special issue of creating exemplary measures (standard crystal samples) with known (measured) properties.

Хотя в настоящее время на рынке по производству лазерных кристаллов существует актуальная проблема (потребность) в создании нового экспресс-метода определения свойств выращенных кристаллов, а именно экспресс-метода по определению концентрации примеси в кристаллах.Although there is currently an urgent problem (need) in the market for the production of laser crystals in the creation of a new express method for determining the properties of grown crystals, namely, an express method for determining the concentration of impurities in crystals.

Предлагаемый способ позволяет создать ряд (линейку) образцовых мер кристаллов (стандартных образцов кристаллов) с заведомо известными свойствами, которые могли бы быть использованы для обеспечения возможности автоматизации процесса отбора из ряда выращенных кристаллов, кристаллы с нужными свойствами. Сопоставляя оптические спектры стандартных образцов (кристаллов) с оптическими спектрами вновь выращенных кристаллов, появляется возможность их быстрого отбора, ранжирования по требуемым качественным (количественным) параметрам кристаллов (например, коэффициенту вхождения, прозрачности, однородности кристаллов и т.д.) без проведения длительного во времени процесса исследования их свойств. С целью обеспечения возможности применения нового заявленного способа (метода) для снижения непроизводительных затрат как по времени исследования кристаллов, так и с возможностью при этом сохранения гарантированного качества измерения контролируемых показателей кристаллов и, тем самым, обеспечения возможности создания малозатратного, но эффективного способа тиражирования кристаллов в условиях массового (серийного) производства.The proposed method allows you to create a series (line) of exemplary measures of crystals (standard samples of crystals) with known properties that could be used to automate the selection process from a number of grown crystals, crystals with the desired properties. By comparing the optical spectra of standard samples (crystals) with the optical spectra of newly grown crystals, it becomes possible to quickly select and rank them according to the required qualitative (quantitative) parameters of crystals (for example, the coefficient of entry, transparency, uniformity of crystals, etc.) without a long time of the research process of their properties. In order to ensure the possibility of using the new claimed method (method) to reduce unproductive costs both in the time of research of crystals, and with the possibility of maintaining the guaranteed quality of measurement of controlled parameters of crystals, and thereby making it possible to create a low-cost, but effective method of replicating crystals in conditions of mass (mass) production.

Таким образом, на рынке существует нереализованная потребность в создании (разработке) нового экспресс-метода, позволяющего при минимальных затратах ресурсов, получить возможность оценки комплекса качественных показателей (свойств) полученных кристаллов и их ранжирования по качественным и иным контролируемым показателям.Thus, there is an unrealized need on the market for the creation (development) of a new express method that allows, at the minimum cost of resources, the opportunity to evaluate a set of qualitative indicators (properties) of the obtained crystals and their ranking according to qualitative and other controlled indicators.

Целью заявленного технического решения является:The purpose of the claimed technical solution is:

1. способ создания образцовых мер (стандартных образцов кристаллов); (для измерения с высокой степенью точности как абсолютной концентрации ионов лантаноидов цериевой подгруппы в активированных кристаллах состава LiY1-xLuxF4, где x непрерывно меняется от 0 до 1 спектроскопическими методами, так и иных контролируемых показателей кристаллов (например, оптическое качество, а именно число пузырей, прозрачность, наличие свилей) наличие механических повреждений);1. a method of creating exemplary measures (standard samples of crystals); (for measuring with a high degree of accuracy both the absolute concentration of cerium subgroup lanthanide ions in activated crystals of the composition LiY 1-x Lu x F 4, where x is continuously changing from 0 to 1 by spectroscopic methods, and other controlled parameters of crystals (for example, optical quality, namely, the number of bubbles, transparency, the presence of stubs) the presence of mechanical damage);

2. сохранение гарантированного качества измерения контролируемых показателей кристаллов;2. maintaining the guaranteed quality of measurement of controlled indicators of crystals;

3. снижение непроизводительных расходов и повышения экономических показателей при серийном производстве промышленных кристаллов (снижение себестоимости при сохранении высокого качества продукции);3. reducing unproductive costs and improving economic performance in the serial production of industrial crystals (cost reduction while maintaining high product quality);

4. обеспечение возможности промышленного производства кристаллов с контролируемыми и (или) заданными параметрами.4. ensuring the possibility of industrial production of crystals with controlled and (or) specified parameters.

