Scintillation Properties of the Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce(3%) Crystal

(1)

Scintillation Properties of the Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce(3%) Crystal

H. L. Kim · H. J. Kim ^∗ · G. H. Chae · Ullah Fawad

Department Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea

J. H. So

Center for Underground Nuclear and Particle Astrophysics, Institute for Basic Science, Daejeon 305-811, Korea

(Received 13 December 2013 : revised 8 January 2014 : accepted 13 March 2014)

Scintillation crystals are used for detecting various particles and radiations and, hence, have great applications in the fields of nuclear, particle and medical physics. The Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce

³⁺

crystal has great potential for becoming a neutron detector due to the presence of

⁶

Li and

¹⁰

B, both of which interact with neutrons with relative ease. Moreover, the presence of lutetium in Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce

³⁺

leads to a high effective atomic number (Z

ef f

= 52) and high molecular weight (M.Wt = 393 g/mol), which make this crystal a potential candidate for X-ray and γ-ray detection. In order to investigate the possibility of using the Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce

³⁺

crystal as a scintillation detector, we measured its energy resolutions and decay times for irradiations with γ- and α-particles, the α/β light ratio and the X-ray-induced emission spectra.

PACS numbers: 29.40.Mc, 78.70.-g, 81.10.-h

Keywords: Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce crystal, Scintillation crystal, Scintillation crystal growth

Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce(3%) V È° Ë Ñ + s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë ì Å

»A j Ð · » ý ¡® £ ^∗ · = ¦ Â 6 Ò · Ullah Fawad

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

Ð^ ï B Ú

l

íõ < Æ ½ ¨" é ¶ Ù þ { 9 ;^ Ó ü t o < Æ t z ´+ « > ½ ¨é ß , @ / 305-811 (2013¸ 12 Z 4 13{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2014¸ 1 Z 4 8{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2014¸ 3 Z 4 13{ 9 > F S X & ñ )

& ñ $ 3 F g Ø ¦ l H Ù þ Ó ü t o , { 9 Ó ü t o x 9 _ < Æ ì r \ " f { 9 \ ¦ Ø ¦ H X < V , o 6 x ) a .

Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce

³⁺

$ 3 F g & ñ É r × æ$ í f ¨ Ã º é ß & h s H o ½ ¢ § õ Ð : r` ¦ í < Ê ¦ e # Q × æ$ í Ø ¦

\

æ ¼{ 9 Ã º e ` ¦ ÷ r ë ß m Z ° ú כs H À Ò_ ¸ o u " é ¶ è\ ¦ í < Ê ¦ e # Q X- x 9 y Ø ¦ \ ¸ 6 x

| ¨

c Ã º e . " f s ½ ¨\ " f H Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce

³⁺

& ñ $ 3 F g Ø ¦ l Ð+ _ Ö ¸6 x 0 p x$ í ` ¦ · ú

Ðl 0 AK y x 9 · ú " é ¶ \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ x 9 y û Zr ç ß , F g Ø ¦§ 4 q ü < X- ` ¦ s 6 x ô Ç µ 1 Ï F

g : £ ¤$ í ` ¦ ½ ¨ % i .

PACS numbers: 29.40.Mc, 78.70.-g, 81.10.-h

Keywords: Li

6

Lu(BO

3

)

3

:Ce é ß & ñ , $ 3 F g & ñ , $ 3 F g & ñ $ í ©

∗

E-mail: [email protected] 271

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any

medium, provided the original work is properly cited.

(2)

$ 3

F g & ñ É r & ñ _ < Ês Ô ¦í HÓ ü t Ð K # Q \

-t ½ × ¼ Ò q t$ í ) a . ~ ½ Ó s ¦\ -t _ { 9

{ 9

÷ & @ /\ " f -& ñ / B N` ¦ Ò q t$ í 9 ¸@ / Ð

#

l ) a ¸@ /\ " f ¹ ¡ §f s $ 3 F g × æd Ü ¼ Ð s 1

l

x # r F g % ò % i @ /_ y n C` ¦ ~ ½ ÓØ ¦ 9 @ / Ð b

#

Qt > ) a . s Qô Ç " é ¶ o Ð 1 l x H $ 3 F g & ñ É r ~ ½ Ó

s { 9 _ Ø ¦ © q Ð ª ô Ç ì r \ 6 x ÷ & ¦ e

. & ³F NaI(Tl), CsI(Tl), Bi 4 Ge ₃ O ₁₂ (BGO)1 p x # Q t

$ 3 F g & ñ [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &% 3 H X < & ñ ` ¦ s À Ò H Ó ü t| 9 _ 7

á

x À Ó\ Õ ª : £ ¤$ í s ² ú t 9 # Q z ´+ « >\ " f Õ ª : £ ¤$ í

\

´ ú H $ 3 F g & ñ ` ¦ 6 x ¦ e . " f Ö ¸6 x ¸ Z }

É

r $ 3 F g & ñ _ > hµ 1 Ïs × æ כ ¹ [1].

