[논문 리뷰] The Characterization of new Eu2+ doped TlSr2I5 Scintillator Crystals

H. J. Kim, G. Rooh외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 09.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이중 영역 수직 브리지먼 방법을 통해 성장시킨 Eu2+- doping된 TlSr2I5闪烁체 결정의 특성을 규명하며, 137Cs 원천을 사용하여 662 keV에서 높은 빛 유량(70,000 ph/MeV)과 뛰어난 에너지 해상도(4.2% FWHM)를 입증한다. 이 물질은 463 nm에서 최대값을 보이는 강한 넓은 발광을 나타내며, 두 개의 붕괴 성분을 가진다. 이는 높은 효과적 Z(61)와 밀도(5.30 g/cm³) 덕분에 고해상도 X- 및 γ선 분광법에 유망한 후보이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 복사 탐지용 새로운闪烁체 물질인 TlSr2I5:Eu2+의 개발 및 특성화를 목적으로 한다.
• X선 자극 하에서 순수 및 Eu2+-도핑된 TlSr2I5 결정의 발광 특성을 평가한다.
• 662 keV γ선 자극 하에서 핵심闪烁성 파rameter인 빛 유량, 에너지 해상도, 붕괴 동역학을 측정한다.
• 복사 탐지 잠재력을 평가하기 위해 효과적 원자번호(Z_eff)와 밀도를 결정한다.
• 종합적인 성능 평가를 통해 이 물질이 X- 및 γ선 분광법 응용에 적합한지 확인한다.

제안 방법

• 고품질 및 균일성을 확보하기 위해 이중 영역 수직 브리지먼 기법을 사용하여 TlSr2I5:Eu2+ 결정을 성장시킨다.
• 실온에서 X선 자극 하에 광발광 방출 스펙트럼을 측정하여 방출 피크를 확인한다.
• 실제 조건에서闪烁성 성능을 평가하기 위해 137Cs γ선 원천(662 keV)으로 조사한다.
• 시간 분해 분광법을 사용하여 붕괴 시간 프로파일을 분석하고 순수 및 도핑된 샘플의 붕괴 상수를 결정한다.
• 662 keV 피크에서 FWHM를 이용해 에너지 해상도를 계산하여 분광 성능을 평가한다.
• 원소 조성 및 결정 구조 데이터로부터 효과적 Z수와 밀도를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 자극 하에서 Eu2+-도핑된 TlSr2I5의 발광 방출 스펙트럼과 피크 위치는 무엇인가?
• RQ2 662 keV γ선 자극 하에서 TlSr2I5:Eu2+의 빛 유량과 에너지 해상도는 무엇인가?
• RQ3 실온에서 도핑된 결정의闪烁성 붕괴 프로파일에 몇 개인가의 붕괴 성분이 존재하는가?
• RQ4 TlSr2I5:Eu2+의 효과적 Z수와 밀도는 무엇이며, 이는 복사 탐지 효율에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 Eu2+ 도핑은 순수 기초 결정에 비해闪烁성 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Eu2+-도핑된 TlSr2I5 결정은 X선 자극 하에서 463 nm에서 최대값을 보이는 넓은 방출 밴드를 나타낸다.
• 662 keV γ선 자극 하에서 3 mol% Eu2+ 도핑된 샘플에서 1 MeV당 70,000개의 광자 빛 유량을 달 đạt했다.
• 662 keV에서 3 mol% Eu2+ 도핑된 결정에서 4.2% (FWHM)의 에너지 해상도를 측정하여 높은 분광 품질을 나타낸다.
• 실온에서 Eu2+-도핑된 결정의闪烁성 붕괴 프로파일에서 두 개의 명확한 붕괴 상수가 관찰되었다.
• 결정의 효과적 Z수는 61로 계산되었으며, 밀도는 5.30 g/cm³로 측정되어 γ선에 대한 높은 정지 능력을 나타낸다.
• 순수한 TlSr2I5 결정은 528 nm에서 최대값을 보이는 넓은 방출 밴드를 나타내었고, Eu2+-도핑된 버전은 463 nm에서 파장 이동된 피크를 보였다.