Заявленный способ обеспечивает возможность:The claimed method provides the ability to:

- исключения необходимости применения дорогостоящего оборудования, таких как рентгенофлуоресцентного, масспектроскопического оборудования;- eliminating the need for expensive equipment, such as x-ray fluorescence, mass spectroscopic equipment;

- сохранения гарантированного качества измерения контролируемых показателей кристаллов;- maintaining the guaranteed quality of measurement of controlled indicators of crystals;

использования промышленного производства кристаллов с контролируемыми и (или) заданными параметрами.use of industrial production of crystals with controlled and (or) specified parameters.

Поставленная заявителями цель достигается за счет того, что предложен технологический процесс (способ) создания образцовых мер (поверенных кристаллов) с заведомо известными концентрациями вышеприведенных ионов в широком интервале концентраций (линейка стандартных образцов кристаллов) для обеспечения возможности экспресс-методики в определении контролируемых показателей кристаллов, таких как концентрация примеси лантаноидов цериевой подгруппы (Re) в кристаллах LiY1-xLuxF4:Re методами как оптической, так и (или) ЭПР-спектроскопии, исключая при этом этап проведения рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).The goal set by the applicants is achieved due to the fact that a technological process (method) for creating exemplary measures (verified crystals) with known concentrations of the above ions in a wide concentration range (a line of standard crystal samples) is proposed to enable the express methodology in determining controlled parameters of crystals, such as the concentration of the impurity of the cerium subgroup (Re) lanthanides in LiY 1-x Lu x F 4 : Re crystals by both optical and / or EPR spectroscopy, excluding I am at the same time the stage of x-ray fluorescence analysis (XRF).

Заявленное техническое решение осуществляется следующим образом. Рентгеновский спектрофлуориметр предварительно калибруют по шихте для роста кристалла с заданным х с известным (по навеске) содержанием определяемой примеси. По полученным данным строят градуировочный график, далее по этому графику, используя метод РФА, определяют абсолютную концентрацию определяемого элемента в образцах кристаллов, выращенных из той же шихты. Таким образом, полученные кристаллические образцы с известной концентрацией определяемой примеси могут затем служить образцовой мерой для последующего определения этой же примеси в других кристаллах этого же химического состава методом сравнения.The claimed technical solution is as follows. An X-ray spectrofluorimeter is pre-calibrated on a charge for crystal growth with a given x with a known (by weight) content of the detected impurity. According to the data obtained, a calibration graph is built, then according to this graph, using the XRD method, the absolute concentration of the element being determined in the samples of crystals grown from the same mixture is determined. Thus, the obtained crystalline samples with a known concentration of the detected impurity can then serve as an exemplary measure for the subsequent determination of the same impurity in other crystals of the same chemical composition by comparison.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами:The claimed technical solution is illustrated by the following materials:

- на Фиг.1. представлен эскиз, иллюстрирующий схему разделки, образца для измерения абсолютной концентрации примесных ионов неодима в кристаллах LiY1-xLuxF4:Nd3+(х=0…1) методами спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа;- in figure 1. a sketch is presented illustrating the cutting pattern of a sample for measuring the absolute concentration of neodymium impurity ions in LiY1-xLuxF4: Nd3 + crystals (x = 0 ... 1) by spectroscopy and X-ray fluorescence analysis;