: r ½ ¨\ " f H Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í

¦ $ 3 F g : £ ¤$ í ` ¦ ¸ % i . & ñ ? / À Ò_ ¸ o u (Lu) É r 393 g/mol _ Á º î r " é ¶ Ð Ó ü t| 9 _ x 9 ¸\ ¦ Z } # Å Ò 9, Z } É r Z

° ú

כ (52)` ¦ t ¦ e l M :ë H \ , ' ) a [ jµ ¢ § (Ce) õ < Êa X- õ y \ @ /ô Ç a % ~ É r $ 3 F g ´ òÖ ¦` ¦ l @ /½ + É Ã º e .

×

æ$ í _ â Ä º l & h Ü ¼ Ð × æ$ í s l M :ë H \ Ø ¦ s 6 x s

t · ú § . Li ⁶ Lu(BO 3 ) 3 :Ce $ 3 F g é ß & ñ \ H × æ$ í ü <

ì

ø Í6 £ x é ß & h H o ½ ¢ § (Li) õ Ð : r (B) s í < Ê÷ &# Q e Ü ¼ 9, s X O > í < Ê÷ &# Q e H Li õ B É r × æ$ í ü < ì ø Í6 £ x #

· ú

{ 9 ü < y ` ¦ ~ ½ ÓØ ¦ ô Ç . s X O > Liõ Bs × æ$ í

ü < ì ø Í6 £ x H õ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t÷ & H · ú { 9 ü < y É r

r $ 3 F g é ß & ñ õ ì ø Í6 £ x # r F g % ò % i _ y n C` ¦ ~ ½ Ó Ø

¦ ¦, s y n C` ¦ F g7 £ x C ' a (PMT) x 9 F g G ' p" f 1 p x` ¦ : x K 8

£ ¤& ñ < ÊÜ ¼ Ð+ ç ß ] X & h Ü ¼ Ð × æ$ í \ ¦ Ø ¦ H כ s 0 p x

½

+ É כ Ü ¼ Ð l @ / ¦ e [2].

Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce \ ' a ô Ç ½ ¨ H F. Yang \ _ K % 6 £ § Ü

¼ Ð ½ ¨÷ &% 3 [3]. s ½ ¨\ " f H > hµ 1 Ï ) a > hµ 1 Ï ) a é ß

&

ñ _ X-Ray Diffraction (XRD) Á º] (ü < È Òõ $ í , X- Ä » ¸ µ

1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 õ Edinburgh FLS920` ¦ s 6 x ô Ç + þ AF g y û Z r

ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i t ë ß , : r ½ ¨\ " f H Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é

ß & ñ _ X- Ä » ¸ µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¸ # × æd

© % ò % i ` ¦ · ú Ð ¦, · ú ¡ ½ ¨\ " f 8 £ ¤& ñ t · ú § ¤~ y

" é ¶ \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ · ú { 9 ü < y " é ¶ y y

\ @ /ô Ç + þ AF g y û Zr ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i . ¢ ¸ô Ç · ú { 9

\

@ /ô Ç $ 3 F g ´ òÖ ¦` ¦ · ú Ðl 0 AK α/β F g Ø ¦§ 4 q \ ¦

%

6 £ § Ü ¼ Ð 8 £ ¤& ñ % i .

Fig. 1. (Color online) Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce single crystal used in this experiment.

II. Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce m+ s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë ÷ m Ç] M ö X

ê sR

1. Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce m+ s ÇX N Ë8 ý V R ËX ê s

: r ½ ¨\ " f 6 x ) a Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é ß & ñ É r íß ¼

³

1 ÏÛ ¼v ~ ½ ÓZ O ` ¦ s 6 x # $ í © ÷ &% 3 . a % ~ É r $ í 0 p x _ é ß

& ñ ` ¦ $ í © r v l 0 AK 99.99%_ ¦í H ¸ ì r ´ ú ` ¦ 6 x

% i . $ Li 2 CO ₃ , H ₃ BO ₃ , Lu ₂ O ₃ ` ¦ y y 25.277 g, 21.293 g, 22.687 gm [ O É r + ', s D ¥ ½ + ËÓ ü t \ Ce ¸i ç ` ¦ 0 A K

