CZ37255U1 - A multicomponent monocrystalline scintillator - Google Patents

A multicomponent monocrystalline scintillator Download PDF

Info

Publication number
CZ37255U1
CZ37255U1 CZ2023-41157U CZ202341157U CZ37255U1 CZ 37255 U1 CZ37255 U1 CZ 37255U1 CZ 202341157 U CZ202341157 U CZ 202341157U CZ 37255 U1 CZ37255 U1 CZ 37255U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
scintillator
multicomponent
crystal
monocrystalline
scintillation
Prior art date
Application number
CZ2023-41157U
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Martin Nikl
CSc. Nikl Martin prof. Ing.
Jan Pejchal
Pejchal Jan Ing., Ph.D.
Jindřich HOUŽVIČKA
Jindřich Dr. Houžvička
Silvia Sýkorová
M.Sc. Sýkorová Silvia
Ondřej Zapadlík
Ondřej Ing. Zapadlík
Tomáš Parkman
Parkman Tomáš Ing., Ph.D.
Dalibor Pánek
Pánek Dalibor Ing., Ph.D.
Vojtěch Vaněček
Vaněček Vojtěch Ing., Ph.D.
Original Assignee
Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Crytur, Spol.S R.O.
České vysoké učení technické v Praze
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 Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i., Crytur, Spol.S R.O., České vysoké učení technické v Praze filed Critical Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Priority to CZ2023-41157U priority Critical patent/CZ37255U1/en
Publication of CZ37255U1 publication Critical patent/CZ37255U1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/28Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/64Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7706Aluminates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Description

Multikomponentní monokrystalický scintilátorMulticomponent monocrystalline scintillator

Oblast technikyField of technology

Technické řešení spadá do oblasti techniky zabývající se scintilační detekcí ionizujícího záření a urychlených nabitých částic, konkrétně se týká multikomponentního monokrystalického scintilátoru.The technical solution falls into the field of technology dealing with the scintillation detection of ionizing radiation and accelerated charged particles, specifically it concerns a multi-component monocrystalline scintillator.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Scintilační detektor je zařízení, které umožňuje detegovat fotony ionizujícího záření nebo nabité urychlené částice. Skládá se ze scintilačního materiálu a fotodetektoru, které jsou opticky propojeny. Scintilační materiál zachycuje fotony ionizujícího záření nebo nabité urychlené částice a přeměňuje jejich energii na světelný záblesk, kdy větší počet fotonů v něm je v ultrafialové neboli UV oblasti, viditelné neboli VIS oblasti či blízké infračervené neboli NIR spektrální oblasti. Tento světelný záblesk je pak fotodetektorem přeměněn na elektrický signál, který se dále zpracovává návaznými elektronickými obvody. V mnoha aplikacích je vyžadována rychlá odezva scintilačního materiálu v oblasti desítek či stovek nanosekund, případně i kratší, neboť scintilační detektor funguje v režimu počítání jednotlivých přicházejících fotonů či částic.A scintillation detector is a device that allows detecting photons of ionizing radiation or charged accelerated particles. It consists of a scintillation material and a photodetector, which are optically connected. Scintillating material captures photons of ionizing radiation or charged accelerated particles and converts their energy into a flash of light, when the greater number of photons in it are in the ultraviolet or UV region, visible or VIS region or near infrared or NIR spectral region. This light flash is then converted into an electrical signal by a photodetector, which is further processed by subsequent electronic circuits. In many applications, a fast response of the scintillation material is required in the range of tens or hundreds of nanoseconds, or even shorter, since the scintillation detector works in the mode of counting individual incoming photons or particles.

