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CsI:Tl V Ȱ Ë Ñ ‰ ˜ m+ s ÇX N Ë 5 ; c" e W ë sV R Ë Bragg Y ± Ž • ¤X N Ë© †Ê Ý Ã X Ø? _ õ u §z º S

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Academic year: 2021

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(1)

 5 Z 4, pp. 471∼476

CsI:Tl V Ȱ Ë Ñ ‰ ˜ m+ s ÇX N Ë 5 ; c" e W ë sV R Ë  Bragg Y ± Ž • ¤X N Ë©  †Ê Ý Ã X Ø? _ õ u §z º S

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Comparison of the Values of the Proton Bragg Peak Measured in a CsI:Tl Scintillation Crystal with the from Monte Carlo Simulations

Sang Jun Kang

School of Liberal Arts, Semyung University, Jechon 390-711 (Received 14 March 2012 : revised 5 April 2012 : accepted 7 May 2012)

We investigated the proton penetration depth in a CsI:Tl scintillation crystal in a well-defined environment. We irradiated the CsI:Tl scintillation crystal with proton beams and measured the proton penetration depth by using a Canon digital camera on which a charge-coupled device (CCD) had been mounted. We simulated the same situation by using the Monte Carlo simulation tool kit, SRIM and Geant4. We compared the experimental data with the simulation results. We also compared the experimental data with the results obtained by using the empirical rule known as the Bragg-Kleeman rule.

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc

Keywords: Bragg peak, Bragg-Kleeman, CsI:Tl, Stopping power

I. " e  ] Ø

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E-mail: [email protected]

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< ° ú  s    H  & h “   d ” Ü ¼– Ð ³ ð‰ & ³| ¨ c à º e ”   [1,2].

S = dE

dr = ze 2  2 4πZN m 0 V 2



ln 2m 0 V 2

I − ln(1 − β 2 ) − β 2

 (1)

#

Œl " f, V = βcü < ze  H y Œ •y Œ • { 9  { 9  _  5 Å q • ¸ü < „   

-471-

(2)

Fig. 1. Range-energy relation for protons in dry air at 15 C and 760 mm Hg press (Evans [5], 1955) [1].

| ¾

Ós “ ¦, m 0   H „   _  & ñ t | 9 | ¾ Ó, Zü < N“ É r y Œ •y Œ • & ñ t B 

| 9

(stopping material)_  " é ¶      ñü < é ß –0 A^ ‰& h { © œ " é ¶  _  Ã

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f z  ´+ « >& h Ü ¼– Ð   & ñ ÷ &  H & ñ t B | 9 _   © œÃ ºs  .

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  © œ@ / : r& h  % ò % i  ( 1 2 M V 3  M c 2 , # Œl " f M“ É r { 9   _

 & ñ t | 9 | ¾ Ós  )\ " f  H d ”  (1)\ " f β 2 `  ¦ Ÿ í† < Êô  Ç † ½ Ó[ þ t“ É r Á

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º e ”  .   " f q  © œ@ / : r& h   â Ä º\  d ”  (1)“ É r  A ü < ° ú   s

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0

V

2

ln 2m I

0

V

2

Ü ¼– Ð j þ t à º e ”

 .   " f { 9  { 9  _  B | 9 \ " f_  È Òõ  U  ·s \  ¦  6 £ § õ

 ° ú  s  j þ t à º e ”  .

dr = M z 2

m 0

4πe 4 1 ZN

V 3 dV ln 

2m

0

V

2

I

 . (2)

d ”

 (2)– РÒ'  { 9   { 9  _  M z

2

  Ø Ô“ ¦, œ íl  5 Å q • ¸ ° ú  

“ É

r ¿ º > h_  Á º î  r „  { 9  _  È Òõ  U  ·s  # 3 0 A_  q   H   6

£

§ õ  ° ú  s  j þ t à º e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ”   [1].

r 1

r 2 = (M/z 2 ) 1

(M/z 2 ) 2 (3) s

 d ” “ É r α { 9  ü < He 3 (z = 2“   { 9  ) , H 3 (triton), H 2 (deuteron) õ  p (proton) (z = 1“   { 9  ) [ þ t % ƒ! 3 , z° ú כ s

 ° ú  “ ¦ œ íl 5 Å q • ¸ ° ú  “ É r { 9  [ þ t  s _  q “ §\   H B Ä º

&

ñ S X ‰  .

