Влияние солегирования Ca2+ и Zr4+ на оптические характеристики монокристаллов Gd3Al2Ga3O12 : Ce

Сцинтилляционные материалы, способные преобразовывать поглощенные высокоэнергетические частицы в фотоны видимого излучения, находят множество областей применения, в частности в современных методах медицинской визуализации. Среди кислородсодержащих сцинтилляторов перспективным для использования в качестве детектирующего кристаллического элемента позитронно-эмиссионного томографа является Gd3Al2Ga3O12 : Ce за счет своих уникальных свойств: высокой плотности, высокого значения световыхода, радиационной стойкости и т. д. Однако его кинетические характеристики в настоящее время ограничивают использование кристалла для этих целей. Попытки изменения временных характеристик нарастания и спада люминесценции путем введения дополнительных примесей стали приоритетной задачей, которая рассматривается во многих работах. Анализ литературных данных показал, что оптические характеристики таких солегированных кристаллов исследованы недостаточно хорошо или вовсе не исследованы. В работе методами оптической спектроскопии в диапазоне длин волн 200—2200 нм исследованы кристаллы Gd3Al2Ga3O12 : Ce, солегированные Ca2+ и Zr4+. Измерены спектральные зависимости пропускания, поглощения и отражения, а также показатели преломления. Дисперсионные зависимости получены путем аппроксимации экспериментально измеренных показателей преломления методом Брюстера. Аппроксимацию проводили с использованием уравнения Коши. Оценены материальные константы этих уравнений для каждого из солегированных кристаллов.

Gd3Al2Ga3O12:Ce, сцинтилляционный монокристалл, солегирование, спектрофотометрия пропускания, показатель поглощения, показатель преломления, метод Брюстера, аппроксимация

1. Stewart A. G., Seitz B., O’Neill K., Wall L., Jackson J. C. Energy resolution of Ce : GAGG and Pr : LuAG scintillators coupled to 3 mm × 3 mm silicon photomultipliers // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2016. V. 63, N 5. P. 2496—2501. DOI: 10.1109/TNS.2016.2574773

2. Yanagida T., Kamada K., Fujimoto Y., Yagi H., Yanagitani T. Comparative study of ceramic and single crystal Ce : GAGG scintillator // Optical Materials. 2013. V. 35, N 12. P. 2480—2485. DOI: 10.1016/j.optmat.2013.07.002

3. Lecoq P. Development of new scintillators for medical applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 809. P. 130—139. DOI: 10.1016/j.nima.2015.08.041

4. Seitz B., Stewart A. G., O’Neill K., Wall L., Jackson C. Performance evaluation of novel SiPM for medical imaging applications // IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). 2013. P. 1—4. DOI: 10.1109/NSSMIC.2013.6829685

5. Kamada K., Shimazoe K., Ito S., Yoshino M., Endo T., Tsutsumi K., Kataoka J., Kurosawa S., Yokota Y., Takahashi H., Yoshikawa A. Development of a prototype detector using APD-arrays coupled with pixelized Ce: GAGG scintillator for high resolution radiation imaging // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2014. V. 61, N 1. P. 348—352. DOI: 10.1109/TNS.2013.2290319

6. Yeom J. Y., Yamamoto S., Derenzo S. E., Spanoudaki V. C., Kamada K., Endo T., Levin C. S. First performance results of Ce: GAGG scintillation crystals with silicon photomultipliers. IEEE transactions on nuclear science. 2013. V. 60, N 2. P. 988—992. DOI: 10.1109/TNS.2012.2233497

7. Ханин В. М. Сцинтилляционные процессы в активированных церием керамиках со структурой граната: диcс. канд. физ.-мат. наук. СПб., 2017. 173 с.

8. Alenkov V., Buzanov O., Dosovitskiy G., Egorychev V., Fedorov A., Golutvin A., Guz U., Jacobsson R., Korjik M., Kozlov D., Mechinsky V., Schopper A., Semennikov A., Shatalov P., Shmanin E. Irradiation studies of a multi-doped Gd3Al2Ga3O12 scintillator // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. V. 916. P. 226—229. DOI: 10.1016/j.nima.2018.11.101

9. Oshima T., Kataoka J., Kishimoto A., Fujita T., Kurei Y., Nishiyama T., Morita H., Yamamoto S., Ogawa K. Development of a high-precision color gamma-ray image sensor based on TSV-MPPC and diced scintillator arrays // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2015. V. 803. P. 8—14. DOI: 10.1016/j.nima.2015.08.068

10. Nikl M., Yoshikawa A. Recent R&D trends in inorganic single-crystal scintillator materials for radiation detection // Advanced Optical Materials. 2015. V. 3, N 4. P. 463—481. DOI: 10.1002/adom.201400571

11. Meng F. Development and improvement of cerium activated gadolinium gallium aluminum garnets scintillators for radiation detectors by codoping: PhD diss. Knoxville, 2015. 159 p.

