СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов

ЗАО «ИНКРОМ», СП
ПИЯФ, Гатчина
ИОФАН, Москва
СПбГПУ
Сверхбыстрые сцинтилляторы
Naam, Afdeling
на основе фторида бария
для РЕТ и других применений
П.А. Родный
ноябрь 2010
СПбГПУ
лаборатория
Физики
Ионных
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
кристаллов
1
Ионизирующее излучение
= 50-500 ps
Сцинтиллятор
ФЭУ
PMT
New photodetectors
– SiPM, SSPM
P.Bazhan et al. NIM A, 504 (2003)
Электрический сигнал
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
2
Сцинтилляторы применяются:
•Компьютерная томография
• Позитрон-эмиссионная
томография (PET)
- Single photon emission
computed tomography (SPECT)
•Космические исследования
•Таможенный контроль
•Дозиметрия
•Физика высоких энергий
………..
Сцинтиллятор – лимитирующий фактор быстродействия детектора
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
3
Positron Emission
Tomography
n
n p p
p
p p n
p
n
g - Detector
e+ e-
g - Detector
Image
Reconstruction
Tracer Labeled with
Positron Emitter
СПбГПУ
лаборатория
Физики
Ионных
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
кристаллов
4
Time of flight
TOF-PET
[W.Moses, IEEE, Trans. Nucl. Sci. NS-46 (1999) 474]
LOR
t2
Annihilation
t1
t2-t1
From: Y. Haemisch, Philips Medical Systems
СПбГПУ
лаборатория
Физики
Ионных
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
кристаллов
5
Properties of Inorganic Scintillators Used for PET
m,
nm
Atten.
Length
(511 keV),
cm
,
ns
Material
LY,
Phs/MeV
NaI:Tl
38,000
415
3.3
230
LSO
24,000
420
1.2
40
BGO
8,200
505
1.1
300
GSO
7,600
430
1.5
60
BaF2
10,000
220/310
2.3
0.6/620
T. Bäck et al. NIM A 471(2001) 200 /
email: back@msi.se
A detector system for PET with time-of-flight capability has been built.
The set-up consists of 48 BaF2 scintillator crystals, each coupled to
a fast PMT, mounted in a circular geometry.
The best time resolution for a pair of the detectors was 340 ps.
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
6
BaF2 emission
(экситонная
Люминесценция)
(остовно-валентные
переходы)
1980 г.
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
7
Схема
энергетических
зон BaF2 и
основные
электронные
переходы
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
8
Создание оптических
керамик на основе
BaF2, и BaF2:Ce
сцинтиллятор
Технология
Теория
-
Требования для PET:
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
Быстродействие
Высокий световыход
Высокое энерг. разреш.
Низкая стоимость
9
1
2
3
4
Установка для горячего
прессования (ИНКРОМ)
5
Примеси в исходных
фторидах 10-4 мас.%
6
11
7
8
9
Т =800-11500С
P=200 МПа
10
13
12
5
14
15
1
3
5
8
–
–
–
–
керамики:
 35mm, d=4-5mm
нагреватель графитовый; 2 – упор;
пуансон установки; 4 – крышка;
обечайка; 6 – экран верхний; 7 – экран боковой;
вентиль сдувочный; 9 – лампа манометрическая;
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
10
Микроструктура
BaF2:Ce керамики
М. Ш. Акчурин и др. ПЕРСПЕКТ. МАТЕРИАЛЫ (2006) стр. 5.
Методами АСМ, РЭМ и ПЭМ показано, что в керамике CaF2 зерна
пронизаны системой параллельных полос, расстояния между которыми
составляет 25 – 50 нм (двойники). Для керамики ВaF2 полосы не так
характерны и группируются около границ зерен.
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
11
600
экситонное
свечение
400
1
ОВП
200
2
0
200
300
400
500
Интенсивность, отн.ед.
Интенсивность, отн.ед.
Спектры рентгенолюминесценции (РЛ)
1800
экситонное
свечение
цериевое
свечение
4
1200
ОВП
600
3
0
200
, нм
300
400
500
 нм
Спектры РЛ образцов фторида бария: 1 – кристалл BaF2,