Figure 1 \  15 C 1 l · ú š(760 mm Hg)_  | › ¸ô  Ç / B N l

 ×  æ \ " f € ª œ$ í  ü < · ú ˜  { 9  \  @ /ô  Ç % ò % i -\  -t  › ' a

>

 (range-energy relationship)\  @ /ô  Ç / B G‚  `  ¦ ˜ Ð# Œ Å Ò

“

¦ e ”  . s  › ' a >   H Bethe[3] ü < Jess and Sadauski [4]

1950¸  \  % 3 “ É r s  : r& h  X <s ' ü < z  ´+ « > X <s ' \  ¦ › ¸½ + Ë 

#

Œ 1955¸   Evans [5] Ä »• ¸ % i   [1]. s  È Òõ  % ò % i -\ 



-t  › ' a >  / B G‚  “ É r  A  d ” Ü ¼– Ð Å Ò# Qt   H z  ´+ « >Z O g Ë :\  _  K

 €  • 200 MeV & ñ • ¸_  Z  }“ É r \  -t  % ò % i  t  S X ‰  © œ # Œ



6   x ½ + É Ã º e ”   [1]:

r p = 100  E p 9.3

 1.8

. (4)

#

Œl " f r p   H 15 C 760 mm Hg · ú š§ 4  _  / B N l  ×  æ \ " f € ª œ

$ í

  ”  ' Ÿ    H % ò % i  (U  ·s )– Ð" f é ß –0 A  H cm s “ ¦, E p   H

€

ª œ$ í  _  \  -t – Ð" f é ß –0 A  H MeV s   [1].

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% ò % i õ    É r Ó ü t| 9 \ " f_  È Òõ  % ò % i  s _  & ñ S X ‰ ô  Ç & ñ

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r & ñ t  Ó ü t| 9 [ þ t  s _   © œ@ /& h  " 3 » ¡ §0 p x§ 4 “ É r { 9  _  { 9   5

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½ + É M :, Å Ò# Q”   { 9   \  -t \  ¦ t   H { 9   $ 3 F gÓ ü t| 9 

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 È Òõ  U  ·s  dr“ É r é ß –0 A^ ‰& h { © œ " é ¶   à º“   " é ¶   x 9 • ¸ N (N = ρN A /A, # Œl " f ρ  H | 9 | ¾ Óx 9 • ¸, N A   H  ˜ Ð× ¼– Ð Ã

º, A  H " é ¶  | ¾ Ó s  )õ  " é ¶   { © œ " 3 » ¡ §0 p x§ 4 _  Y  L \  ì ø Íq  Y

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» ¡ §0 p x§ 4 `  ¦ · ú ˜“ ¦ e ” `  ¦  â Ä º Bragg-Kleeman Z O g Ë :“ É r  A  _

 d ” Ü ¼– Ð Å Ò# Q”   :

1 N c

 dE dr



c

= X

i

W i

1 N i

 dE dr



i

. (5)

#

Œl " f N“ É r " é ¶  _  x 9 • ¸ s “ ¦ dE dr “ É r ‚  + þ A " 3 » ¡ §0 p x§ 4 s  9, W i   H  A  ' ‘   c– Ð ³ ð‰ & ³ô  Ç ½ + Ë$ í (¢ ¸  H ™ D ¥ ½ + Ë) B | 9 _  i$ í ì

 r _  " é ¶    ¹ 1 ϧ 4  s  . \ V\  ¦ [ þ t # Q í ß – o oF K5 Å q _  " 3 » ¡ § 0 p x

