WŁAŚNOŚCI SCYNTYLACYJNE KRYSZTAŁU BGO. Winicjusz Drozdowski

Transkrypt

1 WŁAŚNOŚCI SCYNTYLACYJNE KRYSZTAŁU BGO z Laboratorium Wzrostu Kryształów IF PSz Winicjusz Drozdowski Zakład Optoelektroniki Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń SEM #12 (2005/2006) 6 marca 2006 r. 1

2 Plan referatu wstęp BGO jako scyntylator hodowla w PSz wyniki 2 wydajność scyntylacji (LY) profile czasowe scyntylacji (STP) termoluminescencja (TL) podsumowanie

3 BGO jako scyntylator 3 wzór chemiczny Bi4Ge3O12 pierwsze doniesienia lata siedemdziesiąte XX w. [Weber et al., Nestor et al.] jon Bi3+ jako centrum luminescencji wysoki przekrój czynny na absorpcję kwantów gamma gęstość: 7.13 g/cm3 efektywna liczba atomowa: 75 temperatura topnienia: 1050 oc materiał niehigroskopijny

4 BGO jako scyntylator 4 luminescencja: nm wydajność scyntylacji: 20% NaI(Tl) czas zaniku scyntylacji: 300 ns duża odporność radiacyjna brak afterglow silna zależność wydajności i czasu zaniku scyntylacji od temperatury zastosowania: fizyka wysokich energii, astrofizyka, medycyna (PET)

5 Badane materiały laboratorium: LWK IF PSz, Szczecin metoda Czochralskiego 2 próbki w postaci pikseli 2x2x10 mm3 (małe kamery PET) i 2 kostki 2x2x2 mm3: K05001 i K05002 (pixele) K05011 i K05012 (kostki) dla porównania dwa pixele 2x2x10 mm3 z Photonic Materials Ltd.: 5 N N

6 Metoda Czochralskiego 6

7 Politechnika Szczecińska Laboratorium Wzrostu Kryształów Instytut Fizyki Politechniki Szczecińskiej prof. Sławomir Kaczmarek prof. Marek Berkowski kryształy: LBO, BGO, LGT 7

8 Politechnika Szczecińska 8

9 Pomiar LY 9 źródło Na-22 (pastylka, aktywność 1.5 µci); energia i MeV próbka owinięta taśmą teflonową elektronika: Canberra fotopowielacz: Hamamatsu R2059 napięcie PMT: 1500 V czas rejestracji pojedynczego widma energetycznego: 16 h geometria pionowa i pozioma

10 Pomiar LY y h 0 10 PMT window

11 Wydajność scyntylacji 11 sample K05002, PMT voltage: 1500 V, amplifier gain: 9; the pixel was placed vertically on the PMT window; photopeaks at channels 72 and 208, corresponding to the and MeV gamma photons, respectively, are indicated

12 Wydajność scyntylacji samples K05002 (pixel) and K05012 (cube), PMT voltage: 1500 V, amplifier gain: 9; the pixel was placed horizontally on the PMT window 12

13 Wydajność scyntylacji ID info PSz pixel 2x2x10 cm3 PSz pixel K x2x10 cm3 PSz cube K x2x2 cm3 PSz cube K x2x2 cm3 PML pixel N x2x10 cm3 PML pixel N x2x10 cm3 K LYver LYhor ER (%) at (phe/mev) (phe/mev) MeV

14 Model 2R+ próbka przyklejona do okienka PMT, źródło promieniowania gamma nad próbką uwzględniona absorpcja promieniowania gamma oraz absorpcja światła scyntylacji promienie w górę i w dół jako jedyne wnoszące wkład do wydajności scyntylacji zależność końcowa: (µ + µ )h e ( µγ µ ) h 1 e γ 1 2 µh LY = LY0 + (1 β ) e µ h µγ + µ 2 e γ 1 µγ µ µγ 14

15 1200 BGO light yields PSz K05001 pixel PSz K05002 pixel PSz K05011 cube PSz K05012 cube PML N pixel PML N pixel 1000 LY (phe/mev) height (cm) 15 points experimental values; lines 2R+ model fits with µγ = cm-1 and β = 10%

16 Model 2R+ ID info PSz pixel 2x2x10 cm3 PSz pixel K x2x10 cm3 PML pixel N x2x10 cm3 PML pixel N x2x10 cm3 K V2H LY0 μ (cm-1) (phe/mev)

17 Pomiar STP 17 źródło Ba/Cs-137 (pastylka, aktywność 1.5 µci); energia MeV metoda Bollingera-Thomasa koincydencyjnego zliczania fotonów elektronika: Canberra fotopowielacze: Hamamatsu R1104 i R1460 napięcie PMT: 1190 V czas rejestracji pojedynczego profilu czasowego: 16 h

18 Profile czasowe intensity (arb. units) BGO scintillation time profile experiment fit τ ~ 300 ns time (ns) samples K05012 (cube); the profiles of the other samples from Psz are identical 18

19 Pomiar TL 19 lampa rentgenowska (44 kv / 4 ma) monochromator: ARC SpectraPro 500i fotopowielacz: Hamamatsu R928 chłodziarka helowa: APD Cryogenics kontroler temperatury: LakeShore napromieniowanie (TL, AG): 10 min szybkość grzania (TL): 9 K/min

20 Termoluminescencja 20

21 Termoluminescencja ID peak no. 1 2 K K N Tmax (K) n E (ev) ln s Tmax - temperature, at which the glow curve peaks, E - trap depth, s - frequency factor, n0 initial trap concentration; n0 is in the same units as TL intensity and s is in s-1

22 Termoluminescencja ID info PSz pixel 2x2x10 cm3 PSz pixel K x2x10 cm3 PML pixel N x2x10 cm3 K TL / LY0,tf (TL + ssrl) (phe/mev)

23 Podsumowanie 23 wszystkie kryształy: wolny zanik (~300 ns), niewielki udział pułapek (praktycznie zaniedbywalny w kryształach z PML) kryształy z PSz - zbliżona do kryształów z PML wydajność scyntylacji w geometrii poziomej, wyższy współczynnik strat ( cm-1 w porównaniu z cm-1) powodujący obniżenie wydajności w geometrii pionowej

24 Podsumowanie 24 potwierdzenie obserwacji Dujardina (wydajność zależy od wysokości próbki, a nie zależy od pozostałych wymiarów geometrycznych) plan: wygrzanie próbki K05002 w 800 oc przez 2 h i pomiar wydajności scyntylacji (spodziewany wzrost o ~20%)