CC BY
17
УДК 539.1.074.3
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ОКСИОРТОСИЛИКАТОВ Gd2SiO5:Ce3+:Ca2+
М.В. Белов1, Ю.Д. Заварцев2, М. В. Завертяев1, А. И. Загуменный2, В. А. Козлов1, С. А. Кутовой2, Н.В. Пестовский1, С.Ю. Савинов1
Методом Чохральского выращены сцинтилляционные монокристаллы и поликристаллы оксиортосиликата гадолиния Od2SiO5:Ce3+ ,Ca2+. Изучено влияние концентрации легирующих ионов на спектры импульсной като-долюминесценции, световой выход и время сцинтилляции под действием гамма возбуждения. Показано, что с увеличением концентрации как ионов Ce3+, так и ионов Ca2+ время сцинтилляции снижается.
Ключевые слова: сцинтилляционные кристаллы, гамма излучение, время сцинтилляции, импульсная катодолюминесценция.
Развитие технологии получения легированного церием оксиортосиликата гадолиния (Gd2SiO5:Ce "GSO") было мотивировано поиском кристалла для позитронно-эмиссионной томографии, детекторов гамма и рентгеновского излучения для технических применений, а также экспериментов в физике высоких энергий [1].
Кристалл Gd2SiO5:Ce является бесцветным с плотностью 6.71 г/см3 и температурой плавления около 1950 °С.
Значительная анизотропия коэффициентов термического расширения и легкость раскалывания кристалла вдоль кристаллографической плоскости (100) предопределяет сильное растрескивание кристаллической були и сцинтилляционных элементов в процессе резки и полировки. Несмотря на указанные сложности, компания Hitachi Chemical Co. Ь^.(Япония) разработала промышленную технологию выращивания кристаллов Gd2SiO5:Ce диаметром 105 мм и длиной 290 мм [2].
Кристалл Gd2SiO5:Ce является устойчивым к гамма излучению сцинтиллятором, сохраняя радиационную стойкость до поглощенной дозы 109 рад [3].
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 ИОФ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38.
В исследованиях Hitachi Chemical Co. Ltd. описано влияние на сцинтилляционные свойства дополнительного легирование ионами Zr, Hf, Ti, Ga, Ge, La, Pr кристалла Gd2SiO5:Ce [4]. По результатам этих исследований кристалл Gd2SiO5:Ce: Zr имеет более высокий световой выход, улучшенное энергетическое разрешение при сохранении времени сцинтилляции в интервале от ~55 нс (верх були) до ~45 нс (низ були).
В настоящее время в США и других странах линейки детекторов из сцинтилляцион-ных кристаллов активно используются в системах таможенного досмотра контейнеров без присутствия людей, используя Vehicle and Cargo Inspection System (VACIS). Система VACIS сканирует контейнеры используя гамма-излучающие изотопы цезия 137Cs и кобальта 60Co [5].
В системах последнего поколения VACIS используется лютецийсодержащий кристалл Lu1.gY0.2SiO5:Ce:Ca, имеющий высокую плотность 7.1 г/см3 с коротким временем сцинтилляции 35-41 нс и кремниевые фотоумножители SiPM для регистрации сцинтил-ляционного излучения. Более чем на порядок меньшая стоимость одного килограмма оксида гадолиния Gd2O3 по сравнению с оксидом лютеция Lu2O3 является экономическим преимуществом для использования Gd2SiO5:Ce как в таможенных системах, так и в позитронно-эмиссионной томографии, где количество кристаллических детекторов измеряется тысячами. Также надо отметить, что задача снижения времени сцинтилляций кристаллов Gd2SiO5:Ce является крайне актуальной в настоящее время.
Ранее кристаллы Gd2SiO5 (GSO), имеющие в исходном расплаве легирующие ионы только Ce3+ в концентрации 0.1 ат.% от концентрации ионов гадолиния, содержащие Ce3+ и Ca2+ с концентрацией 0.1 ат.% для каждого иона, исследовались в работе [6]. На кристалле GSO: Ce3+ было измерено время сцинтилляции 109 нс, а для кристалла GSO: Ce3+:Ca2+ время снизилось до 79 нс.
Наша работа посвящена исследованиям составов кристаллов Gd2SiO5:Ce, дополнительно легированных ионами двухвалентного кальция Ca2+ в различных концентрациях с целью получения образцов кристаллов с коротким временем высвечивания.
