Ò â @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Â Òí ß 608-737

(1)

CeCl 3 m+ s ÇX N Ë8 ý ° Ë Ñ õ m Í V È° Ë Ñ ¤V R Ë

|

¡S ý ¡

Â

Ò â @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Â Òí ß 608-737

»| ¡) ç

@

/½ ¨@ / < Æ § Ó ü t o §¹ ¢ ¤ < Æõ , â í ß 713-714

») ç Z 9

∗

@

/½ ¨ Ð| @ / < Æ ~ ½ Ó õ , @ /½ ¨ 702-722

' Ö

< . > Ú · : c . > · » T Ö h · » ý ¡® £ · ~ ç ¡r ) ò 6 B

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701 (2006¸ 3 Z 4 24{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl

³

$ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦, ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ F g x 9 $ 3 F g: £ ¤$ í ` ¦ ¸

%

i . ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ © Ã º H y y a = b = 7.45 ˚ A, c = 4.31 ˚ A s % i Ü ¼ 9, & ñ ½ ¨ ¸ H ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó& ñ > s

% 3 . µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 _ © # 3 0 A H 320 ∼ 470 nms % 3 ¦, x ß ¼ © É r 365 nms % 3 . Õ ªo ¦ µ

1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¿ º > h_ Ä ºr î ß x ß ¼ Ð ½ ¨$ í % i ` ¦ M : x ß ¼ © É r y y 337.3 nm, 365.2 nms % 3

¦, ¿ º x ß ¼_ \ -t s H 2,500 cm

⁻¹

s % 3 . + þ AF g y û Z/ B G É r 15.5 ns (71.4 %) _ É r $ í ì r õ 1.7 µs (28.6 %) Ö ¼ 2 ; $ í ì r Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3 . Õ ªo ¦

¹³⁷

Cs (662 keV) \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x É r 8.0

% s % 3 ¦,

²¹⁰

Po 5.3MeV α { 9 \ @ /ô Ç α/β q H 0.183s % 3 .

PACS numbers: 29.40.Mc

Keywords: CzochralskiZ O , µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y û Zr ç ß , \ -t ì r K 0 p x, α/βq

I. " e Â ] Ø

Ce ³⁺ s : r É r 4f - 5d s \ _ K 300 ∼ 500 nm_

© % ò % i \ " f + þ AF g y û Zr ç ß s Â ú ª É r µ 1 Ï F g s Ò q t| . Õ ª QÙ ¼

Ð þ j H \ H F gØ ¦§ 4 s ß ¼ ¦, + þ AF g y û Zr ç ß s Â ú ªÜ ¼ 9, x 9

¸ H $ 3 F g ^ \ ¦ ] j l 0 AK Å Ò Ð Ce ³⁺ \ ¦ Ö ¸$ í ] j Ð '

ô Ç $ 3 F g ^ YAlO 3 : Ce [1,2], YAG : Ce [3], Lu 2 SiO 5

: Ce [4,5], LaCl ₃ : Ce [6,7], LaBr ₃ : Ce [8,9], CsGd ₂ F ₇ : Ce ³⁺ [10] 1 p x õ cerium> o½ + ËÓ ü t CeF 3 [11,12], CeCl 3

[13] $ 3 F g ^ 1 p x s ´ ú §s ½ ¨÷ & ¦ e .

CeF 3 H x 9 ¸ (ρ = 6.16 g/cm ³ ) ß ¼ ¦, + þ AF g y û Zr ç ß s

Â ú ªÜ ¼ 9, ~ ½ Ó $ ½ Ó (radiation resistance)s ß ¼Ù ¼ Ð

¦\ -t Ó ü t o < Æ z ´+ « >\ 6 x l 0 AK ´ ú § É r ½ ¨ ' K

& . ì ø Í \ CeCl ³ H x 9 ¸ 3.90 g/cm ³ Ü ¼ Ð © @ /& h Ü

¼ Ð ± ú ¦, f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð 2 [/ å L H X < # Q 9¹ ¡ § s e

#

Q Õ ª 1 l x î ß ' a d s & h % 3 .