Ce(NO ³ ) 3 ·6H 2 O ì r ´ ú 0.743 g` ¦ ¸ ú D ¥ ½ + Ë # · ú À Òp

(Al 2 O ₃ ) ¸m ? /\ " f ì r ´ ú [ þ t` ¦ è r ( . è

)

a ì r ´ ú ` ¦ r ° ú ¤Ü ¼ 9, s õ & ñ ` ¦ 2 ì ø Í4 ¤ % i . s

\

¦ : x K ¸ ú [ O F « Ñ\ ¦ Ñ þ F K (Pt) ¸m \ V , ¦ s ¸

m \ ¦ íß ¼³ 1 ÏÛ ¼v Õ þ ! Q\ V , # Q ; ;y \ P ` ¦ Å Ò 9 0 l q% i

. ¸ ú D ¥ ½ + Ë ) a ì r ´ ú É r 865 ^◦ C \ " f 0 l q l r # 5 ∼ 10 r

ç ß 1 l x î ß " f" fy : r ¸\ ¦ Z } # " f 920 ^◦ C \ " f ¢ - a y 0 l q

¤Ü ¼ 9, é ß & ñ _ $ í © É r 900 ^◦ C s _ : r ¸\ " f s À Ò

#

Q& . Li 6 Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce _ 7 á x \ ¦ Ñ þ F K (Pt) } @ /l \

· ¡ Ê ê 6 xÖ 6 xÓ o\ 1 ∼ 2 mm\ ¦ { y ¤ . ¿ º Ó ü t| 9 s _

\ P

¨ î + þ As s À Ò# Qt ¸2 ¤ 1 r ç ß ` ¦ ¿ º ¦ è ß + ', r 5 Å q ¸

\

¦ 9 rpm, $ í © 5 Å q ¸ H 0.65 mm/h Ð # ¹ ¢ ¤$ í % i .

$ í

© s = å Q è ß Ê ê 48r ç ß 1 l x î ß 20 ^◦ C/h _ 5 Å q ¸ Ð d ) Å Ò

%

3 [4]. Fig. 1 É r z ´+ « >\ " f 6 x ô Ç $ í © ` ¦ 2 ; © » ¡ ¤ 10 mm, é ß » ¡ ¤ 7 mm " é ¶ l Ñ ü æ + þ AI _ $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ Z } s 7 mm Ð É r כ ` ¦ Ð# Å Ò ¦ e Ü ¼ 9, s X O > ] j ) a Ò re ¦

É

r $ 3 F g: £ ¤$ í ` ¦ ¸ H X < 6 x ÷ &% 3 .

(3)

Fig. 2. The experimental system for measuring the X-ray induced spectra.

Fig. 3. The experimental system for measuring the en- ergy resolution.

2. ÷ m Ç] M ö X ê sR V R Ë

Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é ß & ñ _ µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¸ l 0

AK ) í Û ¼J $ _ : £ ¤$ í X- ` ¦ s 6 x ô Ç X-ray generator

6 x ÷ &% 3 Ü ¼ 9, Optical Fiber Spectrometer (QE65000)` ¦ s

6 x # µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i . Fig. 2 H µ 1 Ï F g Û ¼

&

7 à Ô! 3 ` ¦ ¸ l 0 Aô Ç z ´+ « > © q _ > hכ ¹ ¸s .

Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce é ß & ñ _ \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 õ \ - t

ì r K 0 p x ¸ \ ¦ 0 AK ¹³⁷ Cs` ¦ ~ ½ Ó " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x

%

i . 3 u F g7 £ x C ' a (Photomultiplier Tubes, PMT) (R6233 Hamamatsu Co.) \ Optical Grease\ ¦ s 6 x K é ß

& ñ ` ¦ Â Ò Ã Ì % i Ü ¼ 9 High Voltage Power Supply (OR- TEC 556)\ ¦ s 6 x # -1000 V_ · ú ` ¦ % i . µ 1 Ï Ò q

t ) a ñ H Shaping Amplifier (ORTEC 571)` ¦ 5 g 25 MHz FADC (25 MHz Flash Analog to Digital Converter) (NOTICE Co.)\ ¦ : x K n t _ O ñ Ð 7 ¦, X <s '

H ROOT l ì ø Í X <s ' S \ 1 p q, ì r$ 3 á Ô ÐÕ ªÏ þ ` ¦ s 6 x # PC \ $ © ¦ ì r$ 3 á Ô ÐÕ ªÏ þ Ü ¼ Ð ì r$ 3 > ) a [5].

Fig. 3 É r X <s ' S \ 1 p q õ & ñ ` ¦ ç ß é ß ô Ç > hכ ¹ ¸ Ð Ð# Å Ò ¦ e

. s Qô Ç õ & ñ ` ¦ : x K ì r$ 3 ` ¦ 2 ; X <s ' H \ -t Û

¼& 7 à Ô! 3 õ \ -t ì r K 0 p x` ¦ % 3 l 0 AK 6 x ÷ &% 3 Ü ¼ 9,

\

-t ì r K 0 p x É r FWHM (Full Width Half Maximum)

~

½ ÓZ O ` ¦ s 6 x # ° ú כ` ¦ ½ ¨ % i [6,7].