- на Фиг.2 представлены нормированные интенсивности линий, принадлежащих ионам Nd3+, в спектрах рентгенофлуоресценции образцов в зависимости от концентрации ионов Nd3+ в шихте LiF-YF3-NdF3;- figure 2 presents the normalized intensities of lines belonging to Nd3 + ions in the X-ray fluorescence spectra of the samples depending on the concentration of Nd3 + ions in the LiF-YF3-NdF3 charge;

- на Фиг.3 приведен спектр поглощения ионов Nd3+ в кристалле LiYF4 в области переходов между мультиплетами 4I9/22-G7/2, σ - поляризованное излучение, Т=300K;- figure 3 shows the absorption spectrum of Nd3 + ions in a LiYF4 crystal in the region of transitions between 4I9 / 22-G7 / 2 multiplets, σ is the polarized radiation, T = 300 K;

- на Фиг.4 представлена зависимость интегрального коэффициента поглощения ионов Nd от концентрации ионов Nd в кристалле.- figure 4 presents the dependence of the integrated absorption coefficient of Nd ions from the concentration of Nd ions in the crystal.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что для создания образцовых мер для определения концентрации примеси в кристаллах LiY1-xLuxF4 неразрушающими спектроскопическими методами измеряются интенсивности аналитической линии рентгенофлуоресценции в исследуемом образце (кристалле) и интенсивности рентгенофлуоресценции той же линии в шихте, с известным содержанием определяемого элемента, строится градуировочный график и определяется абсолютная концентрация примеси в образце, отличающийся тем, что одновременно на том же образце проводят спектроскопические исследования, сопоставляют их с исследованиями рентгенофлуоресценции и получают образцовую меру для его использования впоследствии для определения концентрации примеси неразрушающими спектроскопическими методами при промышленном производстве кристаллов.The essence of the claimed technical solution is that to create exemplary measures for determining the impurity concentration in LiY 1-x Lu x F 4 crystals by non - destructive spectroscopic methods, the intensities of the analytical X-ray fluorescence line in the test sample (crystal) and the X-ray fluorescence intensities of the same line in the charge are measured, with the known content of the element being determined, a calibration graph is built and the absolute concentration of the impurity in the sample is determined, characterized in that at the same time In the same sample, spectroscopic studies are carried out, they are compared with X-ray fluorescence studies and an exemplary measure is obtained for its subsequent use to determine the impurity concentration by non-destructive spectroscopic methods in the industrial production of crystals.

Пример.Example.

1) Приготавливается несколько составов шихты (набор составов) для выращивания кристаллов с химической формулой LiY1-xLuxF4:Re, где значение х=0…1 определяется желаемым химическим составом образцовой меры и в наборе не изменяется, а значение концентрации редкоземельной примеси (Re) варьируется в пределах от 0 до 10 ат.%. Каждая шихта представляет собой смесь порошковых реактивов LiF, YF3, LuF3 и ReF3 (Re=Ce, Pr, Nd…Gd). При этом концентрация каждого из входящих в ее состав катионов определяется навесками этих компонент с точностью лучше, чем 0.03 ат.%.1) Several charge compositions are prepared (set of compositions) for growing crystals with the chemical formula LiY 1-x Lu x F 4 : Re, where the value x = 0 ... 1 is determined by the desired chemical composition of the exemplary measure and does not change in the set, and the concentration of rare-earth impurities (Re) varies from 0 to 10 at.%. Each charge is a mixture of powder reagents LiF, YF 3 , LuF 3 and ReF 3 (Re = Ce, Pr, Nd ... Gd). Moreover, the concentration of each of the cations included in its composition is determined by weighed amounts of these components with an accuracy better than 0.03 at.%.

