[论文解读] Scintillation characteristics of undoped and Cu+-doped Li2B4O7 single crystals

M. Kobayashi, Mitsuru Ishii+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究调查了无掺杂和Cu+共掺杂Li2B4O7单晶的闪烁性能，测量了光学透射率、X射线和γ射线辐照下的光致发光、辐射发光、衰减动力学以及α/γ响应。主要发现是，Cu+共掺杂使发光产额（LY）提升了约27%，达到约760 ph/MeV，其主导成分是衰减时间较长的组分（占总LY的60%），上升时间为163 ps，α/γ比值为0.18。

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.

研究动机与目标

• 评估无掺杂和Cu+共掺杂Li2B4O7单晶在潜在辐射探测应用中的闪烁性能。
• 理解Cu+共掺杂对Li2B4O7中发光产额（LY）、衰减动力学和发光机理的影响。
• 通过241Am α源测量α/γ比值，评估材料在区分α和γ辐射方面的潜力。
• 研究Cu+共掺杂Li2B4O7中快速闪烁组分（<100 ns）的起源，该现象目前尚无解释。

提出的方法

• 采用柴可拉斯基法生长高质量的无掺杂和Cu+共掺杂Li2B4O7单晶。
• 测量光学透射率以评估透明度及光收集潜力。
• 在X射线和γ射线激发下进行光致发光和辐射发光光谱测量，以表征发射光谱和效率。
• 利用脉冲X射线进行时间分辨闪烁测量，通过多指数拟合分析衰减动力学。
• 使用241Am α源测定α/γ比值，以评估辐射区分能力。
• 采用四指数拟合分析衰减组分，以分离快速（t1~0.8 ns）、中等（t3~300-400 ns）和慢速（t4~20-30 ms）贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu+共掺杂如何影响Li2B4O7在X射线激发下的发光产额（LY）？
• RQ2 无掺杂和Cu+共掺杂Li2B4O7的衰减动力学组分是什么？它们之间有何差异？
• RQ3 在Cu+共掺杂Li2B4O7中，慢速衰减组分对总发光产额的贡献是多少？
• RQ4 尽管以慢速发射为主，为何Cu+共掺杂Li2B4O7仍表现出快速闪烁组分（~0.8 ns）？
• RQ5 材料在区分α与γ辐射方面的有效性如何？这由α/γ比值反映。

主要发现

• 在X射线激发下，无掺杂Li2B4O7的总时间积分发光产额（LY）约为600 ph/MeV。
• Cu+共掺杂使LY提高至约760 ph/MeV，相比无掺杂晶体提升了约27%。
• 无掺杂和Cu+共掺杂Li2B4O7的衰减动力学均可良好地用四个指数组分描述：快速（t1~0.8 ns）、中等（t3~300-400 ns）和慢速（t4~20-30 ms）。
• 慢速衰减组分占总发光产额的约60%，而快速组分贡献不足10%。
• 闪烁信号的10%-90%上升时间为163 ps，表明信号上升迅速。
• 外部241Am α射线的α/γ比值为0.18，表明具有中等程度的区分能力。