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

L. Gironi, S. Dell'Oro+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 0

一句话总结

该论文对 YAG:Ce 发光晶体在伽马与阿尔法辐照下进行了彻底的实验表征，详细描述了光产额、阿尔法猝灭、衰减随温度的变化以及脉冲形状判别能力。

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.

研究动机与目标

• 在单晶读出与 SiPM 下，评估 YAG:Ce 在伽马激发下的光产额。
• 量化阿尔法猝灭行为（猝灭因子）随阿尔法能量及不同气体压力的变化。
• 从室温到-50 °C，确定发光衰减常数及其温度 Dependence）。
• 评估阿尔法与伽马事件之间的脉冲形状判别能力。
• 提供关于 YAG:Ce 在需要粒子鉴别与稳定响应的环境中的适用性洞见。

提出的方法

• 将 10×10×10 mm3 的 YAG:Ce 晶体光学耦合到硅光电倍增管（SiPM）。
• 通过将单单元 SiPM 的脉冲叠加，记录并重构物理型的闪烁脉冲。
• 通过在真空腔中改变化学能量（改变气体压力）来改变阿尔法能量，并用 Geant4 模拟能量沉积以提取猝灭因子。
• 用 511 keV 和相关标定峰校准并测量来自伽马事件的光产额。
• 通过脉冲重构模型和从室温到约-50 °C 的温控测量，测量闪烁衰减常数。
• 应用脉冲形状判别策略，包括基于距离的和基于积分（部分电荷）参数，以区分阿尔法与伽马事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 YAG:Ce 在伽马激发下的光产额是多少，与历史数值相比如何？
• RQ2 在 YAG:Ce 中，阿尔法猝灭是否随阿尔法能量与环境条件（气体类型、压力、距离）而变化？
• RQ3 YAG:Ce 的闪烁衰减时间（短分量和长分量）如何随温度变化？
• RQ4 在 YAG:Ce 中，脉冲形状判别在将阿尔法与伽马事件区分方面有多大效果，哪种度量提供最优分离？
• RQ5 YAG:Ce 是否可以在不同环境条件下可靠用于粒子鉴别和稳定运行？

主要发现

• 伽马事件的光产额约为每 MeV 19,000 光子。
• 阿尔法猝灭因子随阿尔法能量从 5.49 MeV 降至 1 MeV 时从约 0.17 降至 0.10。
• 存在两分量闪烁衰减，短时间常数约 63–67 ns，长时间常数约 245–273 ns；在室温下，长分量约为两倍左右增加至 225–295 K 时更长。
• 长衰减时间随温度降低而增加，表明发射动力学变慢；短分量基本保持不变。
• 脉冲形状判别（使用部分电荷参数）在全能量阿尔法事件下实现约 2.3sigma 的分离，当阿尔法信号接近 511 keV 伽马标度幅度时，约实现 1.3sigma 的分离。
• 该设置可探索亚 MeV 级阿尔法能量，并显示 YAG:Ce 在需要粒子鉴别与在温度/压力变化下稳定响应的辐射探测应用潜力。