[논문 리뷰] Scintillation characteristics of undoped and Cu+-doped Li2B4O7 single crystals

M. Kobayashi, Mitsuru Ishii외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 12.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 순수 및 Cu+ Dopant가 첨가된 Li2B4O7 단일 결정의 섬광 특성을 조사하며, 광학 투과도, 광발광, X선 및 감마선 조사 하에서의 방사선발광, 붕괴 동역학, 알파/감마 반응을 측정한다. 주요 발견은 Cu+ 도핑으로 인해 빛의 양이 약 27% 향상되어 약 ~760 ph/MeV로 증가한 것으로, 총 빛의 양의 약 60%를 차지하는 느린 붕괴 성분(163 ps 상승 시간)이 지배적임을 보여준다. 알파/감마 비율은 0.18이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 순수 및 Cu+ 도핑된 Li2B4O7 단일 결정의 섬광 성능을 평가하여 방사선 탐지 응용 분야 잠재성을 검토한다.
• Cu+ 도핑이 Li2B4O7에서 빛의 양(LY), 붕괴 동역학, 발광 메커니즘에 미치는 영향을 이해한다.
• 241Am 알파 원천을 사용하여 알파/감마 비율을 측정하고, 알파 및 감마 방사선을 구분할 수 있는 잠재력을 평가한다.
• Cu+ 도핑된 Li2B4O7에서 관찰되는 빠른 섬광 성분(100 ns 미만)의 기원을 조사한다. 이는 아직 설명되지 않은 현상이다.

제안 방법

• Czochralski 방법을 사용하여 순수 및 Cu+ 도핑된 Li2B4O7의 고순도 단일 결정을 성장시킨다.
• 투과도 측정을 통해 투명도와 빛 수집 잠재력을 평가한다.
• X선 및 감마선 조사 하에서 광발광 및 방사선발광 스펙트로스코피를 수행하여 발광 스펙트럼과 효율성을 특성화한다.
• 펄스형 X선을 사용한 시간 분 giải 섬광 측정을 통해 다중 지수 함수 피팅을 이용한 붕괴 동역학 분석을 수행한다.
• 외부 241Am 알파 원천을 사용하여 알파/감마 비율을 결정하고 방사선 구분 능력을 평가한다.
• 4개의 지수 함수 피팅을 통해 붕괴 성분을 분리하여 빠른(t1~0.8 ns), 중간(t3~300-400 ns), 느린(t4~20-30 ms) 기여도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu+ 도핑은 X선 조사 하에서 Li2B4O7의 빛의 양(LY)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 순수 및 Cu+ 도핑된 Li2B4O7의 붕괴 동역학 성분은 무엇이며, 상호 비교했을 때의 특징은 무엇인가?
• RQ3 Cu+ 도핑된 Li2B4O7에서 느린 붕괴 성분이 총 빛의 양에 기여하는 비율은 얼마인가?
• RQ4 주로 느린 발광이 지배하는 상황에서 Cu+ 도핑된 Li2B4O7가 왜 빠른 섬광 성분(~0.8 ns)을 나타내는가?
• RQ5 알파/감마 비율을 통해 이 물질이 알파와 감마 방사선을 얼마나 효과적으로 구분하는가?

주요 결과

• X선 조사 하에서 순수 Li2B4O7의 총 시간 적분 빛의 양(LY)은 약 ~600 ph/MeV이다.
• Cu+ 도핑으로 인해 LY가 ~760 ph/MeV로 증가하여 순수 결정 대비 약 27% 향상되었다.
• 순수 및 Cu+ 도핑된 Li2B4O7의 붕괴 동역학은 모두 4개의 지수 성분으로 잘 기술되며, 빠른(t1~0.8 ns), 중간(t3~300-400 ns), 느린(t4~20-30 ms) 성분으로 구성된다.
• 느린 붕괴 성분은 총 빛의 양의 약 60%를 차지하며, 빠른 성분은 10% 미만 기여한다.
• 섬광 신호의 10-90% 상승 시간은 163 ps로, 빠른 신호 발생을 나타낸다.
• 외부 241Am 알파선에 대한 알파/감마 비율은 0.18로, 중간 수준의 구분 능력을 나타낸다.