[論文レビュー] Scintillation characteristics of undoped and Cu+-doped Li2B4O7 single crystals

M. Kobayashi, Mitsuru Ishii+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ドーピングされていないおよびCu+ドーピングされたLi2B4O7単結晶の発光特性を調査し、光学透過率、光励起発光、X線およびガンマ線放射線照射下での放射線発光、減衰動態、およびアルファ/ガンマ線応答を測定した。主な発見は、Cu+ドーピングにより光出力（LY）がわずかに27%増加し、約760 ph/MeVに達したことであり、これは主に163 psの立ち上がり時間を持つ遅い減衰成分（全LYの約60%を占める）に起因している。また、アルファ/ガンマ線比は0.18であった。

ABSTRACT

Scintillation characteristics of undoped and Cu+-doped lithium tetraborate Li2B4O7 (LTB) were studied including optical transmittance, photoluminescence, radioluminescence for X- and gamma-rays, alpha/gamma ratio, and decay kinetics. The total time-integrated LYs in undoped and Cu+-doped LTB for X-rays are ~600 and ~760 ph/MeV (photons/MeV), respectively. The decay kinetics in undoped and Cu+-doped LTB are similar to each other. Typical decay spectra for pulsed X-rays can be fitted with four exponentials: for fast (t1~0.8 ns, t2~25-50 ns), medium (t3~300-400 ns), and slow (t4~20-30 ms) components. The slow component occupies about 60% of the total LY, while the fast ones less than 10%. The 10-90% rise time was 163 ps. The alpha/gamma ratio was 0.18 for external 241Am alpha-rays. The obtained increase in LY due to Cu+ doping remains modest. The Cu+-induced emission contains both fast and slow components, requiring further studies of the emission mechanism to explain the fast component.

研究の動機と目的

• ドーピングされていないおよびCu+ドーピングされたLi2B4O7単結晶の発光性能を評価し、放射線検出応用への可能性を検討すること。
• Cu+ドーピングがLi2B4O7における光出力（LY）、減衰動態、発光メカニズムに与える影響を理解すること。
• 241Amアルファ線源を用いてアルファ/ガンマ線比を測定し、放射線識別能力を評価すること。
• Cu+ドーピングLi2B4O7に見られる高速発光成分（100ナノ秒未塔）の起源を調査すること。これはまだ説明がつかない。

提案手法

• Czochralski法を用いて、ドーピングされていないおよびCu+ドーピングLi2B4O7の高品質単結晶を成長させた。
• 透過率の測定により、光収集の可能性を評価した。
• X線およびガンマ線励起下での光励起発光および放射線発光分光測定により、発光スペクトルと効率を特徴付けた。
• パルスX線を用いた時間分解発光測定により、多指数関数フィッティングを用いて減衰動態を分析した。
• 241Amアルファ線源を用いてアルファ/ガンマ線比を決定し、放射線識別能力を評価した。
• 4つの指数関数フィッティングを用いて減衰成分を分析し、高速（t1~0.8 ns）、中間（t3~300-400 ns）、遅い（t4~20-30 ms）成分に分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cu+ドーピングは、X線励起下におけるLi2B4O7の光出力（LY）にどのように影響するか？
• RQ2 ドーピングされていないおよびCu+ドーピングLi2B4O7の減衰動態成分は何か？また、それらはどのように比較できるか？
• RQ3 Cu+ドーピングLi2B4O7において、遅い減衰成分が全光出力に占める寄与はどの程度か？
• RQ4 主に遅い発光が支配的であるにもかかわらず、なぜCu+ドーピングLi2B4O7は高速発光成分（約0.8 ns）を示すのか？
• RQ5 アルファ線とガンマ線を識別する能力として、材料の効果はどの程度か？アルファ/ガンマ線比が示す点を述べよ。

主な発見

• X線励起下におけるドーピングされていないLi2B4O7の全時間積分光出力（LY）は約600 ph/MeVである。
• Cu+ドーピングによりLYが約760 ph/MeVに増加し、ドーピングされていない結晶に比べて約27%の向上が得られた。
• ドーピングされていないおよびCu+ドーピングLi2B4O7の両方の減衰動態は、4つの指数関数的成分（高速：t1~0.8 ns、中間：t3~300-400 ns、遅い：t4~20-30 ms）で良好に記述できる。
• 遅い減衰成分は全光出力の約60%を占め、高速成分は10%未満にとどまる。
• 発光信号の10-90%立ち上がり時間は163 psであり、信号の速やかな開始を示している。
• 外部からの241Amアルファ線に対して、アルファ/ガンマ線比は0.18であり、中程度の識別能力を示している。