[논문 리뷰] Comprehensive characterization of a YAG:Ce scintillator: light yield, alpha quenching and pulse-shape discrimination

L. Gironi, S. Dell'Oro외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 06.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 감마 및 알파 조사하에서 YAG:Ce 형광체의 철저한 실험적 특성화를 제공하며, 광수율, 알파 억제, 냉온에 따른 붕괴 속도 및 펄스-모양 구분 능력을 자세히 다룹니다.

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.

연구 동기 및 목표

• SiPM으로 단일 결정 판독을 사용하여 gamma 자극 하에서 YAG:Ce의 광수율을 평가한다.
• 다른 가스 압력에서 알파 에너지에 따른 알파 억제(alpha-quenching) 동작(억제 계수)을 정량화한다.
• 실온에서 -50°C까지의 온도 의존성과 함께 형광 붕괴 상수를 결정한다.
• 알파와 감마 이벤트 간의 펄스-모양 구분 능력을 평가한다.
• 입자 구분이 필요하고 안정적인 응답이 요구되는 환경에서 YAG:Ce의 적합성에 대한 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 10×10×10 mm3 YAG:Ce 결정으로 광학적으로 결합된 실리콘 광다발 검출기(SiPM).
• 단일 셀 SiPM 이벤트로부터 물리적 유사형의 형광 펄스를 기록하고 재구성하기 위해 다중 단일 셀 응답을 합산한다.
• 진공 챔버에서 가스 압력을 변화시켜 알파 에너지를 변화시키고 Geant4 시뮬레이션으로 에너지 침투를 모델링하여 억제 계수를 추출한다.
• 511 keV 및 관련 보정 피크를 사용하여 감마 이벤트의 광출력을 보정하고 측정한다.
• 펄스 재구성 모델과 온도 제어 측정을 통해 실온에서 약 -50 °C까지의 형광 붕괴 상수를 측정한다.
• 거리 기반 및 적분 기반(부분 전하) 매개변수를 포함한 펄스-모양 구분 전략을 적용하여 알파 대 감마 이벤트를 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 gamma 자극 하에서 YAG:Ce의 광수율은 얼마이며, 역사적 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 알파 억제(alpha quenching)은 YAG:Ce에서 알파 에너지 및 환경 조건(가스 종류, 압력, 거리)에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 YAG:Ce에서 형광 붕괴 시간(짧은 성분과 긴 성분)은 온도에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 YAG:Ce에서 알파와 감마 이벤트를 구분하기 위한 펄스-모양 구분의 효과는 어느 정도이며, 어떤 지표가 최적의 구분을 제공하는가?
• RQ5 다양한 환경 조건에서도 입자 식별 및 안정적인 작동을 위해 YAG:Ce를 신뢰할 수 있게 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 감마 이벤트의 광수율은 MeV당 약 19,000 광자이다.
• 알파 억제 계수는 알파 에너지가 5.49 MeV에서 1 MeV로 내려가면서 약 0.17에서 0.10으로 감소한다.
• 짧은 시간 상수와 긴 시간 상수를 가진 이 두 구성 형광 붕괴; 추출된 값은 실온에서 대략 63–67 ns(짧은)와 245–273 ns(긴)이며, 긴 성분은 225–295 K로 냉각될 때 약 두 배로 증가한다.
• 긴 붕괴 시간은 온도가 낮아질수록 증가하여 방출 동역학이 느려짐을 나타내고, 짧은 성분은 대체로 일정하게 유지된다.
• 부분 전하 매개변수를 이용한 펄스-모양 구분은 전체 에너지 알파 사건에서 약 2.3 시그마의 분리를 달성하고, 알파 신호가 511 keV 감마 규모 진폭에 근접할 때 약 1.3 시그마의 분리를 달성한다.
• 이 구상은 서브-MeV 알파 에너지를 탐구할 수 있게 하며, 온도 및 압력 변동에 따라 입자 식별과 안정한 응답이 필요한 방사선 검출 응용에서 YAG:Ce의 가능성을 보여준다.