§ 4

“ É r í  H à ºô  Ç í ß –™ è_  ‚  + þ A " 3 » ¡ §0 p x§ 4 õ  í  H à ºô  Ç F K5 Å q _  " 3 

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§0 p x§ 4 \  @ /ô  Ç 1 l qw n & h “   X <s ' [ þ t – РÒ'  d ”  (5)\  ¦ s 6   x

# Œ ½ ¨½ + É Ã º e ”  . y Œ • $ í ì  r Ó ü t| 9 \  @ /ô  Ç { 9   { 9  _  È Ò õ

 % ò % i \  @ / # Œ · ú ˜ à º e ” “ ¦, dE/dr_  / B G‚   — ¸€ ª œs  Ó ü t

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_  7 á x À Ó\  Á º › ' a >     t  · ú §  H  €  , ½ + Ë$ í B | 9 \ " f _

 È Òõ  % ò % i `  ¦  6 £ § _  d ” Ü ¼– Ð > í ß –½ + É Ã º e ”    H  כ s  · ú ˜



94 R e ”   [2,6]:

r c = M c P

i n i (A i /r i ) . (6)

#

Œl " f r i   H i $ í ì  r Ó ü t| 9 \ " f_  È Òõ  % ò % i s “ ¦, n i ü < A i   H Õ

ª ½ + Ë$ í Ó ü t| 9 _  ì  r  \ " f i $ í ì  r Ó ü t| 9  " é ¶  _  à ºü < " é ¶  

|

¾ Ó s “ ¦, M c   H ½ + Ë$ í Ó ü t| 9 _  ì  r  _  | 9 | ¾ Óà º s  .

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Œ

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`

 ¦ M :  H, { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð Bragg-Kleeman Z O g Ë :s  “ ¦ Â ÒØ ԍ  H



A _  d ” `  ¦ + ‹" f Õ ª ° ú כ`  ¦ \ V8 £ ¤ ½ + É Ã º e ”  :

r 1 r o

= ρ 0 √ A 1 ρ 1

√ A 0

. (7)

(3)

Table 1. Parameters For Some Scintillators (Equation (8) and (9)) [1].

Scintillator Formula √

A ρ(gcm

−3

) K(10

−4

) Anthracene C

14

H

10

3.04 1.25 7.79 trans-Stilbene C

14

H

12

2.98 1.16 8.21 Toluene (solution) C

7

H

18

2.85 0.87 10.49

Polyvinyltoluene

(solution) (C

9

H

10

)

n

2.87 1.06 8.65 Sodium iodide NaI 9.34 3.67 8.14 Cesium iodide CsI 11.40 4.51 8.09 Zinc sulphide ZnS 7.07 4.10 5.52

#

Œl " f, ρü < A  H x 9 • ¸ü < " é ¶  | 9 | ¾ Ó`  ¦ > p w “ ¦, ' ‘   0õ  1“ É r " f– Ð   É r f  ¨ à º B | 9 `  ¦ ì ø Í% ò “ ¦ e ”  . ½ + Ë$ í Ó ü t| 9 õ 

¢

¸  H ™ D ¥ ½ + Ë Ó ü t| 9 [ þ t • ¸ ° ú  “ É r Z O g Ë :`  ¦  Ø Ô  H X <, ½ + Ë$ í ¢ ¸  H ™ D ¥

½

+ Ë Ó ü t| 9 _  Ä »´ ò " é ¶  | ¾ ӓ É r  A _  d ” Ü ¼– Ð j þ t à º e ”  [1]:

A = n 1 A 1 + n 2 A 2 + · · · n 1

√ A 1 + n 2

√ A 2 + · · · . (8)

#

Œl " f, n 1 , n 2 · · · [ þ t“ É r ½ + Ë$ í Ó ü t| 9  ì  r  \ " f " é ¶  | ¾ Ós  A 1 , A 2 · · · “   $ í ì  r" é ¶  [ þ t _  " é ¶   à º_  q Ö  ¦ s  . 15 C 760 mm Hg · ú š§ 4  _  / B N l \  ¦ l ï  r Ó ü t| 9 – Ð   H  â Ä º(' ‘   0)

√ A 0 = 3.82 s “ ¦, ρ 0 = 1.226 × 10 −3 gcm −3 s  .   