Jako scintilační materiál se často používají monokrystaly dielektrických materiálů se širokým zakázaným pásem (nad cca 3 eV), které jsou dále dopovány rychlými luminiscenčními centry, které energii uloženou v základním materiálu efektivně přeměňují na zmíněné UV/VIS/NIR fotony, které se ze scintilátoru vyzáří. Nejčastější takový dopant je Ce3+, jehož luminiscenční přechod 5di-4f má typické doby života v oblasti desítek nanosekund a splňuje tedy výše uvedené požadavky na rychlost scintilační odezvy při současné vysoké kvantové účinnosti jeho luminiscence při aplikační teplotě, nejčastěji v okolí teploty pokojové. Kromě rychlosti scintilační odezvy je důležitým parametrem scintilátoru tzv. světelný výtěžek neboli LY, který je definován jako počet vyzářených luminiscenčních fotonů na jednotku pohlcené energie (typ. 1 Me V) ze vstupujícího ionizujícího záření a charakterizuje účinnost scintilátoru. LY se měří v časovém okně, typicky 1 až 2 mikrosekundy, definovaném detekční elektronikou.Single crystals of dielectric materials with a wide band gap (above approx. 3 eV) are often used as scintillation material, which are further doped with fast luminescence centers that efficiently convert the energy stored in the base material into the mentioned UV/VIS/NIR photons, which are emitted from the scintillator . The most common such dopant is Ce 3+ , whose luminescence transition 5di-4f has typical lifetimes in the range of tens of nanoseconds and thus meets the above-mentioned requirements for the speed of the scintillation response at the same time as the high quantum efficiency of its luminescence at the application temperature, most often around room temperature. In addition to the speed of the scintillation response, an important parameter of the scintillator is the so-called light yield, or LY, which is defined as the number of emitted luminescent photons per unit of absorbed energy (typ. 1 Me V) from the incoming ionizing radiation and characterizes the efficiency of the scintillator. LY is measured in a time window, typically 1 to 2 microseconds, defined by the detection electronics.

Jednou z nejčastěji používaných materiálových skupin pro tento účel jsou cerem dopované granátové struktury A3B5O12, jejichž základním zástupcem je Y3AI5O12 označovaný jako YAG:Ce. Tento materiál se jako scintilátor používá od 80. let dvacátého století a vyrábí se mj. i v české firmě CRYTUR spol. s r.o. S požadavkem na lepší atenuační neboli zeslabovací schopnost pro pronikavé ionizační záření gama byl vyvinut jeho strukturní analog, cerem dopovaný LU3AI5O12 (LuAG:Ce) s výrazně vyšší hustotou a efektivním atomovým číslem a tedy s řádově vyšší atenuační schopností. Jeho scintilační odezva ale obsahuje intenzivní pomalejší komponenty v oblasti časů nad cca 10 ps, které již nejsou registrovány při měření LY a jeho hodnota je tedy v případě LuAG:Ce (20000 až 22000 ph/MeV) nižší než u YAG:Ce (25000 až 30000 ph/MeV). V roce 2011 byl vynalezen tzv. multikomponentní granát s obecným vzorcem (Gd,Lu,Y)3(Ga,Al)50i2, který vlivem potlačení záchytu elektronů v pastech v optimalizovaném složení Gd3GaxA15-xOi2:Ce (GGAG:Ce), kde 2,5 < x < 3, dosahuje hodnot LY 50000 až 60000 ph/MeV a je nejúčinnějším scintilačním materiálem ve třídě monokrystalických kyslíkatých sloučenin, viz přehledový článek [1], Vzhledem k ultravysokému světelnému výtěžku nachází tento materiál aplikace ve vícero oblastech, např. v lékařském zobrazování, high-tech průmyslu či monitoringu radioaktivních materiálů v životním prostředí včetně bezpečnostních technik.One of the most frequently used material groups for this purpose are cerium-doped A3B5O12 garnet structures, whose basic representative is Y3AI5O12, referred to as YAG:Ce. This material has been used as a scintillator since the 1980s and is also produced by the Czech company CRYTUR spol. s ro With the requirement for a better attenuation or weakening ability for penetrating ionizing gamma radiation, its structural analog, cerium-doped LU3AI5O12 (LuAG:Ce) with significantly higher density and effective atomic number and thus with an order of magnitude higher attenuation ability, was developed. However, its scintillation response contains intense slower components in the time range above about 10 ps, which are no longer registered during LY measurements, and its value is therefore lower in the case of LuAG:Ce (20000 to 22000 ph/MeV) than in the case of YAG:Ce (25000 to 30000 ph/MeV). In 2011, a so-called multicomponent garnet with the general formula (Gd,Lu,Y)3(Ga,Al)50i2 was invented, which due to the suppression of electron capture in traps in the optimized composition Gd3Ga x A15- x Oi2:Ce (GGAG:Ce) , where 2.5 < x < 3, reaches LY values of 50,000 to 60,000 ph/MeV and is the most effective scintillation material in the class of single-crystal oxygen compounds, see review article [1]. e.g. in medical imaging, high-tech industry or monitoring of radioactive materials in the environment, including safety techniques.