2) Небольшая часть каждого состава шихты из набора используется для калибровки спектрометра РФА. Для этого исследуются зависимости интегральных интенсивностей линий в спектрах рентгенофлуоресценции, принадлежащих определяемым примесным ионам лантаноидов (IRe) и катионам кристаллической решетки Y и Lu (IY и ILu) от концентраций всех этих элементов в шихте. Поскольку интенсивности в спектрах рентгенофлуоресценции линейно зависят от количества анализируемых элементов, а значит, и от количества вещества в пробе, регистрируемая на спектрометре РФА, интегральная интенсивность IRe нормировалась на интегральные интенсивности рентгенофлуоресценции ионов Y и Lu, концентрация которых в шихте известна и является мерой количества вещества. По результатам измерений строятся градуировочные графики IRe/ILu и/или IRe/IY от известной концентрации лантаноидов в шихте.2) A small portion of each charge composition from the kit is used to calibrate the XRD spectrometer. For this, the dependences of the integrated line intensities in the X-ray fluorescence spectra belonging to the determined impurity lanthanide ions (I Re ) and the crystal lattice cations Y and Lu (I Y and I Lu ) on the concentrations of all these elements in the charge are studied. Since the intensities in the X-ray fluorescence spectra linearly depend on the number of analyzed elements, and hence on the amount of substance in the sample, recorded on an X-ray powder diffraction spectrometer, the integral intensity I Re was normalized to the integral X-ray fluorescence intensities of Y and Lu ions, the concentration of which in the charge is known and is a measure of the amount substances. Based on the measurement results, calibration graphs I Re / I Lu and / or I Re / I Y are plotted against the known concentration of lanthanides in the charge.

3) Большая часть шихты используется для выращивания кристаллов LiY1-xLuxF4:Re методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа со скоростью роста - 1 мм/ч и скоростью вращения тигля 10 об/мин. В результате исследования было установлено, что при используемых методах выращивания кристаллов отсутствует неоднородность примеси по диаметру кристалла, т.е. зависимость концентрации примеси в выращенных кристаллических булях состава LiY1-xLuxF4:Re остается постоянной по диаметру кристалла.3) Most of the charge is used for growing LiY 1-x Lu x F 4 : Re crystals by the Bridgman-Stockbarger method in graphite crucibles in a growth installation of a filament type with a growth rate of 1 mm / h and a crucible rotation speed of 10 rpm. As a result of the study, it was found that with the used methods of growing crystals, there is no heterogeneity of the impurity over the diameter of the crystal, i.e. the dependence of the impurity concentration in the grown crystalline boules of the composition LiY 1-x Lu x F 4 : Re remains constant over the diameter of the crystal.

4) Из выращенных булей кристаллов изготавливаются образцы для исследований их методом РФА и спектроскопическими методами. На були вдоль направления роста (ось Z) наносились метки с шагом 4 мм, которые служили ориентирами для последующей ее резки. Образцы изготовливаются путем двух продольных (вдоль направления кристаллизации) срезов боковых поверхностей кристаллической були, как показано на Фиг.1. Направление срезов выбираются таким образом, чтобы оптическая ось кристалла располагалась вдоль направления реза. Затем срезанные боковые части распиливаются на пластинки длиной по 4 мм, которые, в свою очередь, разделяются на две части: одна пластинка (образец I) - для анализа методом РФА, а другая пластинка (образец II) - для исследования спектров ЭПР. Получившиеся в результате среза плоские боковые поверхности оставшейся центральной части кристаллической були (образец III) шлифовались и полировались с тем, чтобы осуществлять спектрофотометрические исследования. При этом разметка оставшейся части були сохранялась.4) Samples are made from the crystals grown by boules, for investigation using the XRD method and spectroscopic methods. On boules along the growth direction (Z axis) marks were applied with a step of 4 mm, which served as guidelines for its subsequent cutting. Samples are made by two longitudinal (along the crystallization direction) sections of the side surfaces of the crystal boules, as shown in FIG. The direction of the slices is chosen so that the optical axis of the crystal is located along the direction of the cut. Then, the cut off side parts are sawn into 4 mm long plates, which, in turn, are divided into two parts: one plate (sample I) for analysis by the XRD method, and the other plate (sample II) for studying the EPR spectra. The resulting flat side surfaces of the remaining central part of the crystal boules (sample III) were ground and polished in order to perform spectrophotometric studies. At the same time, the marking of the remaining part of the boule was preserved.