2 – керамика BaF2, 3 – кристалл BaF2:Ce (0,1 мол.%),
4- керамика BaF2:Ce (0,1 мол.%)
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
12
Интенсивность, отн. ед.
Спектры РЛ
2
1500
1000
Интегральный
световыход образцов
BaF2:Ce3+ выше, чем
таковой у чистого BaF2
ОВП
500
0
200
1
300
400
, нм
500
600
Спектры РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF2,
2 – керамика BaF2:Ce (0,1 мол.%)
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
13
Pulse height spectra of BaF2:Ce(0,1mol.%)
/Cs137/
200
150
Counts
Counts
100
100
50
0
0
0
4000 8000 12000 16000
ADC channel
Shaping time 10μs
R = 10,7%; Nphe = 4300 phe/MeV;
Nph = 11619 ph/MeV
0
4000 8000 12000 16000
ADC channel
Shaping time 1μs
R = 8,6%; Nphe = 3056 phe/MeV;
Nph = 8258 ph/MeV
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
14
Кинетика РЛ BaF2
Отсчеты
1000
1
100
2=310+/-40 ns
10
1
1000
Отсчеты
1=0,9+/-0,4 ns
100
2
1=0,9+/-0,3 ns
2=370+/-25 ns
10
1
0
200
400
Время, нс
600
Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF2,
2 – кристалл BaF2
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
15
Кинетика РЛ
ОВП 1=1,1+/-0,2 ns
1000
1000
1=0,9+/-0,3 ns
3+
2=29+/-4 ns
100
3+
АЛЭ -> Ce 3=265+/-40 ns
10
1
1
0
200
400
Время, нс
Отсчеты
Отсчеты
Ce 2=30+/-7 ns
3=360+/-40 ns
100
10
2
1
600
0
200
400
Время, нс
600
Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF2:Ce
(0,05 мол.%), 2 – керамика BaF2:Ce (0,1 мол.%)
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
16
Прозрачность
Прозрачность, %
100
1
80
2
60
3
4
40
20
0
200
400
600
, nm
Оптическое пропускание образцов BaF2 толщиной
3 мм (1, 2) и BaF2:Ce (0.025 мол.%), толщиной 15 мм (3, 4).
1, 3 — кристалл, 2, 4 — керамика
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
17
Оптическая керамика
BaF2 и BaF2:Ce
Образец
Форма
Ce3+,
мол%
1, нс
Im1
2, нс
3, нс
LY
BaF2
Крист
-
0.9±0.3
1500
-
370±25
1.0
BaF2
Кер
-
0.9±0.4
1400
-
310±40
0.95
BaF2:Ce
Кер
0.1
0.9±0.3
1200
29±4
360±40
1.74
BaF2:Ce
Крист
0.1
1.3±0.4
1300
47±2
240±40
2.70
BaF2:Ce
Кер
0.05
1.1±0.2
1400
30±7
265±40
1.98
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
18
Оптическая керамика BaF2:Cd
1000
100
I1=480
 нс
I2=17
 нс
I1=840
Отсчеты
Отсчеты
1000
10
0
200
400
Время, нс
I2=10
100
1
1
600
 ns
10
2
1
0
200
400
Время, нс
600
Кинетика РЛ: 1 – кристалл BaF2, 2 – кристалл BaF2:Cd(1мол.%)
Интегральный световыход керамического образца
BaF2:Cd(0.1 мол.%) в 1.3 раза больше, чем таковой
у нелегированного BaF2
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
19
Оптическая керамика BaF2:Sc
Отсчеты
1000
I1=680
I2=65
100
t2=270+/-14 ns
10
I1=2460
I2=30
1
t2=237+/-15 ns
0
200
400
Время, нс
Получено увеличение
амплитуды сверхбыстрого
компонента в 3.6 раза по
сравнению с нелегированным
керамическим образцом, не
прошедшим отжиг. При этом
уменьшается интенсивность
медленного компонента чуть
более чем в 2 раза
600
Степень деформации:
=(l0-lk)/lk
Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF2 =243,3% ,
2 – керамика BaF2:Sc (2мол.%), прошедшая отжиг в CF4 =280%
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
20
Интенсивность сверхбыстьрого
компонента
Оптическая керамика
на основе BaF2:Sc
2500
0,5Sc - без отжига
0,5Sc - отжиг
2Sc - без отжига
2Sc - отжиг
2000
1500
1000
200
При различных
концентрациях Sc и для
различных степеней
деформации интенсивность
сверхбыстрого компонента
ведет себя по-разному
250
300
Деформация, %
Зависимость интенсивности сверхбыстрого компонента
от степени деформации:  =(l0-lk)/lk
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
21
Выводы