Růst objemových monokrystalů GGAG:Ce v průmyslových podmínkách se uskutečňuje z vysokoteplotní taveniny metodou Czochralského a největší krystaly uváděné v literatuře dosahují průměru cca 10 cm s délkou válcové části přes 10 cm. Vzhledem k přítomnosti Ga ve složení materiálu je nutné používat pro pěstování iridiový kelímek, což výrobu významněThe growth of bulk single crystals of GGAG:Ce in industrial conditions is carried out from a high-temperature melt using the Czochralski method, and the largest crystals reported in the literature reach a diameter of about 10 cm with a length of the cylindrical part over 10 cm. Due to the presence of Ga in the composition of the material, it is necessary to use an iridium crucible for cultivation, which significantly affects the production

- 1 CZ 37255 UI prodražuje vzhledem k prudce rostoucí ceně iridia. Proto je snahou modifikovat složení tohoto multikomponentního granátu tak, aby bylo možné použít pro pěstování z taveniny kelímek z molybdenu či wolframu, jejichž cena je mnohonásobně nižší. Pěstování z taveniny molybdenovém kelímku bylo nedávno publikováno pro složení Gd3Sc2AhOi2:Ce (GSAG:Ce) [2], dosažená hodnota LY cca 10000 ph/MeV je ale násobně nižší než u GGAG:Ce.- 1 CZ 37255 UI increases the price due to the rapidly increasing price of iridium. Therefore, the effort is to modify the composition of this multicomponent garnet so that it is possible to use molybdenum or tungsten crucibles for growing from the melt, the price of which is many times lower. Melt growth in a molybdenum crucible was recently published for the composition Gd3Sc2AhOi2:Ce (GSAG:Ce) [2], but the achieved LY value of about 10000 ph/MeV is several times lower than that of GGAG:Ce.

Úkolem technického řešení je proto vytvoření takového multikomponentního monokrystalického scintilátoru s granátovou strukturou vycházejícího ze složení GSAG:Ce, který bude dosahovat vyšších hodnot světelného výtěžku neboli LY než u publikovaných monokrystalů [2], a bude ho možné pěstovat jako objemový monokrystal z taveniny v molybdenovém či wolframovém kelímku.The task of the technical solution is therefore to create such a multi-component monocrystalline scintillator with a garnet structure based on the GSAG:Ce composition, which will achieve higher values of light yield or LY than published single crystals [2], and it will be possible to grow it as a bulk single crystal from a melt in molybdenum or tungsten crucible.

[1] M. Nikl, A. Yoshikawa, Recent R&D trends in inorganic single crystal scintillator materials for radiation detection. Adv. Opt. Mater. 3, 463 až 481 (2015).Doi: 10.1002/adom.201400571[1] M. Nikl, A. Yoshikawa, Recent R&D trends in inorganic single crystal scintillator materials for radiation detection. Adv. Opt. Mater. 3, 463 to 481 (2015). doi: 10.1002/adom.201400571

[2] O. Zapadlík, J. Pejchal, R. Kučerková, A. Beitlerová, M. Niki, Composition-Engineered GSAG Garnet: Single-Crystal Host for Fast Scintillators. Crystal Growth & Design 21 (2021) 7139-7149. DOI: 10.1021/acs.cgd.lc01007[2] O. Zapadlík, J. Pejchal, R. Kučerková, A. Beitlerová, M. Niki, Composition-Engineered GSAG Garnet: Single-Crystal Host for Fast Scintillators. Crystal Growth & Design 21 (2021) 7139-7149. DOI: 10.1021/acs.cgd.lc01007

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Vytčený úkol je vyřešen pomocí multikomponentního monokrystalického scintilátoru na bázi na bázi cerem dopovaného granátu neboli na bázi granátové struktury (Gd,Y)3(Sc,Al)50i2 dopované cerem podle tohoto technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že odpovídá obecnému chemickému vzorci Gd3-xyYxCeySc2A130i2, kde stechiometrický koeficient „x“ leží v intervalu 0,01 < x < 1 a stechiometrický koeficient „y“ je 0,01.The set task is solved using a multi-component monocrystalline scintillator based on cerium-doped garnet, or on the basis of a garnet structure (Gd,Y)3(Sc,Al)50i2 doped with cerium according to this technical solution. The essence of the technical solution is that it corresponds to the general chemical formula Gd3-xyYxCe y Sc2A130i2, where the stoichiometric coefficient "x" lies in the interval 0.01 < x < 1 and the stoichiometric coefficient "y" is 0.01.