+ þ

AF g y W r ç ß õ α/β F g Ø ¦§ 4 q \ ¦ · ú Ðl 0 AK

· ú

¡" f / å L ô Ç ¸| õ 1 l x{ 9 > , PMT\ é ß & ñ ` ¦ Â Ò Ã Ì

#

· ú ` ¦ % i . y û Z r ç ß ` ¦ & ñ x 9 > 8 £ ¤& ñ l 0

AK sampling r ç ß s É r 400 MHz FADC (400 MHz Flash Analog to Digital Converter) (NOTICE Co.)\ ¦

Fig. 4. The experimental system for measuring the decay time and the α/β light ratio.

6 x % i ¦, ROOT l ì ø Í_ á Ô ÐÕ ªÏ þ ` ¦ s 6 x # ì r$ 3

%

i . Fig. 4 H 400 MHz FADC\ ¦ s 6 x ô Ç X <s ' S \ 1 p q õ

&

ñ ` ¦ ç ß | Ä Ì > Ð# Å Ò ¦ e .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

1. X- Ò Å ¥y ¢ ® o° Ë Ñ z ð ² â ì È

Figure 2 _ z ´+ « > © q \ ¦ s 6 x # 8 £ ¤& ñ ô Ç Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce é ß & ñ _ X- Ä » ¸ µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô

! 3

É r Fig. 5 \ " f Ð# Å Ò1 p w s 360 - 530 nm_ © # 3 0 A

\

" f a % v ¦ Z } É r Ä ºÛ ¼ (Gaussian) ì r í Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 .

s

µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 _ × æd © É r 418 nm Ð s z ´+ « >\ " f

6 x ) a 3 u PMT (R6233)_ ª ´ òÖ ¦ s Z } É r ©

% ò

% i õ { 9 u ô Ç .

2. ; c .U Ä Z ØA 0 Ö «

Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é ß & ñ _ \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 õ \ -t ì

r K 0 p x` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 A # é ß & ñ \ 662 keV_ \ -t

\

¦ y " é ¶ ( ¹³⁷ Cs)` ¦ 6 x % i . z ´+ « >` ¦ : x K % 3

É r 662 keV y \ _ ô Ç \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 É r Fig. 6 \

"

f Ð# t ¦ e Ü ¼ 9, 8 £ ¤& ñ ) a \ -t ì r K 0 p x É r 23% s .

3. ] k ù° Ë Ñ P c p7 û S m

& ñ _ + þ AF g y û Z r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i . Li ⁶ Lu(BO 3 ) 3 :Ce é

ß & ñ _ + þ AF g y û Z r ç ß É r · ú " é ¶ ( ²⁴¹ Am, 5486 keV

(4)

Fig. 5. (Color online) X-ray induced emission spectra of the Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce single crystal.

Fig. 6. (Color online) The energy resolution of the Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce single crystal.

· ú

{ 9 )õ y " é ¶ ( ¹³⁷ Cs, 662 keV y )\ @ /

#

y y 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . Fig. 7õ 8\ " f Ð# t H y û Zr ç ß

É r 400 MHz FADC\ ¦ : x K % 3 É r y y _ ñ\ ¦ y» ¡ ¤ ~ ½ Ó

¾ ÓÜ ¼ Ð ¾ º& h r v ¦, ¾ º& h ) a ñ_ Z } s y è H r ç

ß ` ¦ > í ß < ÊÜ ¼ Ð+ % 3 # Q& . { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð é ß & ñ _ + þ A F

g ñ H Õ ª Z } s / å L y y è l M :ë H \ y» ¡ ¤` ¦ log

° ú

כÜ ¼ Ð ³ ð & ³ < ÊÜ ¼ Ð+ y û Zr ç ß _ $ í ì r` ¦ S X H כ s Ä

»6 x . Fig. 7õ 8\ " f Ð# Å Ò1 p w : r é ß & ñ É r 2 t

$ í

ì r _ y û Zr ç ß ` ¦ t ¦ e Ü ¼ 9, y y _ $ í ì r É r y

\ @ /K " f H 36 ns (83%) ü < 182 ns (17%) Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3

¦ (Fig. 7), · ú { 9 \ @ /K " f H 32 ns (80%), 135 ns (20%) Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &# Q(Fig. 8) { 9 H ~ ½ Ó " é ¶ \

É

r y û Zr ç ß ` ¦ Ð# Å Ò% 3 . s Qô Ç s H · ú { 9 ü <

y

כ

Ü ¼ Ð+ s X O > É r y û Z r ç ß ` ¦ s 6 x # y y \ _ K

µ 1 ÏÒ q t÷ & H ñ_ ½ ¨Z > s 0 p x .

Fig. 7. (Color online) The decay time by ¹³⁷ Cs of the Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce single crystal.

Fig. 8. (Color online) The decay time by ²⁴¹ Am of the Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce single crystal.