5) В результате получается несколько серий по два образца I и II. Каждая серия отличается от другой серии местом в кристаллической буле, из которой она вырезается (координатой Z), поскольку вдоль направления кристаллизации неизоморфная примесь распределяется неравномерно [Киргинцев А.Н., Исаенко Л.И., Исаенко В.А. Распределение примеси при направленной кристаллизации. - Новосибирск: «Наука», 1977, 256 с.]. При этом в соответствии с данными п.3 образцы I и II в каждой из серий, соответствующие одной и той же координате Z, имеют одинаковое содержание анализируемых примесных ионов - cI(z)=cII(z). Точно так же в зависимости от координаты Z различные области образца III содержат различную концентрацию анализируемой примеси cIII(z). Причем концентрация определяемой примеси во всех образцах I, II и III при одной и той же координате Z, в соответствии с данными п.3, равны друг другу (2):5) The result is several series of two samples I and II. Each series differs from another series by the place in the crystalline boulevard from which it is cut out (by the Z coordinate), since the nonisomorphic impurity is distributed unevenly along the crystallization direction [Kirgintsev AN, Isaenko LI, Isaenko VA Impurity distribution in directional crystallization. - Novosibirsk: “Science”, 1977, 256 pp.]. Moreover, in accordance with the data of Section 3, samples I and II in each series corresponding to the same Z coordinate have the same content of the analyzed impurity ions - c I (z) = c II (z). Similarly, depending on the Z coordinate, different regions of sample III contain different concentrations of the analyzed impurity c III (z). Moreover, the concentration of the detected impurity in all samples I, II, and III at the same Z coordinate, in accordance with the data of Section 3, are equal to each other (2):

Figure 00000004
Figure 00000004

6) Образец I каждой из серий измельчался в агатовой ступке для получения порошка, для которого регистрировался спектр рентгенофлуоресценции. Затем рассчитывались отношения интегральных интенсивностей полос рентгенофлуоресцентции определяемых ионов (элементов) IRe к интегральным интенсивностям полос рентгенофлуоресцентции ионов Lu и Y - IRe/ILu и/или IRe/IY и по градуировочным графикам (см.п.2) определялась искомая абсолютная концентрация Re в образце.6) Sample I of each of the series was ground in an agate mortar to obtain a powder for which an X-ray fluorescence spectrum was recorded. Then, the ratios of the integrated intensities of the X-ray fluorescence bands of the determined ions (elements) I Re to the integrated intensities of the X-ray fluorescence bands of the Lu and Y ions - I Re / I Lu and / or I Re / I Y were calculated and the desired curve was determined (see Section 2) absolute concentration of Re in the sample.

7) Поскольку концентрация примеси в образцах серии одинакова cI(z)=cII(z), это означает, что известна и абсолютная концентрация примесных ионов в образце II, а сам образец может служить образцовой мерой для определения искомой абсолютной концентрации ионов лантаноидов цериевой подгруппы в других кристаллах исследуемого состава методом сравнения. В частности, образец II может использоваться в качестве образцовой меры для измерения абсолютной концентрации ионов лантаноидов цериевой подгруппы методом ЭПР.7) Since the impurity concentration in the samples of the series is the same c I (z) = c II (z), this means that the absolute concentration of impurity ions in sample II is also known, and the sample itself can serve as an exemplary measure for determining the desired absolute concentration of cerium lanthanide ions subgroups in other crystals of the studied composition by comparison. In particular, sample II can be used as an exemplary measure for measuring the absolute concentration of cerium subgroup lanthanide ions by EPR.