Multikomponentní monokrystalický scintilátor umožňuje scintilační detekci rentgenového či gama záření nebo urychlených částic s účinností pro optimalizované složení významně převyšující standartní scintilátor BGO neboli bizmut-germanium-oxid Bi4Ge30i2 nebo pro známé monokrystaly GSAG:Ce. Předností multikomponentního monokrystalického scintilátoru ve srovnání se standartním scintilátorem BGO je vyšší světelný výtěžek a také rychlejší scintilační odezva než v případě BGO, která je cca 300 ns = 1/e doba života.The multi-component single crystal scintillator enables the scintillation detection of X-ray or gamma radiation or accelerated particles with efficiency for optimized composition significantly exceeding the standard scintillator BGO or bismuth-germanium-oxide Bi4Ge30i2 or for the known single crystals GSAG:Ce. The advantage of the multicomponent monocrystalline scintillator compared to the standard BGO scintillator is a higher light yield and also a faster scintillation response than in the case of BGO, which is about 300 ns = 1/e lifetime.

Multikomponentní monokrystalický scintilátor na bázi multikomponentního Gd-Y-Sc-Al granátu se pěstuje s pomocí nákladově efektivní technologie růstem krystalu v redukční atmosféře s použitím molybdenového či wolframového kelímku. Takové monokrystaly byly vypěstovány metodou micro-pulling-down z molybdenového kelímku v redukční atmosféře a následně přežíhány při vysoké teplotě na vzduchu.A multicomponent monocrystalline scintillator based on a multicomponent Gd-Y-Sc-Al garnet is grown with the help of cost-effective technology by growing the crystal in a reducing atmosphere using a molybdenum or tungsten crucible. Such single crystals were grown by the micro-pulling-down method from a molybdenum crucible in a reducing atmosphere and subsequently annealed at a high temperature in air.

Výhody multikomponentního monokrystalického scintilátoru podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že dosahuje vyšších hodnot světelného výtěžku neboli LY než u známých monokrystalů, a navíc je ho možné pěstovat jako objemový monokrystal z taveniny v molybdenovém či wolframovém kelímku.The advantages of the multi-component monocrystalline scintillator according to this technical solution are mainly that it achieves higher values of light yield or LY than known single crystals, and it can also be grown as a bulk single crystal from a melt in a molybdenum or tungsten crucible.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:The mentioned technical solution will be explained in more detail in the following illustrations, where:

obr. la znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystaluFig. 1a shows a photograph of a grown and annealed single crystal

Gd2,79Yo,2Ce0,0iSc2A130i2,;Gd2,79Yo,2Ce 0 , 0 iSc 2 A130i2,;

-2CZ 37255 UI obr. 1b znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystalu Gd2,49Yo,5Ce0,0iSc2Al3Oi2;-2CZ 37255 UI Fig. 1b shows a photograph of the grown and annealed Gd2,49Yo,5Ce 0 , 0 iSc2Al 3 Oi2 single crystal;

obr. 1c znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystalu Gd2,i9Yo,8Ce0,0iSc2Al3Oi2;Fig. 1c shows a photograph of a grown and annealed Gd2,i9Yo,8Ce 0 , 0 iSc2Al 3 Oi2 single crystal;

obr. 2 znázorňuje absorpční spektra monokrystalů s vyznačenými přechody na Ce3+ a Gd3+;Fig. 2 shows absorption spectra of single crystals with marked Ce 3+ and Gd 3+ transitions;

obr. 3 znázorňuje radioluminiscenční spektra monokrystalů při buzení kontinuálním rentgenovým zářením; a obr. 4 znázorňuje spektrálně nerozlišený scintilační dosvit monokrystalu Gd2,79Yo,2Ce0,0iSc2Al3Oi2při buzení gama fotony 662 keV z radioisotopu 137Cs.Fig. 3 shows the radioluminescence spectra of single crystals under continuous X-ray excitation; and Fig. 4 shows the spectrally undifferentiated scintillation afterglow of the single crystal Gd2,79Yo, 2Ce0,0iSc2Al3Oi2 upon excitation by gamma photons of 662 keV from the radioisotope 137 Cs.

