[論文レビュー] Comprehensive characterization of a YAG:Ce scintillator: light yield, alpha quenching and pulse-shape discrimination

L. Gironi, S. Dell'Oro+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 0

ひとこと要約

要約: 本論文はガンマ線およびアルファ照射下でのYAG:Ce蛍光体の Thorough な実験的特性評価を提供し、光出力、アルファクウェンチング、デカイの温度依存性、パルス形状識別能力を詳述する。

ABSTRACT

Solid-state scintillators are widely used in particle and applied physics due to their versatility and resistance to diverse environments and operating conditions. This broad range of applications calls for thorough characterization of scintillating crystals. Among these materials, cerium-doped yttrium aluminum garnet (YAG:Ce) is a promising scintillator owing to its favorable timing characteristics, high light yield, good mechanical properties, and chemical stability. In this work, we report a comprehensive experimental characterization of a YAG:Ce crystal exposed to both $γ$ and $alpha$ radiation. We extract the scintillation decay time and light yield, and study their evolution from room temperature down to approximately $-50 ^\circ$ C. We perform a detailed investigation of the quenching factor for \al particles in the energy range from about $6$ MeV down to $1$ MeV, finding a value that decreases from approximately $0.17$ to $0.10$. We also explore the possibility of pulse-shape discrimination based on the different signal evolution depending on the interaction type, demonstrating strong classification capabilities. These results provide a detailed assessment of the performance of \YAG for radiation-detection applications and offer insight into its potential use in environments requiring reliable particle identification and stable response across a wide range of operating conditions.

研究の動機と目的

• SiPMを用いた単結晶読み出しでガンマ励起下のYAG:Ceの光出力を評価する。
• アルファエネルギーと異なるガス圧力の関数としてアルファクウェンチング挙動（クウェンチングファクター）を定量化する。
• 室温から約-50 Cまでの scintillation 減衰定数とその温度依存性を決定する。
• アルファとガンマイベント間のパルス形状識別能力を評価する。
• 粒子識別と安定応答を要求する環境に対するYAG:Ceの適性について洞察を提供する。

提案手法

• SiPMと光学的に結合した10x10x10 mm3のYAG:Ce結晶を使用する。
• 単一セルSiPMイベントからの物理様の蛍光パルスを、多数の単一セル応答を合計して再構成する。
• 気腔内のガス圧力を変えてアルファエネルギーを変化させ、Geant4シミュレーションでエネルギー沈着をモデル化してクウェンチングファクターを抽出する。
• 511 keVおよび関連キャリブレーションピークを用いてガンマイベントからの光出力を較正・測定する。
• パルス再構成モデルと温度制御測定により蛍光減衰定数を測定する（室温から約-50 Cまで）。
• 距離ベースおよび積分ベース（部分電荷）パラメータを含むパルス形状識別戦略を適用し、アルファ対ガンマイベントを分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ励起下でのYAG:Ceの光出力はどれくらいで、歴史的値とどのように比較されるか。
• RQ2 アルファエネルギーと環境条件（ガス種、圧力、距離）に対するYAG:Ceのアルファクウェンチングの依存性はどうなるか。
• RQ3 温度とともにYAG:Ceの蛍光減衰時間（短成分・長成分）はどのように進化するか。
• RQ4 YAG:Ceにおけるアルファとガンマイベントの分離のためのパルス形状識別の有効性はどの程度で、どの指標が最適な分離を提供するか。
• RQ5 さまざまな環境条件下でパーティクル識別と安定動作をYAG:Ceは信頼性をもって実現できるか。

主な発見

• ガンマイベントの光出力は約19,000光子/MeV。
• アルファクウェンチングファクターは、アルファエネルギーが5.49 MeVから1 MeVへ変化するにつれて約0.17から0.10へ減少。
• 短時間定数と長時間定数を持つ二成分の蛍光減衰で、室温での抽出値は概ね63–67 ns（短）と245–273 ns（長）で、低温225–295 Kで長成分が約2倍に増加。
• 長い減衰時間は温度低下に伴い発光動力学が遅くなることを示し、短成分はほとんど一定。
• パルス形状識別（部分電荷パラメータを用く）は全エネルギーアルファイベントで約2.3σの分離を達成し、アルファ信号が511 keVガンマスケール振幅付近のときには約1.3σの分離となる。
• このセットアップはサブMeVアルファエネルギーの探索を可能にし、温度・圧力変動に対する粒子識別と安定応答が求められる放射線検出アプリケーションにおけるYAG:Ceの潜在能力を示す。