8) Точно так же образец III может служить образцовой мерой для определения абсолютной концентрации ионов лантаноидов цериевой подгруппы в кристаллах LiY1-xLuxF4:Re (х=0…1) методом абсорбционной оптической спектроскопии.8) Similarly, sample III can serve as an exemplary measure for determining the absolute concentration of cerium subgroup lanthanide ions in LiY 1-x Lu x F 4 : Re crystals (x = 0 ... 1) by absorption optical spectroscopy.

9) Учитывая, что для одинаковых координат Z c1(z)=cII(z)=cIII(z), и зная интегральный коэффициент поглощения анализируемых примесных ионов по их спектрам поглощения, можно вычислить интегральное сечение поглощения для каждого из определяемых ионов лантаноидов цериевой подгруппы в этих кристаллах по формуле:9) Given that for the same coordinates Z c 1 (z) = c II (z) = c III (z), and knowing the integral absorption coefficient of the analyzed impurity ions from their absorption spectra, we can calculate the integral absorption cross section for each of the determined ions cerium subgroup lanthanides in these crystals according to the formula:

Figure 00000005
Figure 00000005

где с - известная концентрация ионов примеси, к(λ) - интегральный коэффициент поглощения в выбранном спектральном диапазоне λ, σ - интегральное сечение поглощения определяемого иона в данном кристалле, значение которого было определено равным (1,9±0,1)×10-19 см2 и в дальнейшем может быть использовано для определения концентрации того же иона в других кристаллах данного состава, зная его коэффициент поглощения в выбранном спектральном диапазоне.where c is the known concentration of impurity ions, k (λ) is the integral absorption coefficient in the selected spectral range λ, σ is the integral absorption cross section of the ion being determined in this crystal, the value of which was determined to be (1.9 ± 0.1) × 10- 19 cm2 and in the future can be used to determine the concentration of the same ion in other crystals of this composition, knowing its absorption coefficient in the selected spectral range.

10) Для повышения точности в определении абсолютной концентрации примесных ионов в кристаллах, используя относительные спектроскопические методы, необходимо провести множество измерений на различных образцах с последующей статистической обработкой результатов. При этом целесообразно использовать достаточно большое число образцов, отличающихся содержанием исследуемой примеси и варьируемой в максимально возможных пределах. Нами для обеспечения необходимой статистической выборки был использован экспериментально установленный факт неравномерного распределения примеси по длине кристаллической були. При этом концентрация примесных ионов в начальной части були оказывается меньше, чем в конечной, что не противоречит теории внедрения неизоморфной примеси, изложенной в работе [Киргинцев А.Н., Исаенко Л.И., Исаенко В.А. Распределение примеси при направленной кристаллизации. - Новосибирск: «Наука», 1977, 256 с.].10) To increase the accuracy in determining the absolute concentration of impurity ions in crystals, using relative spectroscopic methods, it is necessary to conduct many measurements on various samples with subsequent statistical processing of the results. In this case, it is advisable to use a sufficiently large number of samples differing in the content of the studied impurity and varying as much as possible. To ensure the necessary statistical sampling, we used the experimentally established fact of the uneven distribution of the impurity along the length of the crystal boule. In this case, the concentration of impurity ions in the initial part of the boule turns out to be lower than in the final, which does not contradict the theory of incorporation of an isomorphic impurity described in [Kirgintsev AN, Isaenko LI, Isaenko VA Impurity distribution in directional crystallization. - Novosibirsk: “Science”, 1977, 256 pp.].

Таким образом, набор образцов с различной концентрацией примеси эквивалентен разным участкам одной кристаллической були, что позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления образцовых мер и ограничиться выращиванием не десятка кристаллов, а лишь одного кристалла. Полученных при этом данных оказывается вполне достаточно для повышения точности до сотых долей процента в отличие от показателей прототипа при определении абсолютной концентрации примеси в кристаллах, а следовательно, и в определении интегрального сечения поглощения определяемого иона в данном кристалле.Thus, a set of samples with different impurity concentrations is equivalent to different sections of the same crystalline boule, which can significantly reduce the complexity of manufacturing model measures and limit ourselves to growing not a dozen crystals, but only one crystal. The data obtained in this case is quite sufficient to increase the accuracy to hundredths of a percent, in contrast to the prototype indicators when determining the absolute concentration of an impurity in crystals, and therefore, in determining the integral absorption cross section of a determined ion in a given crystal.

