Композиционно неупорядоченные активированные ионами церия кристаллы типа граната для более ярких и быстрых сцинтилляций

Четырёхкатионные гранаты (Gd, M)₃Al₂Ga₃O₁₂(M = Y, Lu), легированные ионами Ce, формируют семейство новых многоцелевых перспективных сцинтилляционных материалов. Целью работы являлось проведение оценки выхода сцинтилляций в сцинтилляционных материалах четверных гранатов, активированных ионами церия при частичной изовалентной замене матрицеобразующих ионов гадолиния ионами иттрия или лютеция.

Материалы были получены в виде поликристаллических пластин, причём наилучшие результаты показали образцы, полученные из сырья, произведённого  методом  соосаждения.  Установлено, что керамика, полученная из соосаждённого сырья, обеспечивает однородность распределения активаторных ионов в многокатионных матрицах. Это, в свою очередь, обеспечивает достижение высокого световыхода и быстрой кинетики сцинтилляции. Показано, что сверхстехиометрическое содержание лютеция/гадолиния в материале для изготовления керамики является эффективным средством подавления фосфоресценции. Для керамики состава (Gd, Lu)₃Al₂Ga₃O₁₂ достигнут выход сцинтилляций более 50000 фот./МэВ, а усреднённая константа затухания кинетики сцинтилляций близка к 50 нс.

По совокупности параметров разработанные сцинтилляционные материалы близки к недавно разработанным щелочно-галоидным материалам LaBr₃:Ce, GdBr₃:Ce, к тому же обладают высокой твёрдостью, характеризуются отсутствием гигроскопичности и лучше приспособлены к изготовлению пиксельных детекторов, используемых в современных устройствах для медицинской диагностики.

1. Simonov А., Goodwin A.L. Designing disorder into crystalline materials. Nature Reviews Chemistry, 2020, no. 4, pp. 657−673. DOI: 10.1038/s41570-020-00228-3

2. Lecoq P., Gektin A., Korzhik M. Inorganic Scintillators for Detector Systems: Physical Principles and Crystal Engineering, 2nd ed., Springer International Publishing, 2017, 420 p.

3. Trower W.P., Korzhik M.V., Fedorov A.A. Ce doped luthetium based single crystal scintillator. In: Dorenbos P., C/W.E.van Eijk (Eds.) Proc. Int. Conf. on Inorganic Scintillators and Their Application. SCINT 1995, Delft University Press, The Netherlands, 1996, pp. 355−358.

4. Dominiak-Dzik G., Ryba-Romanowski W., Lisiecki R., Solarz P., Macalik B., Berkowski M., Głowacki M., Domukhovski V. The Czochralski Growth of (Lu1−xGdx)2SiO5:Dy Single Crystals: Structural, Optical, and Dielectric Characterization. Journal of Crystal Growth, 2010, vol. 10, no. 8, pp. 3522–3530. DOI: 10.1021/cg100429b

5. Chai B.H.T., Chai D.Y., Randall A. Method of enhancing performance of doped scintillation crystals. US Patent 7,397,034 B2 (2004).

6. Chai B.H.T., Yahgyang J. Lutetium Yttrium Orthosilicate Single Crystal Scintillator. US Patent 6,921,901-B117, 02 (1999).

7. Belsky A.N., Auffray E., Lecoq P., Dujardin C., Garnier N., Candibano H., Pedrini C., Petrosyan A.G. Progress in the development of LuAlO3-based scintillators. IEEE Transaction on Nuclear Science, 2001, vol. 48, pp. 1095–1100. DOI: 10.1109/23.958730

8. Kamada K., Endo T., Tsutumi K., Yanagida T., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A., Pejchal J., Nikl M. Scintillator-oriented combinatorial search in Cedoped (Y,Gd)3(Ga,Al)5O12 multicomponent garnet compounds. Journal of Physics. D: Applied. Physics, 2011, vol. 44, p. 505104. DOI: 10.1088/0022-3727/44/50/505104

9. Korzhik M., Borisevich A., Fedorov A., Gordienko E., Karpyuk P., Dubov V., Sokolov P., Mikhlin A., Dosovitskiy G., Mechninsky V., Kozlov D., Uglov V. The scintillation mechanisms in Ce and Tb doped (GdxY1−x ) Al2Ga3O12 quaternary garnet structure crystalline ceramics. Journal of Luminescence, 2021, vol. 234, p. 117933. DOI: 10.1016/j.jlumin.2021.117933

10. Chewpraditkul W., Panek D., Bruza P., Chewpraditkul W., Wanarak C., Pattanaboonmee N., Babin V., Bartosiewicz K., Kamada K., Yoshikawa A., Nikl M. Luminescence properties and scintillation response in Ce3+doped Y2Gd1Al5−xGaxO12 (x = 2, 3, 4) single crystals. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, pp. 083505- 1−083505-7. DOI: 10.1063/1.4893675

11. Chewpraditkul W., Brůža P., Pánek D., Pattanaboonmee N., Wantong K., Chewpraditkul W., Babin V., Bartosiewicz K., Kamada K., Yoshikawa A., Nikl M. Optical and scintillation properties of Ce3+-doped YGd2Al5xGaxO12(x¼2, 3, 4) single crystal scintillators. Journal of Luminescence, 2016, vol. 169, pp. 43–50. DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.09.001

12. Chewpraditkul W., Pattanaboonmee N., Chewpraditkul W., Sakthong O., Yamaji A., Kamada K., Kurosawa S., Yoshikawa A. Scintillation Characteristics of Mg2+-codoped Y0.8Gd2.2(Al5−xGax)O12:Ce Single Crys Crystals. IEEE Transaction on Nuclear Science, 2020, vol. 67, pp. 910−914. DOI: 10.1109/TNS.2020.2975734

13. . Korzhik M., Alenkov V., Buzanov O., Dosovitsky G., Fedorov A., Kozlov D., Mechinsky V., Nargelas S., Tamulaitis G., Vaitkevicius A. Engineering of a new single-crystal multi-ionic fast and high-light-yield scintillation material (Gd0.5–Y0.5)3Al2Ga3O12:Ce,Mg.CrystEngComm, 2020, vol. 22, pp. 2502–2506. DOI: 10.1039/D0CE00105H

14. Nikl M., Yoshikawa A. Recent R&D Trends in Inorganic Single-Crystal Scintillator Materials for Radiation Detection. Advanced Optical Materials, 2015, vol. 3, pp. 463–481. DOI: 10.10002/adom.201400571

15. Nikl M., Yoshikawa A., Kamada K., Nejezchleb K., Stanek C.R., Mares J.A., Blazek K. Development of LuAG-based scintillator crystals. A review, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2013, vol. 59, pp. 47−72. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2013.02.001

16. Petrosyan A.G., Ovanesyan K.L., Sargsyan R.V., Shirinyan G.O., Abler D., Auffray E., Lecoq P., Dujardin C., Pedrini C. Bridgman growth and site occupation in LuAG:Ce scintillator crystals. Journal of Crystal Growth, 2010, vol. 312, pp. 3136−3142. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2010.07.042

17. Momma K., Izumi F. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. Journal of Applied Crystallography, 2011, vol. 44, pp. 1272–1276. DOI: 10.1107/S0021889811038970