"

f Bragg-Kleeman Z O g Ë :“ É r  6 £ § õ  ° ú  s  ç ß –é ß –y  j þ t à º e ” 



:

r = 3.2 × 10 −4

√ A ρ r air .

= Kr air (9)

#

Œl " f r air   H l ï  r Ó ü t| 9 “   15 C 760 mmHg · ú š§ 4  _  /

B

N l  ? /\ " f € ª œ$ í   È Òõ    H % ò % i  (U  ·s )s “ ¦, r“ É r / B N l

     Ä »´ ò " é ¶  | ¾ Ós  √

A“   e ” _ _  Ó ü t| 9 \ " f_  € ª œ

$ í

 _  È Òõ  % ò % i  (U  ·s ) s  . s  þ j@ / È Òõ  % ò % i  (U  ·s )

\

 ¦ Bragg x ß ¼ (Bragg peak) “ ¦ ô  Ç . Y > Y > ×  æ כ ¹ô  Ç $ 3  F

gÓ ü t| 9 \  @ / # Œ · ú ˜ 9”   B > h  à º K  H Table 1 \  Å Ò# Q 4

R e ”   [1].

II. S ö o Ú7 _T  Ó Å õ m Í ÷ m Ç] M ö

$ 3

F g é ß –  & ñ “ É r Ù þ ˜ x 9 “ ¦\  -t  { 9   Ó ü t o † < Æ, …  ;^ ‰ Ó ü t o

† < Æ, _ † < Æ % ò  © œ 1 p x # Œ Q ì  r  " f V , o  æ ¼s “ ¦ e ” “ ¦, Õ ª 6

 

x • ¸  H & h & h  7 £ x  “ ¦ e ”  . ‘ : r z  ´+ « >\ " f  H Õ ª Qô  Ç $ 3 F g é

ß –  & ñ ×  æ \ " f• ¸  © œ €  $  > hµ 1 Ï  ) a  כ [ þ t ×  æ _   s “ ¦ Ù þ

˜, { 9  Ó ü t o  z  ´+ « > x 9 ~ ½ Ó ‚    Ž Ø  ¦ \  ´ ú §s  æ ¼s “ ¦ e ”   H

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1 ϵ ¢ §`  ¦  Ö ¸$ í ] j(0.3 mole % s  )– Ð ' ‘ ô  Ç כ ¹× ¼ o[ j¸ o u

Fig. 2. (Color online) Comparison of the data of simula- tion by using SRIM and Geant4 simulation toolkit and that of the curve of Eq. (4).

Fig. 3. (Color online) The CsI:Tl scintillation crystal sample shielded by 1-mm thick lead plates.

(CsI:Tl) $ 3 F g  & ñ \ " f € ª œ$ í  _  Bragg x ß ¼\  ¦ 8 £ ¤& ñ 

%

i  . Õ ª 8 £ ¤& ñ ° ú כ[ þ t s  d ”  (9)– Ð Å Ò# Qt   H Bragg-Kleeman Z O

g Ë :õ  ¸ ú ˜ ´ ú   H t , Õ ªo “ ¦  7 H _ … \  ¦ – Ð r Ó ý t Y Us ‚   Ú  ¦( — ¶

“

  Geant4 x 9 SRIM [7]_  r Ó ý t Y Us ‚     õ \  ¦ q “ § % i 



.

