ESR studies of iron-containing lithium, sodium and potassium silicate glasses before and after Irradiation with γ- and X-rays

Abstract

Lithium, sodium and potassium silicate glasses containing different Fe₂O₃ amounts were irradiated with γ- and X-rays and investigated by using ESR. The well-known iron resonances at g = 4.2 and g = 1.99 show a characteristic behaviour at the transition from lithium to potassium and by changing the Fe₂O₃ concentration. The resonance at g = 4.2 decreases from lithium to potassium, whereas the resonance at g = 1.99 increases. The concordance of the intensity course of the two resonances with the preference of the alkali metals to take tetrahedral or octahedral coordination is an interesting support for the attribution of g = 4.2 to 4-fold coordinated Fe³⁺ and g = 1.99 to 6-fold coordination of this ion. γ- and X-rays induce the same defect centres (colour centres). These centres are characterized by a strong resonance at g = 2.01. All radiation defects have a strong dependence on the type of alkali metal - they increase from lithium to potassium - and on the Fe₂O₃ concentration of the glasses. In glasses which contain a very small quantity of Fe₂O₃ the irradiation induces more defects than in the corresponding iron-free glasses. With increasing Fe₂O₃ content the glasses become more resistant against irradiation and at a high concentration no more defects can be produced.

Lithium-, Natrium- und Kaliumsilicatgläser unterschiedlicher Fe₂O₃-Konzentrationen wurden mit γ- und Röntgenstrahlen bestrahlt und mit der ESR untersucht. Die bekannten Eisenresonanzen bei g = 4,2 und g = 1,99 zeigten ein charakteristisches Verhalten beim Übergang von Lithium zu Kalium und bei Änderung des Fe₂O₃-Gehaltes. Die Resonanz bei g = 4,2 nimmt von Lithium zu Kalium ab, die bei g = 1,99 dagegen zu. Die Übereinstimmung des Intensitätsverlaufs der beiden Resonanzen mit der Neigung der Alkalimetalle, tetraedrische oder oktaedrische Koordinationen zu bilden, steht einen interessanten Beweis für die Zuordnung von g = 4,2 zum 4fach-koordinierten Fe³⁺-Ion und von g = 1,99 zur 6er Koordination dar. γ- und Röntgenstrahlen produzieren die gleichen Defektzentren (Farbzentren). Sie sind durch eine starke Resonanz bei g = 2,01 gekennzeichnet. Alle Defekte zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Art der Alkalimetalle - sie nehmen von Lithium zu Kalium zu - und von der Fe₂O₃-Konzentration. In Gläsern mit niedrigem Fe203-Gehalt entstehen mehr Strahlungsdefekte als in den entsprechenden eisenfreien Gläsern. Mit zunehmendem Fe₂O₃-Gehalt werden die Gläser strahlungsresistenter, und bei hoher Konzentration treten keine Defekte mehr auf.