12. Wu Y., Meng F., Li Q., Koschan M., Melcher C. L. Role of Ce4+ in the scintillation mechanism of codoped Gd3Ga3Al2O12 : Ce // Phys. Rev. Appl. 2014. V. 2, N 4. P. 044009. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.2.044009

13. Meng F., Koschan M., Wu Y., Melcher C. L. Relationship between Ca2+ concentration and the properties of codoped Gd3Ga3Al2O12:Ce scintillators // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2015. V. 797. P. 138—143. DOI: 10.1016/j.nima.2015.06.043

14. Tyagi M., Rothfuss H. E., Donnald S. B., Koschan M., Melcher C. L. Effect of Ca2+ co-doping on the scintillation kinetics of Ce doped Gd3Ga3Al2O12 // IEEE Transaction on Nuclear Science. 2014. V. 61, N 1. P. 297—300. DOI: 10.1109/TNS.2013.2276101

15. Yoshino M., Kamada K., Shoj Y., Yamaji A., Kurosawa S., Yokota Y., Ohashi Y., Yoshikawa A., Chani V. I. Effect of Mg co-doping on scintillation properties of Ce : Gd3(Ga, Al)5O12 single crystals with various Ga/Al ratios // J. Crystal Growth. 2017. V. 468. P. 420—423. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.12.054

16. Babin V., Bohacek P., Grigorjeva L., Kucera M., Nikl M., Zazubovich S., Zolotarjovs A. Effect of Mg2+ ions co-doping on luminescence and defects formation processes in Gd3(Ga,Al)5O12 : Ce single crystals // Optical Materials. 2017. V. 66. P. 48—58. DOI: 10.1016/j.optmat.2017.01.039

17. Lucchini M. T., Babin V., Bohacek P., Gundacker S., Kamada K., Nikl M., Petrosyan, Yoshikawa A., Auffray E. Effect of Mg2+ ions co-doping on timing performance and radiation tolerance of Cerium doped Gd3Al2Ga3O12 crystals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 816. P. 176—183. DOI: 10.1016/j.nima.2016.02.004

18. Kamada K., Shoji Y., Kochurikhin V. V., Yoshino M., Okumura S., Yamamoto S., Yeom J. Y., Kurosawa S., Yokota Y., Ohashi Y., Nikl M., Yoshino M., Yosikawa A. 2 inch size Czochralski growth and scintillation properties of Li+ co-doped Ce:Gd3Ga3Al2O12 // Optical Materials. 2017. V. 65. P. 52—55. DOI: 10.1016/j.optmat.2016.09.005

19. Rawat S., Tyagi M., Netrakanti P. K., Kashyap V. K. S., Mitra A., Singh A. K., Desai D. G., Kumar G. A., Gadkari S. C. Pulse shape discrimination properties of Gd3Ga3Al2O12 : Ce, B single crystal in comparison with CsI : Tl // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 840. P. 186—191. DOI: 10.1016/j.nima.2016.09.060

20. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Y., Yoshikawa A. 2-inch size single crystal growth and scintillation properties of new scintillator; Ce: Gd3Al2Ga3O12 // Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). 2011. P. 1927—1929. DOI: 10.1109/NSSMIC.2011.6154387

21. Kozlova N. S., Goreeva Zh. A., Zabelina Ev. V. Testing quality assurance of single crystals and stock on their base // IEEE 2nd Internat. Ural Conf. on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017. P. 15—22. DOI: 10.1109/URALCON.2017.8120681

22. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976. 296 с.

23. Application note. URL: https://www.agilent.com/cs/library/applications/application-refractive-index-cary-5000-uv-vis-5994-0052en-us-agilent.pdf (дата обращения: 15.02.2019).

24. Борисенко С. И., Ревинская О. Г., Кравченко Н. С., Чернов А. В. Показатель преломления света и методы его экспериментального определения. Томск: Томский политехнический университет, 2014. 146 с.

25. Palik E. D. Handbook of optical constants of solids. New York: Academic Press, 1998. 3224 p.

26. Kozlova N. S., Kozlova A. P., Goreeva Zh. A. Spectrophotometric methods and their capabilities to study material optical parameters // IEEE 2nd International Ural Conference on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017. P. 281—288. DOI: 10.1109/URALCON.2017.8120724

27. Kozlova N. S., Buzanov O. A., Kasimova V. M., Kozlova A. P., Zabelina E. V. Optical characteristics of single crystal Gd3Al2Ga3O12 : Ce // Modern Electronic Materials. 2018. V. 4, N 1. P. 7—12. DOI: 10.3897/j.moem.4.1.33240

28. Переломова Н. В., Тагиева М. М. Кристаллофизика: сборник задач с решениями. М.: МИСиС, 2013. 408 с.

29. Kozlova N. S., Busanov O. A., Zabelina E. V., Kozlova A. P., Kasimova V. M. Optical properties and refractive indices

30. of Gd3Al2Ga3O12 : Ce3+ crystals // Crystallography Reports. 2016. V. 61, N 3. P. 474—478. DOI: 10.1134/S1063774516030160