Příklad uskutečnění technického řešeníAn example of the implementation of a technical solution

Na obr. 1 jsou vyobrazeny monokrystalické tyčky multikomponentního monokrystalického scintilátoru podle tohoto technického řešení pěstované metodou micro-pulling-down Czochralského technologií v redukční atmosféře s použitím molybdenového kelímku.Fig. 1 shows monocrystalline rods of a multicomponent monocrystalline scintillator according to this technical solution grown by the micro-pulling-down method of Czochralski technology in a reducing atmosphere using a molybdenum crucible.

Příklad 1Example 1

Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2Al30i2, kde x=0,2 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2.79Yo.2Ceo.oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:A single crystal sample of a multicomponent monocrystalline scintillator with the composition Gd 3 -x-yYxCe y Sc2Al 3 0i2 was prepared, where x=0.2 and ay=0.01, so it is Gd2.79Yo.2Ceo.oiSc2Al 3 Oi2, which would be prepared by the following by procedure:

Binární oxidy Gd2O3, Y3O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,79Yo,2Ceo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. la. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.The binary oxides Gd2O3 , Y3O3 , Sc2O3 , ABO3 and CeO2 with a purity of 5N were mixed in a ratio corresponding to the above chemical formula in a total weight of about 1 g, placed in a molybdenum crucible and melted at a temperature of about 1820 °C. The melt was homogenized at this temperature for about 1 hour, then crystal growth was initiated by touching the YAG:Ce crystal seed with the melt. Growth took place in a reducing atmosphere of Ar+5%H2, which prevents oxidation of the crucible, at a rate of 0.03 mm/min. All the melt in the crucible has been used up. Cooling the crystal to room temperature took about 2 hours. The grown Gd2,79Yo,2Ceo,oiSc2Al 3 Oi2 crystal was then annealed for 12 hours in air at 1200 °C and its final appearance is shown in Fig. 1a. A circle was cut about 0.5 cm from the end of the rod and polished on both sides to a final thickness of 1 mm, which was used for further characterization.

Příklad 2Example 2

Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2Al30i2, kde x=0,5 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2.49Yo.5Ceo.oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:A single crystal sample of a multicomponent monocrystalline scintillator with the composition Gd 3 -x-yYxCe y Sc2Al 3 0i2 was prepared, where x=0.5 and ay=0.01, so it is Gd2.49Yo.5Ceo.oiSc2Al 3 Oi2, which would be prepared as follows by procedure:

Binární oxidy Gd2O3, Y3O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,49Yo,5Ceo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. 1b. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.The binary oxides Gd2O3 , Y3O3 , Sc2O3 , ABO3 and CeO2 with a purity of 5N were mixed in a ratio corresponding to the above chemical formula in a total weight of about 1 g, placed in a molybdenum crucible and melted at a temperature of about 1820 °C. The melt was homogenized at this temperature for about 1 hour, then crystal growth was initiated by touching the YAG:Ce crystal seed with the melt. Growth took place in a reducing atmosphere of Ar+5%H2, which prevents oxidation of the crucible, at a rate of 0.03 mm/min. All the melt in the crucible has been used up. Cooling the crystal to room temperature took about 2 hours. The grown Gd2,49Yo,5Ceo,oiSc2Al 3 Oi2 crystal was then annealed for 12 hours in air at 1200 °C and its final appearance is shown in Fig. 1b. A circle was cut about 0.5 cm from the end of the rod and polished on both sides to a final thickness of 1 mm, which was used for further characterization.

-3 CZ 37255 UI-3 CZ 37255 UI

Příklad 3Example 3

Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2A130i2, kde x=0,8 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2,i9Yo.sCeo,oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:A single crystal sample of a multicomponent monocrystalline scintillator with the composition Gd 3 - x -yY x CeySc 2 A130i2 was prepared, where x=0.8 and ay=0.01, so it is Gd2,i9Yo.sCeo,oiSc2Al 3 Oi2, which would be prepared by the following by procedure:

Binární oxidy Gd2O3, Y2O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,i9Yo,sCeo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. 1c. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.The binary oxides Gd2O 3 , Y2O 3 , Sc2O 3 , ABO 3 and CeO2 with a purity of 5N were mixed in a ratio corresponding to the above chemical formula in a total weight of approx. 1 g, placed in a molybdenum crucible and melted at a temperature of approx. 1820 °C. The melt was homogenized at this temperature for about 1 hour, then crystal growth was initiated by touching the YAG:Ce crystal seed with the melt. Growth took place in a reducing atmosphere of Ar+5%H2, which prevents oxidation of the crucible, at a rate of 0.03 mm/min. All the melt in the crucible has been used up. Cooling the crystal to room temperature took about 2 hours. The grown Gd2,i9Yo,sCeo,oiSc2Al 3 Oi2 crystal was then annealed for 12 hours in air at 1200 °C and its final appearance is shown in Fig. 1c. A circle was cut about 0.5 cm from the end of the rod and polished on both sides to a final thickness of 1 mm, which was used for further characterization.