4. α/β ° Ë Ñ û s ÚI í Ä R

· ú

¡" f / å L ÷ &% 3 1 p w, · ú { 9 ü < y É r é ß & ñ ? /\

"

f \ -t \ ¦ ² ú H õ & ñ s Ø Ô . · ú { 9 _ â Ä º

² ú ) a \ -t _ { 9 Â Òë ß s y n C_ + þ AI Ð ~ ½ ÓØ ¦ s ÷ &l M : ë

H \ z ´] j { 9 ô Ç · ú { 9 _ \ -t ü < 8 £ ¤& ñ ) a \ -t

Ø Ô> è ß . " f z ´] j { 9 ) a · ú { 9 _ { 9

\ -t \ ¦ S X l 0 AK " f H s \ ¦ Ð& ñ K × ¦ Ã º e H α/β F g Ø ¦§ 4 q ° ú כs 9 כ ¹ . s α/β F g Ø ¦§ 4 q H \

-t \ ¦ · ú ¦ e H · ú { 9 " é ¶` ¦ s 6 x # \ -t Û ¼

&

7 à Ô! 3 ` ¦ % 3 ¦, s \ ¦ r \ -t \ ¦ · ú ¦ e H y " é ¶

`

¦ : x K % 3 É r \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 õ q § < ÊÜ ¼ Ð+ ½ ¨½ + É Ã º e

[8]. · ú ¡" f y û Z r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK % 3 É r X <s '

\

¦ \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 _ + þ AI Ð ì r$ 3 # q §ô Ç õ

Fig. 9 \ e Ü ¼ 9, > í ß ) a α/β F g Ø ¦§ 4 q H 0.09 Ð 8

£ ¤& ñ ÷ &% 3 . s \ ¦ : x K { 9 ô Ç · ú { 9 \ -t _ 9%ë ß s

y n CÜ ¼ Ð ~ ½ ÓØ ¦ s ÷ & ¦ Qt 91%_ \ -t É r + þ A I

Ð è ÷ &% 3 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e .

(5)

Fig. 9. The comparison of energy spectrum of Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce single crystal with 662 keV energy and 5486 keV energy.

IV. + s Ç Â ] Ø

: r ½ ¨\ " f H íß ¼³ 1 ÏÛ ¼v ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ¹ ¢ ¤$ í ô Ç Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce é ß & ñ ` ¦ s 6 x # X- µ 1 Ï F g Û ¼

&

7 à Ô! 3 õ \ -t ì r K 0 p x, + þ AF g y û Z r ç ß , α/β F g Ø ¦§ 4 q

\ ¦ 8 £ ¤& ñ < ÊÜ ¼ Ð+ $ 3 F g Ø ¦ l Ð+ _ : £ ¤$ í ` ¦ ¸

% i .

×

\

@ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x É r 23% Ü ¼ Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . y

"

é

¶ õ · ú " é ¶ \ @ /ô Ç + þ AF g y û Z r ç ß É r 2 t $ í ì r Ü ¼ Ð 8

£ ¤& ñ ÷ &% 3 Ü ¼ 9 Å Ò y û Zr ç ß É r y y 36 nsü < 32 ns Ð 8 £ ¤& ñ

÷

&% 3 . ¢ ¸ô Ç · ú " é ¶ õ y " é ¶` ¦ s 6 x # α/β F g Ø

¦§ 4 q H 0.09 Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . : r é ß & ñ _ × æ$ í Ø ¦ l

Ð+ _ Ø ¦ $ í 0 p x É r S X t 3 l w % i Ü ¼ , é ß & ñ ? /

\

í < Ê÷ &# Q e H Li õ Bs × æ$ í ü < ì ø Í6 £ x # µ 1 ÏÒ q t

H · ú { 9 ü < l C â ~ ½ Ó Ü ¼ Ð 6 x H y

\

_ ô Ç ñ H y y _ y û Zr ç ß \ ¦ : x K ½ ¨Z > s 0 p x

< Ê` ¦ S X ½ + É Ã º e % 3 .

P

c p 8 ý ò k >

: r ½ ¨ H ô Ç² D G ½ ¨F é ß _ National Research Founda- tion of Korea (NRF) 2012M2B2A6030715 \ " f t " é ¶ ÷ &% 3 _

þ v m .

REFERENCES

[1] J. B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting (Pergamon Press, Oxford, 1964), Vol. 1, p.

70. [2] J. E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Pro- tection (John Wiley & Sons, New York, 1995), Vol.

1, p. 249.

[3] F. Yang, S. K. Pan, D. Z. Ding, X. F. Chen and H.

Fen et al., J. Cryst. Growth 312, 2411 (2010).

[4] Fawad Ullah, Ph.D. thesis, Kyungpook National Uni- versity, 2013.

[5] The ROOT Team, http://root.cern.ch/drupal/ (ac- cessed Nov. 25, 2013).

