[論文レビュー] The Characterization of new Eu2+ doped TlSr2I5 Scintillator Crystals

H. J. Kim, G. Rooh+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2017

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、二ゾーン垂直ブリッジマン法を用いて成長したEu2+ドーピングTlSr2I5シンチレーター結晶の特性を評価し、137Cs源を用いた662 keVにおける高い光出力（70,000 ph/MeV）と優れたエネルギー分解能（4.2% FWHM）を実証した。材料は463 nmでピークを示す強力な広帯域発光を示し、2つの緩和成分を有するため、その高い効果的Z（61）と密度（5.30 g/cm³）を考慮すると、高分解能X線およびγ線分光法への応用に有望である。

ABSTRACT

TlSr2I5: Eu2+ is a newly discovered scintillator and show promising scintillation properties for X- and γ-rays spectroscopy applications. Two zones vertical Bridgman technique is used for the growth of this scintillator. Luminescence properties of the grown crystals are measured under X-ray excitation at room temperature. Pure and Eu2+ doped crystals contained broad emission bands between 445-670 nm peaking at 528 nm and 430-600 nm peaking at 463 nm, respectively. Energy resolution, light yield and decay time profiles are studied under 662 keV γ-ray excitation using 137Cs radioactive source. Energy resolution of 4.2 % (FWHM) is obtained for 3 mol% Eu2+ doped crystal. For the same sample, light yield of 70,000 ph/MeV is also obtained. Three and two decay constants are observed for the pure and Eu2+ doped samples, respectively at room temperature. Effective Z-number and density are found to be 61 and 5.30 g/cm3, respectively.

研究の動機と目的

• 高エネルギー放射線検出に適した新しいシンチレーター材料TlSr2I5:Eu2+の開発および特性評価を目的とする。
• X線励起下における純粋およびEu2+ドーピングTlSr2I5結晶の発光特性を評価することを目的とする。
• 662 keV γ線励起下での主要なシンチレーションパラメータ（光出力、エネルギー分解能、緩和キネティクス）を測定することを目的とする。
• 放射線検出の可能性を評価するため、効果的原子番号（Z_eff）および密度を決定することを目的とする。
• 包括的な性能評価を通じて、材料がX線およびγ線分光法応用に適しているかどうかを確立することを目的とする。

提案手法

• 高品質かつ均一性の高い結晶を得るため、二ゾーン垂直ブリッジマン法を用いてTlSr2I5:Eu2+結晶を成長させた。
• 室温下でのX線励起下における光励起発光スペクトルの測定により、発光ピークを特定した。
• 実用的条件下でのシンチレーション性能評価のため、137Cs γ線源（662 keV）を用いて照射した。
• 時間分解分光法を用いて緩和時間プロファイルを分析し、純粋およびドーピング試料の緩和定数を決定した。
• 662 keVピークからのFWHMを用いてエネルギー分解能を計算し、分光的性能を評価した。
• 元素組成および結晶構造データから、効果的Z番号および密度を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線励起下におけるEu2+-ドーピングTlSr2I5の発光発光スペクトルおよびピーク位置は何か？
• RQ2 662 keV γ線励起下におけるTlSr2I5:Eu2+の光出力およびエネルギー分解能は何か？
• RQ3 室温下におけるドーピング結晶のシンチレーション緩和プロファイルに、何個の緩和成分が存在するか？
• RQ4 TlSr2I5:Eu2+の効果的Z番号および密度は何か？また、それらは放射線検出効率にどのように寄与するか？
• RQ5 Eu2+ドーピングは、純粋な母体結晶と比較して、シンチレーション特性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Eu2+-ドーピングTlSr2I5結晶は、X線励起下で463 nmでピークを示す広帯域発光帯を示した。
• 662 keV γ線励起下で、3 mol%のEu2+ドーピング試料において70,000光子/MeVの光出力が達成された。
• 662 keVにおける3 mol%のEu2+ドーピング結晶では、4.2%（FWHM）のエネルギー分解能が測定され、高分光的品質を示した。
• 室温下におけるEu2+-ドーピング結晶のシンチレーション緩和プロファイルには、2つの明確な緩和定数が観察された。
• 結晶の効果的Z番号は61に計算され、密度は5.30 g/cm³であった。これは、γ線に対する高い停止力を持つことを示唆している。
• 純粋なTlSr2I5結晶は528 nmでピークを示す広帯域発光帯を示したが、Eu2+ドーピング版は青シフトした463 nmのピークを示した。