Monokrystalické tyčky mají místy matný povrch vlivem redukční atmosféry při růstu krystalu, ale v objemu jsou transparentní, což dokumentují absorpční spektra na obr. 2, měřená na 1 mm naleštěných kolečkách. Ve spektrech jsou označeny absorpční přechody iontů Ce3+ aGd3+. Scintilační spektra jsou na obr. 3 a dominuje jim luminiscence centra Ce3+ (přechod 5di-4f) s maximem u 550 nm. Jejich intensita roste se snižováním obsahu yttria a dosahuje cca 2,4 až 2,5x vyšší amplitudy v porovnání se standartním scintilátorem BGO. Příklad scintilačního dosvitu při buzení radioisotopem 137Cs (662 Ke V) je na obr. 4 pro x=0,2. Pro praxi důležitá tzv. 1/e doba života je z dosvitu vyhodnocena na cca 220 ns, takže více než 90 % intensity scintilačního výstupu lze pojmout při měření světelného výtěžku LY se standartní časovou konstantou elektroniky (shaping time) 1 mikrosekunda.Monocrystalline rods have a matte surface in places due to the reducing atmosphere during crystal growth, but are transparent in the bulk, which is documented by the absorption spectra in Fig. 2, measured on 1 mm polished wheels. Absorption transitions of Ce 3+ and Gd 3+ ions are marked in the spectra. The scintillation spectra are in Fig. 3 and are dominated by the luminescence of the Ce 3+ center (5di-4f transition) with a maximum at 550 nm. Their intensity increases with decreasing yttrium content and reaches approx. 2.4 to 2.5 times higher amplitude compared to the standard BGO scintillator. An example of the scintillation afterglow when excited by the radioisotope 137Cs (662 Ke V) is shown in Fig. 4 for x=0.2. The practically important so-called 1/e life time is estimated from the afterglow to be about 220 ns, so more than 90% of the intensity of the scintillation output can be captured when measuring the light yield LY with a standard electronics time constant (shaping time) of 1 microsecond.

Světelný výtěžek vzorků multikomponentního monokrystalického scintilátoru je uveden v tabulce 1 a dosahuje pro x = 0,2 hodnoty 13970 ph/MeV což je o 37 % vyšší hodnota než pro GSAG:Ce v Ref. [2] uvedené výše a l,85x vyšší než u standartního scintilátoru BGO.The light yield of the multicomponent single crystal scintillator samples is shown in Table 1 and reaches a value of 13970 ph/MeV for x = 0.2, which is 37% higher than for GSAG:Ce in Ref. [2] mentioned above and 1.85x higher than for the standard BGO scintillator.

Tabulka 1, která uvádí hodnoty světelného výtěžku LY měřené s časovou konstantou detekční elektroniky 1 mikrosekunda.Table 1 which lists the LY light yield values measured with a detection electronics time constant of 1 microsecond.

V zorek multikomponentního monokrystalického scintilátoru V zorek multicomponent single crystal scintillator LY (ph/MeV) LY (ph/MeV) x = 0,8, y = 0,01 Gd2,7?Y0,2Ceo,eiS€2AhOnx = 0.8, y = 0.01 Gd2.7 ? Y 0 .2Ceo, e iS€2AhOn 8450 8450 x = 0,5, y = 0,01 Gd2^Yo,5Ceo,Sc2AhOi2x = 0.5, y = 0.01 Gd 2 ^Yo, 5 Ceo, Sc 2 AhOi2 11990 11990 x - 0,2, y - 0,01 Gdi.^Yo^Ceo^rSciALOu x - 0.2, y - 0.01 Gdi.^Yo^Ceo^rSciALOu 13970 13970 BGO standard BGO standard 7570 7570

Odborník bude v rámci rutinního plnění zadaného úkolu schopen navrhnout materiály pro multikomponentní monokrystalický scintilátor s jiným složením ve vymezeném intervalu kompozičních hodnot při zachování technické myšlenky tohoto technického řešení.As part of the routine performance of the assigned task, the expert will be able to design materials for a multicomponent monocrystalline scintillator with a different composition in a defined interval of compositional values while maintaining the technical idea of this technical solution.