Установлено, что при оптимальной концентрации ионов Ce3+ во
фториде бария интенсивность сверхбыстрого компонента РЛ
практически такая же, как в чистом BaF2

Интегральная интенсивность РЛ BaF2:Ce3+ (кристаллов и керамик)
существенно выше, чем для нелегированного кристалла BaF2. В случае
BaF2:Ce3+ получено небольшое увеличение интенсивности РЛ для
систем нанокерамика/монокристалл

Показано, что при концентрации Cd2+ 1мол.% (кристалл)
интенсивность сверхбыстрого компонента в 1.75 раза больше, чем для
нелегированного кристаллического фторида бария

Для керамического образца BaF2:Sc3+(2мол.%), прошедшего отжиг в
атмосфере CF4 наблюдается увеличение амплитуды сверхбыстрого
компонента в 3.6 раза по сравнению с нелегированным керамическим
образцом, не прошедшим отжиг. При этом уменьшается интенсивность
медленного компонента чуть более чем в 2 раза
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
22
Публикации по теме исследований
•
A.A. Demidenko, E.A. Garibin, S.D. Gain, Yu.I. Gusev, P.P. Fedorov, I.A.
Mironov, S.B. Michrin, V.V. Osiko, P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N.
Smirnov. Scintillation parameters of BaF2 and BaF2:Ce3+ ceramics. Optical
materials. 2010. V32. P1291-1293
•
П.А. Родный, С.Д. Гаин, И.А. Миронов, Е.А. Гарибин, А.А. Демиденко,
Д.М. Селиверстов, Ю.И. Гусев, П.П. Федоров, С.В. Кузнецов.
Спектрально-кинетические характеристики кристаллов и нанокерамик
на основе BaF2 и BaF2:Ce. ФТТ, том 52, вып.9, 2010, Стр.1780
•
Е.А. Гарибин, С.Д. Гаин, П.Е. Гусев, Ю.И. Гусев, Д.В. Леушев, И.А.
Миронов, П.А. Родный, Д.М. Селиверстов, А.Н. Смирнов. Новые
сцинтилляторы на основе кристаллов и керамик фторида бария,
Известия РАН, серия физическая (подано в печать)
Также по результатам работ поданы 2 заявки на изобретения
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
23
Участие в конференциях
•
•
•
•
A.A. Demidenko, E.A. Garibin, S.D. Gain, Yu.I. Gusev, P.P. Fedorov, I.A.
Mironov, S.B.Michrin, V.V. Osiko, P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N.
Smirnov. Scintillation Parameters of BaF2 and BaF2:Ce3+ Ceramics. 5th Int.
Symp. On Laser, Scintillator and Non Linear Optical Materials, Pisa, Italy,
September 3-5, 2009
С.Д. Гаин, П.А. Родный. Сцинтилляционные свойства оптических
керамик на основе BaF2, легированных Ce, Cd и Sc. Конференция по
физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и
Северо-запада, Санкт-Петербург, Россия, 29-30 октября 2009
E.A. Garibin, S.D. Gain, P.E. Gusev, Yu.I. Gusev, D.V. Leushev, I.A. Mirinov,
P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N. Smirnov. Ultra fast scintillators based on
BaF2 crystals and ceramics. LX International conference on nuclear physics
“Nucleus 2010”, Saint-Petersburg, Russia, July 6-9, 2010
С.Д. Гаин, Е.А. Гарибин, А.Н. Смирнов, П.А. Родный, Д.М. Селиверстов.
Оптические керамики на основе фторида бария. Международная
научно-техническая конференция Нанотехнологии Функциональных
Материалов, Санкт-Петербург, 22-24 сентября 2010
Также планируются доклады на Второй международной конференции ИСМАРТ2010, Харьков, Украина, 14-19 ноября 2010
СПбГПУ
лаборатория
Физика
Ионныхкристаллов
Кристаллов
ЛПИ,
лаб. Физики
ионных
24
Положение RE ионов в BaF2
14
10
Energy, eV
(BaF2)
Cond. band
12
(PC)
(PC)
8
(fd)
6
4f,RE
3+
2+
(fd)
Tb
Ce
4
5d,RE
Pr
2
Dy
(CT)
Er Tm
Sm
Nd
3+
14
15
Yb
Ho
Eu
0
4f,RE
Gd
Val. band
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов
10
11
12
13
25