Таким образом, заявителю удалось создать образцовые меры для определения абсолютной концентрации ионов лантаноидов цериевой подгруппы в кристаллах LiY1-xLuxF4:Re (x=0…1) с высокой точностью. Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», так как для кристаллов LiY1-xLuxF4:Re (x=0…1), активированных ионами лантаноидов цериевой подгруппы, не обнаружено подобных технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков, приводящих к реализации заявляемых целей.Thus, the applicant was able to create exemplary measures to determine the absolute concentration of cerium subgroup lanthanide ions in LiY 1-x Lu x F 4 : Re crystals (x = 0 ... 1) with high accuracy. The claimed technical solution meets the criterion of "novelty," since for LiY 1-x Lu x F 4 : Re crystals (x = 0 ... 1) activated by cerium subgroup lanthanide ions, no such technical solutions have been found that have the indicated set of features leading to implementation of the stated goals.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как для специалистов в заявленной области техники данное техническое решений не является очевидным вследствие того, что получение и анализ каждого выращенного кристалла требует весьма существенных затрат, как временных, так и использования ряда дорогостоящих приборов, аппаратов и длительных расчетов. Кроме этого заявленное техническое решение позволяет провести разовое изготовление стандартных образцов кристаллов (линейку кристаллов) и использовать ее в дальнейшем как стандартные образцы, исключив при этом непроизводительные затраты при серийном изготовлении промышленных лазеров.The claimed technical solution meets the criterion of "inventive step", as for specialists in the claimed field of technology, this technical solution is not obvious due to the fact that obtaining and analyzing each grown crystal requires very significant costs, both time and the use of a number of expensive devices, apparatus and lengthy settlements. In addition, the claimed technical solution allows one-time production of standard samples of crystals (a line of crystals) and use it in the future as standard samples, eliminating the unproductive costs in the serial production of industrial lasers.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», хотя заявленный способ реализован в лабораторных условиях на территории Казанского Федерального (Поволжского) университета, но апробирован на стандартных образцах кристаллов с заведомо известными свойствами.The claimed technical solution meets the criterion of "industrial applicability", although the claimed method is implemented in laboratory conditions on the territory of the Kazan Federal (Volga) University, but it has been tested on standard samples of crystals with known properties.

Заявляемый способ носит универсальный характер и может быть применим для создания образцовых мер для других примесных ионов и в других кристаллах.The inventive method is universal in nature and can be used to create exemplary measures for other impurity ions and in other crystals.

Claims (1)

Способ создания образцовых мер для неразрушающих спектроскопических методов определения концентрации примеси в кристаллах, заключающийся в измерении интенсивности аналитической линии рентгенофлуоресценции в исследуемом образце (кристалле) и интенсивности рентгенофлуоресценции той же линии в шихте, с известным содержанием определяемого элемента, построении градуировочного графика и определении абсолютной концентрации примеси в образце, отличающийся тем, что одновременно на том же образце проводят спектроскопические исследования, сопоставляют их с исследованиями рентгенофлуоресценции и получают образцовую меру для его использования, в последствии, для определения концентрации примеси неразрушающими спектроскопическими методами при промышленном производстве кристаллов. A method of creating exemplary measures for non-destructive spectroscopic methods for determining the concentration of an impurity in crystals, which consists in measuring the intensity of the analytical X-ray fluorescence line in the test sample (crystal) and the X-ray fluorescence intensity of the same line in the charge, with a known content of the element being determined, constructing a calibration curve and determining the absolute concentration of the impurity in the sample, characterized in that at the same time spectroscopic studies are carried out on the same sample , compare them with X-ray fluorescence studies and obtain an exemplary measure for its use, subsequently, for determining the concentration of an impurity by non-destructive spectroscopic methods in the industrial production of crystals.
RU2010130292/28A 2010-07-19 2010-07-19 Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals RU2442143C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010130292/28A RU2442143C1 (en) 2010-07-19 2010-07-19 Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010130292/28A RU2442143C1 (en) 2010-07-19 2010-07-19 Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2442143C1 true RU2442143C1 (en) 2012-02-10