-4CZ 37255 UI-4CZ 37255 UI

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Multikomponentní monokrystalický scintilátor podle tohoto technického řešení lze využít zejména v optických nebo optoelektronických aplikacích. Obecně lze ale multikomponentní 5 monokrystalický scintilátor použít tam, kde je používán standartní scintilátor BGO.The multi-component monocrystalline scintillator according to this technical solution can be used especially in optical or optoelectronic applications. In general, however, a multicomponent 5 monocrystalline scintillator can be used where a standard BGO scintillator is used.

Claims (1)

1. Multikomponentní monokrystalický scintilátor na bázi cerem dopovaného granátu, vyznačující se tím, že1. A multicomponent monocrystalline scintillator based on cerium-doped garnet, characterized in that 5 odpovídá obecnému chemickému vzorci Gd3-xyYxCeySc2A130i2, kde stechiometrický koeficient „x“ leží v intervalu 0,01 < x < 1, a kde stechiometrický koeficient „y“ je 0,01.5 corresponds to the general chemical formula Gd3-xyYxCe y Sc2A130i2, where the stoichiometric coefficient "x" lies in the interval 0.01 < x < 1, and where the stoichiometric coefficient "y" is 0.01.
CZ2023-41157U 2023-07-20 2023-07-20 A multicomponent monocrystalline scintillator CZ37255U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-41157U CZ37255U1 (en) 2023-07-20 2023-07-20 A multicomponent monocrystalline scintillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-41157U CZ37255U1 (en) 2023-07-20 2023-07-20 A multicomponent monocrystalline scintillator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ37255U1 true CZ37255U1 (en) 2023-08-23

Family

ID=87846565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2023-41157U CZ37255U1 (en) 2023-07-20 2023-07-20 A multicomponent monocrystalline scintillator

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ37255U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK2671940T3 (en) Single crystal of garnet type to a scintillator, and a radiation detector using the same
US6818896B2 (en) Scintillator crystals and their applications and manufacturing process
US20120119092A1 (en) Scintillating material having low afterglow
Yanagida et al. Scintillation properties of transparent ceramic and single crystalline Nd: YAG scintillators
US20040084655A1 (en) Terbium or lutetium containing scintillator compositions having increased resistance to radiation damage
CN103388179B (en) Cesium iodide,crystal scintillation crystal of codope and its preparation method and application
US8486300B2 (en) Lanthanide doped strontium barium mixed halide scintillators
Chen et al. Slow scintillation suppression in yttrium doped BaF 2 crystals
JP2012180399A (en) Garnet-type crystal for scintillator, and radiation detector using the same
US20230002927A1 (en) Li+ doped metal halide scintillation crystal with zero-dimensional perovskite structure, preparation method and use thereof
JP2013002882A (en) Radiation detector
US11142689B2 (en) Yttrium-doped barium fluoride crystal and preparation method and use thereof
JP2009074039A (en) Single crystal scintillator
Yanagida et al. Basic properties of ceramic Pr: LuAG scintillators
WO2012137738A1 (en) Scintillator, radiation detector, and method for detecting radiation
JP2013043960A (en) Garnet type crystal for scintillator and radiation detector using the same
CZ37255U1 (en) A multicomponent monocrystalline scintillator
JP2012001662A (en) ZnO SCINTILLATOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, RADIATION DETECTOR, RADIATION INSPECTION APPARATUS, OR α-RAY CAMERA USING THE ZnO SCINTILLATOR
Kamada et al. Improvement of Scintillation Properties in Pr Doped ${\rm Lu} _ {3}{\hbox {Al}} _ {5}{\rm O} _ {12} $ Scintillator by Ga and Y Substitutions
CN110760307B (en) Rare earth doped garnet structure scintillator
CN115506007A (en) Near-infrared luminous metal halide scintillation crystal and preparation method and application thereof
JP2013040274A (en) Garnet type crystal for scintillator and radiation detector using the same
CN106702488A (en) Praseodymium activated lead fluoride scintillation crystal material and preparation method thereof
WO2012105695A1 (en) Neutron beam detection scintillator and neutron beam detection device
Shah et al. LaBr/sub 3: Ce scintillators for gamma ray spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20230823