1. Œ Ÿ «M  5 ; c" e W ë sV R Ë 8 ý š ¼Ê ÝW _ ËW Ä-; c .U  å ¾ Ë4 

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_  È Òõ  % ò % i -\  -t  › ' a > \  @ /ô  Ç z  ´+ « >Z O g Ë :õ  ( Ž É Ó'  r

Ó ý t Y Us ‚   Ú  ¦( — ¶“   SRIMõ  Geant4 [8]_  r Ó ý t Y Us ‚      õ

 Ä ºo  z  ´+ « > “ ¦    H € ª œ$ í  _  \  -t  % ò % i “   5 MeV \ " f 45 MeV  s \ " f \ O    ¸ ú ˜ { 9 u    H t  S X ‰ “  

l  0 A # Œ r Ó ý t Y Us ‚     õ ü < d ” (4)_  Õ ªA á Ô\  ¦ q “ §

# Œ ˜ Ѐ Œ ¤ . Fig. 2\  ˜ Ð% i 1 p w s  d ” (4)– Ð Å Ò# Qt   H € ª œ$ í



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 ¦( — ¶\  _ ô  Ç r Ó ý t Y Us ‚     õ  ¸ ú ˜ { 9 u    H  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”

 . Fig. 2\ " f Ô  „“ É r & h ‚  “ É r d ”  (4)_  / B G‚  s “ ¦, ê ø Í Ò 

o ∗ ³ ðr   H SRIM r Ó ý t Y Us ‚     õ s “ ¦ Ô  „“ É r + ³ ðr   H

Geant 4 _    õ s  .

(4)

Fig. 4. (Color online) The schematics of the experimental setup.

2. ÷ m Ç] M ö X ê sV   ŒV R Ë

Ä

ºo   H 7 × 7 × 13 (mm 3 ) ß ¼l _  f ”  ¹ ¢ ¤€  ^ ‰_  CsI:Tl

$ 3

F g é ß –  & ñ Ò  re  ¦`  ¦ ï  r q  “ ¦, Fig. 3\  ˜ Г    ü < ° ú  s ,

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ª œ$ í   c ” _  ”  ' Ÿ ~ ½ ӆ ¾ Óõ  ¨ î ' Ÿ  >  ¹ ¢ ¤€  ^ ‰\  ¦ C u  “ ¦, c ”

õ  à ºf ”  ~ ½ ӆ ¾ ӓ   ô  Ç €  `  ¦ ] jü @ô  Ç 5 €  `  ¦ 1 mm ¿ ºa _ 

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X O >  ï  r q   ) a é ß –  & ñ Ò  re  ¦`  ¦ ô  Dz D G " é ¶  § 4  _ † < Æ" é ¶ (KI- RAMS) _  MC-50  s 9 þ t – Ðà ԏ : r _  € ª œ$ í   c ” `  ¦ › ¸  €  

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x # Œ O É Œ% ò % i   [9]. MC-50  s 9 þ t – Ðà ԏ : r“ É r 45 MeV ü

< 35 MeV_  î  r1 l x \  -t \  ¦ t   H € ª œ$ í   c ” `  ¦ µ 1 ÏÒ q tr 

~ 

´ à º e ”   H € ª œ$ í   5 Å q l s  . Ä ºo _  z  ´+ « >\ " f  H 45 MeV _  € ª œ$ í   c ” `  ¦ s 6   x % i  . MC-50  s 9 þ t – Ðà ԏ : r _

 c ”  s á Ô_  = å Q \   H 2 mm ¿ ºa _  · ú ˜À Òp ³ o u ‚ ½ Ós  e ” 



. Fig. 4\  ˜ Г    ü < ° ú  s , s  ‚ ½ Ó\ " f Ò'  190 cm   o

\  ï  r q ô  Ç Ò  re  ¦`  ¦ Z  ~ “ ¦, c ”  \  -t \  ¦ ×  ¦ s   H · ú ˜À Òp ³ o u degrader\  ¦ 0 mm \ " f 3 mm  t  1.0 mm m ”  7 £ x r v 