Family

ID=45853751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010130292/28A RU2442143C1 (en) 2010-07-19 2010-07-19 Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2442143C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТКАЧУК A.M. и др. Вхождение ионов Nd3+ в матрицу LiYF4 и определение концентрации Nd3+ неразрушающим спектрофотометрическим методом. Оптика и спектроскопия, 1991, т.70, в.5, с.1230-1235. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Markowicz An overview of quantification methods in energy-dispersive X-ray fluorescence analysis
EP2333529B1 (en) X-ray fluorescence analyzing method
Hawrami et al. Tl2LiYCl6: large diameter, high performing dual mode scintillator
Wu et al. Czochralski growth, optical, scintillation, and defect properties of Cu2+ codoped Lu2SiO5: Ce3+ single crystals
Bolfan-Casanova et al. Measurement of water contents in olivine using Raman spectroscopy
Yang et al. Influence of carbon on the thermoluminescence and optically stimulated luminescence of α-Al2O3: C crystals
Wu et al. Unraveling the critical role of site occupancy of lithium codopants in Lu2SiO5: Ce3+ single-crystalline scintillators
Smythe et al. Quantitative determination of cerium oxidation states in alkali-aluminosilicate glasses using M4, 5-edge XANES
Sibczyński et al. Study of NaI (Tl) scintillator cooled down to liquid nitrogen temperature
Ravenhurst et al. Thermal annealing of fission tracks in fluorapatite, chlorapatite, manganoanapatite, and Durango apatite: experimental results
Takizawa et al. The scintillation performance of one-inch diameter CsI/CsCl/NaCl eutectics grown by the Czochralski method
Khan et al. Scintillation characterization of thallium-doped lithium iodide crystals
RU2442143C1 (en) Method for creating reference gages for non-destructive spectral methods of measuring impurity concentration in crystals
Godbole et al. UV luminescence of U4+ ions in LiYF4 single crystal: Observation of 5f16d1→ 5f2 transitions
Zhuravleva et al. The europium oxidation state in CsSrI3: Eu scintillators measured by X-ray absorption spectroscopy
Gryaznov et al. Nanostructured crystals of Sr 1− x R x F 2+ x fluorite phases and their ordering: 6. Microindentation analysis of crystals
Acharya et al. Development and applications of in situ current normalized PIGE method using proton beams for quantification of low Z elements
CN101666746B (en) Laser induced spectrum data processing method based on wavelet analysis
WO2012115234A1 (en) Scintillator for neutron detection, and neutron radiation detector
Miller et al. Nondestructive method for quantifying thallium dopant concentrations in CsI: Tl crystals
da COSTA et al. Development and characterization of a portable total reflection X-ray fluorescence system using a waveguide for trace elements analysis
Bong et al. Quantitative Analysis of Trace Heavy Elements in Geological Samples Utilizing High-energy (116 keV) Synchrotron Radiation X-ray Fluorescence Analysis for Forensic Investigation
Voronov et al. Hybrid organic–inorganic crystals based on ammonium dihydrogen phosphate and ammonium salicylate
Takasugi et al. Al-doping effects on mechanical, optical and scintillation properties of Ce:(La, Gd) 2Si2O7 single crystals
Kozlova et al. Investigation of CaMoO4 single crystals with low residual absorption

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20140912