[6] S. J. Kang, H. Kim, M. Kim, J. So and G. Rooh et al., Sae Mulli 57, 47 (2008).

[7] J. H. So, H. J. Kim, H. Kang, H. Park and S. Lee et al., J. Korean Phys. Soc. 52, 925 (2008).

[8] G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement

(John Wiley & Sons, New York, 2000), Vol. 1, p. 228.

Scintillation Properties of the Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce(3%) Crystal

Scintillation Properties of the Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce(3%) Crystal

H. L. Kim · H. J. Kim ∗ · G. H. Chae · Ullah Fawad

Department Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea

J. H. So

Center for Underground Nuclear and Particle Astrophysics, Institute for Basic Science, Daejeon 305-811, Korea

(Received 13 December 2013 : revised 8 January 2014 : accepted 13 March 2014)

Scintillation crystals are used for detecting various particles and radiations and, hence, have great applications in the fields of nuclear, particle and medical physics. The Li

Lu(BO

)

:Ce

crystal has great potential for becoming a neutron detector due to the presence of

Li and

B, both of which interact with neutrons with relative ease. Moreover, the presence of lutetium in Li

Lu(BO

)

:Ce

leads to a high effective atomic number (Z

= 52) and high molecular weight (M.Wt = 393 g/mol), which make this crystal a potential candidate for X-ray and γ-ray detection. In order to investigate the possibility of using the Li

Lu(BO

)

:Ce

crystal as a scintillation detector, we measured its energy resolutions and decay times for irradiations with γ- and α-particles, the α/β light ratio and the X-ray-induced emission spectra.

PACS numbers: 29.40.Mc, 78.70.-g, 81.10.-h

Keywords: Li

Lu(BO

)

:Ce crystal, Scintillation crystal, Scintillation crystal growth

Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce(3%) V È° Ë Ñ + s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ  ¤V R Ë ì Å 

 »A j  Ð ·  » ý  ¡® £ ∗ · = ¦ Â 6 Ò · Ullah Fawad

 â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

 Ð^ ï B Ú

l

 íõ  < Æ  ½ ¨" é ¶ Ù þ { 9    ;^ Ó ü t o  < Æ t  z ´+ « >   ½ ¨é ß , @ /  305-811 (2013¸  12 Z 4 13{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2014¸  1 Z 4 8{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2014¸  3 Z 4 13{ 9  > F  S X & ñ )

 

& ñ $ 3 F g   Ø  ¦ l   H Ù þ Ó ü t o , { 9  Ó ü t o  x 9 _  < Æ ì  r  \ " f { 9  \  ¦   Ø  ¦   H X < V , o   6 x ) a .

Li

Lu(BO

)

:Ce

$ 3 F g   & ñ  É r ×  æ$ í   f  ¨ Ã º é ß   & h s   H o ½ ¢ § õ   Ð : r`  ¦  í < Ê  ¦ e  # Q ×  æ$ í     Ø  ¦

\

 æ ¼{ 9  Ã º e  `  ¦ ÷  r ë ß   m   Z ° ú כs   H À Ò_ ¸ o u " é ¶  è\  ¦  í < Ê  ¦ e  # Q X-  x 9 y       Ø  ¦ \  ¸  6 x

| ¨

c Ã º e   .   " f s     ½ ¨\ " f  H Li

Lu(BO

)

:Ce

  & ñ $ 3 F g   Ø  ¦ l  Ð+ _   Ö ¸6 x 0 p x$ í `  ¦ · ú 



 Ðl  0 AK  y    x 9 · ú    " é ¶ \  @ /ô  Ç \  -t  ì  r K 0 p x õ  x 9 y  û Zr ç ß , F g Ø  ¦§ 4 q ü < X-  `  ¦ s 6 x ô  Ç µ 1 Ï F

g : £ ¤$ í `  ¦   ½ ¨ % i  .

PACS numbers: 29.40.Mc, 78.70.-g, 81.10.-h

Keywords: Li

Lu(BO

)

:Ce é ß   & ñ , $ 3 F g   & ñ , $ 3 F g   & ñ $ í  © 

E-mail: [email protected] 271

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any

medium, provided the original work is properly cited.