€

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g é ß –  & ñ \ " f ~ ½ ÓØ  ¦ ÷ &  H + þ AF g`  ¦ H  7 H EOS 350D n t _ O 

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Fig. 5. (Color online) The pictures taken at 190 cm apart from the end of beam pipe with irradiating 45-MeV 1 nA proton beam which penetrated a aluminium degrader of thickness of 0-mm(no degrader), 1-mm, 2-mm, and 3-mm in the middle of the path.

Fig. 6. (Color online) Image analysis of the pictures taken through the experiment by using the software Im- age J 1.44.

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(5)

Table 2. The values of proton Bragg peak of crystal for various proton energies.

Proton Energy P-Range in Air Depth in CsI Depth in CsI Depth in CsI K

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(Exp) K

00

(SRIM) K (B-K) ; Ÿ ¤ i ” ! s q U  ·s  i ” ! s q (MeV) (cm) (B-K) (cm) (Srim) (cm) (Exp) (cm) (× 10

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) (× 10

−4

) (× 10

−4

)

8.9 92.4 0.0747 0.0650 0.0622 6.73 7.04 8.09 90 8

16.2 271.6 0.2197 0.1560 0.1556 5.73 5.74 8.09 90 20

21.7 459.6 0.3718 0.2470 0.2411 5.25 5.37 8.09 90 31

23.7 538.6 0.4357 0.2860 0.2567 4.77 5.31 8.09 90 33

26.2 645.2 0.5219 0.3250 0.2956 4.58 5.04 8.09 90 38

28.1 731.8 0.5920 0.3770 0.3578 4.89 5.15 8.09 90 46

32.0 924.7 0.7481 0.4680 0.4356 4.71 5.06 8.09 90 56

35.6 1120.3 0.9063 0.5590 0.5522 4.93 4.99 8.09 90 71

Fig. 7. (Color online) The proton range-energy curve of the CsI:Tl scintillation crystal. The data show the dif- ferences between the results of calculated by using the Bragg-Kleeman rule, by using SRIM simulation, and ob- tained by experimental measurement.

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[1] J. B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting (Pergamon Press, Oxford, London, Edin- burgh, New York, Toronto, Sydney, Paris, Braun- schweig, 1967).

[2] G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3rd ed. (John Wiley & Sons, New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Toronto, 2000).

[3] H. A. Bethe, Rev. Mod. Phys. 22, 213 (1950).

[4] W. P. Jesse and Sadauskis, J. Phys. Rev. 78, 1 (1950).

[5] R. D. Evans, The Atomic Nuclus (McGraw-Hill Book Co. Inc. New York, 1955).

[6] G. Cesini, G. Lucarini and F. Rustichelli, Nucl. In- strum. Meth. 127, 579 (1975).

[7] http://www.srim.org/SRIM/SRIM2011.htm#SRIM [8] S. Agostinelli et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.

Res. Sect. A 506, 250 (2003).

[9] http://www.canon.co.uk/For Home/Product Finder

/Cameras/Digital SLR/EOS 350D/.

수치

Fig. 1. Range-energy relation for protons in dry air at 15 ◦ C and 760 mm Hg press (Evans [5], 1955) [1].
Fig. 3. (Color online) The CsI:Tl scintillation crystal sample shielded by 1-mm thick lead plates.
Fig. 5. (Color online) The pictures taken at 190 cm apart from the end of beam pipe with irradiating 45-MeV 1 nA proton beam which penetrated a aluminium degrader of thickness of 0-mm(no degrader), 1-mm, 2-mm, and 3-mm in the middle of the path.
Table 2. The values of proton Bragg peak of crystal for various proton energies.

참조

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