В качестве исходных компонентов использовали высокочистые реактивы SiO2, Gd2O3, CeO2, CaO с содержанием основного вещества 99.99%. Выращивание кристаллов GSO:Ce3+ и GSO:Ce3+,Ca2+ проводили методом Чохральского из иридиевого тигля в газовой среде 99.9% Ar+0.01%O2. Составы исходных расплавов и свойства выращенных из них сцинтилляционных монокристаллов и поликристаллов приведены в таблице 1.
Увеличение в расплаве концентрации Ca2+ до 1.5% вызывает рост белого непрозрачного поликристалла, которому присуща ячеистая структура. Данная структура
обуславливает рассеяние света на границах между множеством кристалликов с объемом менее 1 мм3.
Для сравнения с параметрами образцов, полученных в данной работе, использовали коммерческий кристалл, легированный ионами церия и циркония Zr-GSO:1%Ce3+ (размером 4x4x22 мм для медицинских томографов), компании Hitachi Chemical Co. Ltd.
Рис. 1: Спектры ИКЛ для кристаллов GSO:Ce3+ (a) и GSO:Ce3+ ,Ca2+ ,Zr4+ (b).
Для изучения спектров люминесценции новых кристаллов GSO:Ce3+,Ca2+ использовалась специальная установка для исследований импульсной катодолюминесценции (ИКЛ). Возбуждение люминесценции происходило под действием ускорителя электронов РАДАН-ЭКСПЕРТ, генерирующего импульсы электронов со средней энергией 150 кэВ, длительностью 2 нс и пиковой плотностью мощности 10 МВт/см2 [7]. Спектры ИКЛ для кристаллов GSO:Ce3+ и GSO:Ce3+ ,Ca2+ измерялись на установке КЛАВИ [7], они представлены на рис. 1. Спектры практически идентичны имеющимся в литературе спектрам люминесценции сцинтиллятора GSO:Ce3+ и обусловлены 5d-4f переходами в ионах Ce3+.
Для изучения световыхода новых сцинтилляторов GSO:Ce3+,Ca2+ использовались спектры люминесценции кристаллов при возбуждении 7-квантами от радиоактивного источника 137Cs (фотопики).
Исследуемый сцинтилляционный кристалл с помощью оптической смазки Dow Corning Q2-3067 был соединен с фотоумножителем Hamamatsu R4521Q с кварцевым
Рис. 2: Амплитудные распределения сцинтилляторов GSO: Ce3+ (a) и GSO:Ce3+ ,Ca2+ (b), облученных y-квантами от источника 137 Cs.
окном. Все остальные поверхности кристалла были завернуты в 8-10 слоев тефлоновой ленты. Сцинтилляции в кристалле возбуждались радиоактивным Y-источником 137Cs. Фотоумножитель был подключен к стабилизированному источнику высоковольтного напряжения Canberra 3002D. Сигнал от фотоумножителя через предусилитель Canberra 2007B поступал на спектрометрический усилитель ORTEC-471 (время интегрирования 2 мкс), и далее на амплитудный преобразователь ADC C420. На рис. 2 приведены фотопики от 137Cs для кристаллов оксиортосиликатов гадолиния. Фотопики для полупрозрачных поликристаллов GSO: Ce3+ не были получены из-за рассеяния света внутри образцов.
Абсолютный световой выход в терминах числа фотоэлектронов/МэВ определялся с помощью калибровки каналов амплитудного преобразователя по положению одноэлек-тронного пика фотоумножителя, полученного при уменьшении засветки ФЭУ. Чтобы конвертировать число фотоэлектронов в выход фотонов люминесценции кристалла, использовалась средняя квантовая эффективность фотокатода фотоумножителя R4521Q в области эмиссионного спектра исследуемого сцинтиллятора (400-550 нм). В таблице 1 приведены световыходы кристаллов оксиортосиликатов гадолиния в терминах числа фотонов/МэВ.
Времена высвечивания кристаллов GSO исследовались на специальной установке, с использованием метода "задержанных совпадений", который заключается в измерении распределения временных интервалов At между возбуждением в сцинтилляторе и образованием фотоэлектрона на фотокатоде ФЭУ. Временное распределение измерялось относительно сигнала "Старт", который получался от исследуемого кристалла, присоединенного к фотоумножителю R4125Q с кварцевым окном.
