Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Lumineszenzeigenschaften von undotierten und dysprosiumdotierten
Bariumfluoridkristallen nach selektiver Anregung durch Synchrotronstrahlung unt
ersucht. Der
Dysprosium-Anteil der Proben betrug bis zu 2000ppm.
Die intrinsischen Emissionen von Bariumfluoridkristallen beruhen auf der sogena
nnten Cross
Lumineszenz und dem Zerfall von Self-Trapped-Exzitonen (STE-Lumineszenz). Die t
hermische
Verbreiterung der einzelnen Cross-Lumineszenzbanden läßt sich im Rah
men des Modells der Elektron-
Phonon-Kopplung erklären. Mit Hilfe der Cross-Lumineszenz werden Informati
onen über die
Zustandsdichten im anionische Valenz- und im Leitungsband gewonnen. Die Gesamtintensität der Cross-
und der STE-Lumineszenz wurde zwischen 6K und 650K analysiert.
Die STE-Lumineszenz wurde in Abhängigkeit von Temperatur und Anregungsenergie eingehend
untersucht. Intensive STE-Lumineszenz wird insbesondere bei Anregung über freie Exzitonen des
anionischen Valenzbandes beobachtet. Bei höheren Anregungsenergien verzögern Relaxationsprozesse
die STE-Erzeugung. Dabei wird auch eine Verlängerung der STE-Lebensdauer beobachtet.
Bei den dysprosiumdotierten Proben werden neben Cross- und STE-Lumineszenz auch 4f-übergänge
von Dy3+-Ionen nachgewiesen. Diese beruhen im wesentlichen auf übergängen zwischen dem 4F9/2-
Niveau und verschiedenen 6H-Niveaus. Sie erreichen bei einer Temperatur von etwa 440K maximale
Intensität. Oberhalb einer Temperatur von 250K beginnt das 125meV über dem 4F9/2-Niveau gelegene
4I15/2-Niveau in Folge thermischer Anregung zu lumineszieren.
Im Transparenzbereich des BaF2-Wirtsgitters erfolgt direkte Anregung von Dy3+-Ionen über deren 5d-
Zustände. Bei höheren Anregungsenergien wird Energie vom Wirtsgitter auf die Dotierung transferiert. In
BaF2:Dy-Kristallen wird die STE-Lumineszenz stärker durch die Dy3+-Dotierung getilgt als die Cross-
Lumineszenz. Die Tilgung der Cross-Lumineszenz findet aufgrund von Förster-Dexter-Energietransfers
statt, die von einem überlapp des Cross-Lumineszenzspektrums mit 5d-Zuständen hervorgerufen wird.
STE-Tilgung wird sowohl von Förster-Dexter-Energietransfers, die von 4f-Niveaus der Dy3+-Ionen
vermittelt werden, als auch von Prozessen während der Relaxation von Elektronen und Löchern bewirkt.
Energietransfer-Prozesse in BaF2:Dy-Kristallen werden durch Störstellen beeinflußt. Für die Cross-
Lumineszenz-Dy3+ und STE-Dy3+-Energietransfer-Prozesse wurden die kritischen Radien bestimmt.
Selektive STE-Tilgung ist notwendig, um die Totzeit von BaF2-Szintillatoren zu reduzieren. In dieser
Arbeit wird gezeigt, wie dies durch Seltene-Erd-Dotierung gelingen kann. Bei solchen Kristallen ist
jedoch mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Strahlenschäden zu rechnen.
: The luminescence of BaF2- and BaF2:Dy3+-crystals was investigated after selective excitation with synchrotron radiation. The concentration of Dy3+-ions in the crystals was up to 2000ppm. In BaF2-crystals cross-luminescence and the radiative decay of self-trapped excitons (STE luminescence) is observed. The broadening of the cross-luminescence bands with increasing temperature is explained by electron-phonon coupling. The density of states in the anion-valence band and in the conduction band is analyzed with the help of the cross-luminescence. The intensity of the cross- luminescence and the STE-luminescence is investigated in the temperature range between 6K and 650K. The STE-luminescence is analyzed as a function of temperature and excitation energy. Maximum STE- intensity is observed after the direct excitation of anion-type excitons. Higher excitation energy causes a delayed STE creation and an elongated STE decay time. Dysprosium doping originates additional emissions, which are assigned to 4f-4f transitions of Dy3+-ions. This emissions are mainly caused by transitions from the 4F9/2 level to different 6H levels. Maximum intensity of the Dy3+ emissions is reached at 440K. At temperatures above 250K thermally activated luminescence of the 4I15/2 level is observed. The 4I15/2 level is located 125meV above the 4F9/2 level. Some 5d states of Dy3+ ions can be excited in the transparency range of BaF2 . Higher excitation energy causes energy transfers from the BaF2 host lattice to the Dy3+ ions. In BaF2:Dy crystals the STE- luminescence is stronger affected by the quenching influence of Dy3+ doping than the cross-luminescence is. Cross-luminescence quenching takes place because of Förster-Dexter energy transfers. This is induced by a spectral overlap of the cross-luminescence with 5d levels of Dy3+ ions. The STE- luminescence is quenched by means of two different effects: Förster-Dexter energy transfers induced by Dy3+ 4f levels and energy transfers during the relaxation processes of mobile electrons and holes. Energy transfer processes are affected by crystal defects. The critical radius for the Förster-Dexter energy transfer between cross-luminescence centers and Dy3+ ions, respectively between self-trapped excitons and Dy3+ ions is determined. To reduce pile-up effects of BaF2-szintillators selective STE suppression is required. This work points out how to do this by rare earth doping. The probability of radiation damages will probably be increased in these crystals.