$ 3

F g   & ñ  É r   & ñ _     < Ês   Ô  ¦í  HÓ ü t  Ð   K  #  Q \ 



-t   ½ × ¼ Ò q t$ í  ) a . ~ ½ Ó   s    ¦\  -t _  { 9  

{ 9

 ÷ &     @ /\ " f    -& ñ / B N`  ¦ Ò q t$ í  9    ¸@ / Ð

#

l   ) a        ¸@ /\ " f ¹ ¡ §f  s   $ 3 F g ×  æd  Ü ¼ Ð s  1

l

x #  r  F g  % ò % i @ /_  y n C`  ¦ ~ ½ ÓØ  ¦  9    @ / Ð b  

#

Qt >   ) a . s  Qô  Ç " é ¶ o  Ð   1 l x   H $ 3 F g   & ñ  É r ~ ½ Ó 



 s   { 9  _    Ø  ¦  © q  Ð  ª ô  Ç ì  r  \   6 x ÷ & ¦ e  

.  & ³F  NaI(Tl), CsI(Tl), Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO)1 p x #  Q  t

 $ 3 F g   & ñ [ þ t s  > hµ 1 Ï÷ &% 3   H X <   & ñ `  ¦ s À Ò  H Ó ü t| 9 _  7

á

x À Ó\     Õ ª : £ ¤$ í s  ² ú  t  9 #  Q z ´+ « >\ " f Õ ª : £ ¤$ í

Scintillation Properties of the Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce(3%) Crystal

H. L. Kim · H. J. Kim ^∗ · G. H. Chae · Ullah Fawad

Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce(3%) V È° Ë Ñ + s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë ì Å

»A j Ð · » ý ¡® £ ^∗ · = ¦ Â 6 Ò · Ullah Fawad

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

Ð^ ï B Ú

íõ < Æ ½ ¨" é ¶ Ù þ { 9 ;^ Ó ü t o < Æ t z ´+ « > ½ ¨é ß , @ / 305-811 (2013¸ 12 Z 4 13{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2014¸ 1 Z 4 8{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2014¸ 3 Z 4 13{ 9 > F S X & ñ )

& ñ $ 3 F g Ø ¦ l H Ù þ Ó ü t o , { 9 Ó ü t o x 9 _ < Æ ì r \ " f { 9 \ ¦ Ø ¦ H X < V , o 6 x ) a .

$ 3 F g & ñ É r × æ$ í f ¨ Ã º é ß & h s H o ½ ¢ § õ Ð : r` ¦ í < Ê ¦ e # Q × æ$ í Ø ¦

æ ¼{ 9 Ã º e ` ¦ ÷ r ë ß m Z ° ú כs H À Ò_ ¸ o u " é ¶ è\ ¦ í < Ê ¦ e # Q X- x 9 y Ø ¦ \ ¸ 6 x

c Ã º e . " f s ½ ¨\ " f H Li

& ñ $ 3 F g Ø ¦ l Ð+ _ Ö ¸6 x 0 p x$ í ` ¦ · ú

Ðl 0 AK y x 9 · ú " é ¶ \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ x 9 y û Zr ç ß , F g Ø ¦§ 4 q ü < X- ` ¦ s 6 x ô Ç µ 1 Ï F

g : £ ¤$ í ` ¦ ½ ¨ % i .

:Ce é ß & ñ , $ 3 F g & ñ , $ 3 F g & ñ $ í ©

F g & ñ É r & ñ _ < Ês Ô ¦í HÓ ü t Ð K # Q \

-t ½ × ¼ Ò q t$ í ) a . ~ ½ Ó s ¦\ -t _ { 9

÷ & @ /\ " f -& ñ / B N` ¦ Ò q t$ í 9 ¸@ / Ð

l ) a ¸@ /\ " f ¹ ¡ §f s $ 3 F g × æd Ü ¼ Ð s 1

x # r F g % ò % i @ /_ y n C` ¦ ~ ½ ÓØ ¦ 9 @ / Ð b

Qt > ) a . s Qô Ç " é ¶ o Ð 1 l x H $ 3 F g & ñ É r ~ ½ Ó

s { 9 _ Ø ¦ © q Ð ª ô Ç ì r \ 6 x ÷ & ¦ e

. & ³F NaI(Tl), CsI(Tl), Bi 4 Ge ₃ O ₁₂ (BGO)1 p x # Q t

$ 3 F g & ñ [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &% 3 H X < & ñ ` ¦ s À Ò H Ó ü t| 9 _ 7

x À Ó\ Õ ª : £ ¤$ í s ² ú t 9 # Q z ´+ « >\ " f Õ ª : £ ¤$ í

´ ú H $ 3 F g & ñ ` ¦ 6 x ¦ e . " f Ö ¸6 x ¸ Z }

É

r $ 3 F g & ñ _ > hµ 1 Ïs × æ כ ¹ [1].

: r ½ ¨\ " f H Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í

¦ $ 3 F g : £ ¤$ í ` ¦ ¸ % i . & ñ ? / À Ò_ ¸ o u (Lu) É r 393 g/mol _ Á º î r " é ¶ Ð Ó ü t| 9 _ x 9 ¸\ ¦ Z } # Å Ò 9, Z } É r Z

כ (52)` ¦ t ¦ e l M :ë H \ , ' ) a [ jµ ¢ § (Ce) õ < Êa X- õ y \ @ /ô Ç a % ~ É r $ 3 F g ´ òÖ ¦` ¦ l @ /½ + É Ã º e .