Исследуемый кристалл, облученный 7-квантами от источника 137Cs, находился на расстоянии 4 см от фотоумножителя R4125Q, включенного в канал "Стоп". Диафрагма перед этим ФЭУ позволяла регулировать световой поток от сцинтиллятора для того, чтобы система работала в режиме счета фотонов.
Сигналы с фотоумножителей каналов "Старт"' и "Стоп" через предусилители поступали на дискриминаторы со следящим порогом CAEN C808 и далее на 1024 - канальный время-цифровой преобразователь (TDC) KA-317, информация с которого накапливалась в памяти персонального компьютера.
Определение параметров временного отклика сцинтилляторов проводилось по специальной программе с использованием функции:
I(t) = A • exp(-t/т) + C,
где т - время высвечивания компоненты экспоненциального распада, A - ее амплитуда, и C - фон случайных совпадений.
Рис. 3: Зависимость интенсивности высвечивания сцинтилляторов GSO:Ce (a), (b), и GSO:Ce3+,Ca2+ (c) от времени.
На рис. 3 приведены зависимости от времени интенсивности высвечивания, полученные с помощью радиоактивного источника 137Сз.
Основные характеристики новых кристаллов Gd2SiO5: Се3+,Са2+ в сравнении с кристаллом Zr-GSO:1%Ce3+ представлены в таблице 1.
Таблица 1
Составы исходных расплавов и сцинтилляционные характеристики кристаллов
Кристалл/ поликристалл Исходный состав расплава Время сцинтилляции, нс Световыход, Фотон/МэВ
Монокристалл GS0:0.05%Ce3+ Gd1.999Ce0.001SiO5 166.59±1.08 6400
Монокристалл GS0:0.3%Ce3+ Gdi.994Ceo.oo6Si05 52.52±0.15 8560
Монокристалл GS0:0.3%Ce3+, 0.3%Ca2+ Gd1.988Ce0.006Ca0.006SiO4.997 31.79±0.33 2390
Поликристалл GS0:0.3%Ce3+, 1.5%Ca2+ Gd1.964Ceo.oo6Cao.o3SiO4.985 19.7±0.1
Поликристалл GS0:0.3%Ce3+, 1.5%Ca2+,1.5%Zr4+ Gd1.934Ce0.006Ca0.03Zr0.03SiO5 34.5±0.3
Монокристалл Hitachi Chemical Co.Ltd. Zr-GS0:1%Ce3+ Состав расплава неизвестен 41.71±0.13 9790
Как видно из таблицы 1, время сцинтилляции под действием гамма возбуждения снижается с увеличением концентрации как ионов Ce3+, так и ионов Ca2+, а именно: GSO:0.05%Ce3+ - 167 нс, GSO:0.3%Ce3+ - 53 нс, GSO:0.3%Ce3+, 0.3%Ca2+ - 32 нс. Для поликристаллов GS0:0.3%Ce3+, 1.5%Ca2+ время сцинтилляций составило -20 нс, и для GS0:0.3%Ce3+, 1.5%Ca2+, 1.5%Zr4+ - 35 нс.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-08-01060).
ЛИТЕРАТУРА
[1] T. Utsu and S. Akiyama, Journal of Crystal Growth 109, 385 (1991).
[2] K. Kurashige, A. Gunji, M. Kamada et al., IEEE Transaction on nuclear science 51(3), 742 (2004).
[3] M. Kobayashi, M. Ieiri, K. Kondo, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 330, 115 (1993).
[4] N. Shimura, M. Kamada, A. Gunji, et al., IEEE Transaction on nuclear science 53(5), 2519 (2006).
[5] V. Verbinski and V. Orphan Vehicle and cargo inspection system, in Proceedings of International Conference Neutrons in Research and Industry, 1996, Crete, Greece (SPIE, Bellingham, 1997); https://doi.org/10.1117/12.267908.
[6] M. Koschan, K. Yang, M. Zhuravleva, et al., Journal of Crystal Growth 352, 133 (2012).
[7] V. I. Solomonov, S. G. Michailov, A. I. Lipchak, et al., Laser Physics 16(1), 126 (2006).
Поступила в редакцию 17 апреля 2019 г.
После доработки 17 июля 2019 г.
Принята к публикации 17 июля 2019 г.
