Caracterización dosimétrica de diamantes crecidos por los métodos HPHT y CVD, previamente expuestos a partículas beta y ultravioleta

Abstract

Tesis de doctorado en ciencias de materiales. El diamante es un material con propiedades físicas extremas excelentes que no logran reunirse de igual manera en ningún otro material conocido. Entre las propiedades de particular interés se encuentran la dureza que presenta a la radiación, baja reactividad además de su equivalencia al tejido humano, las cuales lo posicionan como un material ideal para dosimetría de la radiación. En el presente trabajo se caracterizan tres tipos de diamante crecidos artificialmente por los métodos de Depósito por Vapor Químico (DVQ) y el de Alta Presión Alta Temperatura (HPHT). En este trabajo se presentan los resultados de afterglow (AG) y termoluminiscencia (TL) para una muestra de diamante DVQ monocristalina expuesta previamente a radiación UV (200-260 nm). Las curvas de AG se observan con un decrecimiento normal en función al tiempo y su espectro de excitación presento una banda amplia de eficiencia AG en el rango de 200-250 nm. Las curvas de brillo TL presentan principalmente dos picos TL con un máximo alrededor de 77 y 240 ºC, con una señal muy amplia entre ellos, dando lugar a un ajuste total de 4 picos TL. Solo el primer pico se ajustó a una cinética de segundo orden con una energía de activación de 0.59 eV, los otros tres con cinética de primer orden tuvieron energías de 0.46 eV (129 ºC), 0.49 eV (172 ºC) y 0.68 eV (240 ºC). El comportamiento del AG y el pico a 77 ºC fue descrito por un modelo que toma en cuenta las trampas pocos profundas, recombinación de centros y trampas profundas desconectadas térmicamente. La respuesta espectral del AG y TL de los picos observados presentan un máximo alrededor de 220 nm, valor que está muy relacionado con la absorción fundamental de la luz UV y la banda prohibida indirecta del diamante. Se evaluaron también las propiedades dosimétricas por la técnica de luminiscencia ópticamente estimulada (LOE) previo a la exposición de radiación beta (90Sr/90Y) (0.833-100 Gy) de dos muestras de diamante policristalino con espesor de 10 µm, una sin dopar y otra con 750 ppm de nitrógeno. La estimulación óptica fue llevada a cabo por un láser IR de 830 nm y un filtro BG-39 (300-600 nm) acoplado al tubo fotomultiplicador. La señal LOE de la muestra sin dopar presenta estados localizados alrededor de los 100- 380 ºC comparado con la muestra con nitrógeno que presenta el desalojo de cargas de trampas en el rango de 80-277 ºC. La respuesta a la dosis es lineal para la muestra pura en 30-100 Gy con un comportamiento no lineal para bajas dosis. En el caso de la muestra dopada con nitrógeno fue evidente la no linealidad en todo el rango de estudio (0.833-100 Gy). Respecto al diamante HPHT del tipo Ib, se obtuvieron resultados de AG, TL y la LOE estimulada con IR al ser expuesto previamente a radiación beta. La luminiscencia AG decae rápidamente con un valor aproximado de 103 de su intensidad inicial en 100 s. El ajuste de las curvas de brillo de TL mostró que se componían de un pico a 102 ºC con una cinética de 1.4 y tres picos de primer orden a 169, 202 y 241 ºC. La LOE observada en la muestra logró desalojar portadores de carga de sus trampas con diferente eficiencia. La curva de brillo de TL se encontró no reproducible posiblemente a la presencia de defectos relacionados con las impurezas presentes y por aquellos creados con la incidencia de radiación. Esta situación puede impedir el uso de este tipo de material para su aplicación en dosimetría. Sin embargo un calentamiento recurrente puede disminuir la concentración de defectos, es decir, disociándolos o extinguiéndolos en diferentes etapas de calentamiento, ya que se ha reportado gran movilidad de vacancias – impurezas (V-I) e intersticios en el rango de temperatura de 30 – 800 ºC. En este trabajo de tesis un tratamiento térmico fue llevado a cabo hasta 800 ºC y se observó una notable mejoría en la reproducibilidad de las lecturas TL, en relación a lo observado en la misma muestra previo al tratamiento. Similares resultados en TL se obtuvieron dos meses después de haberse concluido dicho tratamiento, obteniendo de nuevo una respuesta TL lineal en todo el rango de dosis de radiación (0-100 Gy). Estos resultados contribuyen sin duda en el estudio del diamante HPHT del tipo Ib para aplicaciones dosimétricas y conduce de manera general a pensar en el diamante sintético DVQ y HPHT como un adecuado detector de radiación ionizante y no ionizante.