æ$ í _ â Ä º l & h Ü ¼ Ð × æ$ í s l M :ë H \ Ø ¦ s 6 x s

t · ú § . Li ⁶ Lu(BO 3 ) 3 :Ce $ 3 F g é ß & ñ \ H × æ$ í ü <

ø Í6 £ x é ß & h H o ½ ¢ § (Li) õ Ð : r (B) s í < Ê÷ &# Q e Ü ¼ 9, s X O > í < Ê÷ &# Q e H Li õ B É r × æ$ í ü < ì ø Í6 £ x #

{ 9 ü < y ` ¦ ~ ½ ÓØ ¦ ô Ç . s X O > Liõ Bs × æ$ í

ü < ì ø Í6 £ x H õ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t÷ & H · ú { 9 ü < y É r

r $ 3 F g é ß & ñ õ ì ø Í6 £ x # r F g % ò % i _ y n C` ¦ ~ ½ Ó Ø

¦ ¦, s y n C` ¦ F g7 £ x C ' a (PMT) x 9 F g G ' p" f 1 p x` ¦ : x K 8

£ ¤& ñ < ÊÜ ¼ Ð+ ç ß ] X & h Ü ¼ Ð × æ$ í \ ¦ Ø ¦ H כ s 0 p x

+ É כ Ü ¼ Ð l @ / ¦ e [2].

Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce \ ' a ô Ç ½ ¨ H F. Yang \ _ K % 6 £ § Ü

¼ Ð ½ ¨÷ &% 3 [3]. s ½ ¨\ " f H > hµ 1 Ï ) a > hµ 1 Ï ) a é ß

ñ _ X-Ray Diffraction (XRD) Á º] (ü < È Òõ $ í , X- Ä » ¸ µ

1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 õ Edinburgh FLS920` ¦ s 6 x ô Ç + þ AF g y û Z r

ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i t ë ß , : r ½ ¨\ " f H Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é

ß & ñ _ X- Ä » ¸ µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¸ # × æd

© % ò % i ` ¦ · ú Ð ¦, · ú ¡ ½ ¨\ " f 8 £ ¤& ñ t · ú § ¤~ y

" é ¶ \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ · ú { 9 ü < y " é ¶ y y

\ @ /ô Ç + þ AF g y û Zr ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i . ¢ ¸ô Ç · ú { 9

@ /ô Ç $ 3 F g ´ òÖ ¦` ¦ · ú Ðl 0 AK α/β F g Ø ¦§ 4 q \ ¦

6 £ § Ü ¼ Ð 8 £ ¤& ñ % i .

Fig. 1. (Color online) Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce single crystal used in this experiment.

II. Li ₆ Lu(BO ₃ ) ₃ :Ce m+ s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë ÷ m Ç] M ö X

ê sR

1. Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce m+ s ÇX N Ë8 ý V R ËX ê s

: r ½ ¨\ " f 6 x ) a Li 6 Lu(BO 3 ) 3 :Ce é ß & ñ É r íß ¼

1 ÏÛ ¼v ~ ½ ÓZ O ` ¦ s 6 x # $ í © ÷ &% 3 . a % ~ É r $ í 0 p x _ é ß

& ñ ` ¦ $ í © r v l 0 AK 99.99%_ ¦í H ¸ ì r ´ ú ` ¦ 6 x

% i . $ Li 2 CO ₃ , H ₃ BO ₃ , Lu ₂ O ₃ ` ¦ y y 25.277 g, 21.293 g, 22.687 gm [ O É r + ', s D ¥ ½ + ËÓ ü t \ Ce ¸i ç ` ¦ 0 A K

Ce(NO ³ ) 3 ·6H 2 O ì r ´ ú 0.743 g` ¦ ¸ ú D ¥ ½ + Ë # · ú À Òp

(Al 2 O ₃ ) ¸m ? /\ " f ì r ´ ú [ þ t` ¦ è r ( . è

)

a ì r ´ ú ` ¦ r ° ú ¤Ü ¼ 9, s õ & ñ ` ¦ 2 ì ø Í4 ¤ % i . s

¦ : x K ¸ ú [ O F « Ñ\ ¦ Ñ þ F K (Pt) ¸m \ V , ¦ s ¸

m \ ¦ íß ¼³ 1 ÏÛ ¼v Õ þ ! Q\ V , # Q ; ;y \ P ` ¦ Å Ò 9 0 l q% i

. ¸ ú D ¥ ½ + Ë ) a ì r ´ ú É r 865 ^◦ C \ " f 0 l q l r # 5 ∼ 10 r

ç ß 1 l x î ß " f" fy : r ¸\ ¦ Z } # " f 920 ^◦ C \ " f ¢ - a y 0 l q

¤Ü ¼ 9, é ß & ñ _ $ í © É r 900 ^◦ C s _ : r ¸\ " f s À Ò