∗

E-mail: [email protected]

: r ½ ¨\ " f H CeCl 3 é ß & ñ _ $ 3 F g: £ ¤$ í ` ¦ ¸ l 0

AK Czochralshi ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl ³ é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦,

¹

¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ # l x 9 µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y û Zr ç ß , α/β q x 9 γ- \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ q Y V/ B G 1 p x` ¦ 8 £ ¤

&

ñ % i .

II. ÷ m Ç ] M ö

1. CeCl 3 m+ s ÇX N Ë Õ ×V R Ë

: r z ´+ « >\ " f CeCl 3 é ß & ñ [ þ t É r Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð

¹

¢ ¤$ í % i . CeCl ³ ì r ´ ú É r f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð z ´+ « >

H 1 l x î ß \ / B N l ÐÂ Ò' Ä »{ 9 ) a Ô ¦í HÓ ü t (H 2 O, CO 2 1 p x) õ CeCl ₃ ì r ´ ú \ í < Ê÷ &# Q e H 6 £ § s : r Ô ¦í HÓ ü t 1 p x` ¦ ] j

l 0 A # " é ¶ « Ñì r ´ ú ` ¦ : r ¸ 80 ^◦ C, 10 ⁻² Torr _ / B N 5

Å

q \ " f 120ì r ç ß | ¸r Ê ê 6 xÖ 6 x % i .

½

+ É s × ¼> Ó ü t| 9 Ð ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ $ 3 F g ^ _ F gØ ¦§ 4 , F

g È Òõ Ö ¦ x 9 \ -t ì r K 0 p x 1 p x É r & ñ B > h Ã º (Ø ¦ µ 1 ÏÓ ü t

-530-

(2)

Fig. 1. Photograph of grown CeCl3 single crystal.

| 9

_ % o , ¹ ¢ ¤$ í ~ ½ ÓZ O , ¹ ¢ ¤$ í ì r 0 Al , & ñ r 5 Å q ¸, © 5 Å q

¸ x 9 \ P % o 1 p x) ü < x 9 ] X ô Ç ' a > e . Õ ªo ¦ $ í © >

_ : r ¸l Ö ¦ l ß ¼ & ñ ? /\ / B N , ç ß " é ¶ ,

0 A x 9 void 1 p x # Q t < Ê` ¦ ´ ú §s µ 1 ÏÒ q tr v 9, é

ß & ñ _ ¾ ¡ §| 9 ` ¦ $ r . ¢ ¸ô Ç s Qô Ç é ß & ñ [ þ t É r

~

½ Ó < H © ` ¦ ¸ ú ~ Ã ÎÜ ¼ 9, F g È Òõ Ö ¦ x 9 F gÒ q t$ í Ö ¦ 1 p x s $

) a .

: r z ´+ « >\ " f H & ñ ¹ ¢ ¤$ í r CeCl ³ _ 7 £ x µ 1 Ï` ¦ } l 0 A

#

Õ þ ! Q? / Ø Ô 4 H l ^ _ · ú § 4 ` ¦ 2 atm Ü ¼ Ð Ä »t % i .

Õ

ªo ¦ $ í © > _ : r ¸ o\ ¦ þ j è Ð l 0 A # Ñ þ F

K ¸m ü @Â Ò\ $ 3 % ò ' a, · ú À Òp ' a x 9 · ú À Òp Ì º, á Ü

¼ Ð y " f & ñ $ í © > Å Ò0 A_ : r ¸ l Ö ¦ l \ ¦ >

% i . © 5 Å q ¸ü < & ñ r 5 Å q ¸ H ¹ ¢ ¤$ í H é ß & ñ _ t

2 £ § \ Ø Ôt ë ß : r z ´+ « >\ " f H y y 3 mm/h x 9 15 rpm Ü ¼ Ð % i . é ß & ñ _ f â É r : r ¸ Ð ] j# Q % i Ü

¼ 9, @ /| Ä Ì Ñ þ F K ¸m f â _ 1/2 & ñ ¸ Ð % i . ¢ ¸ô Ç

& ñ $ í © íl \ < Ê_ ~ ½ Ót ü < & ñ $ í © » ¡ ¤ Ü ¼ Ð_

$ í

© ` ¦ Ä » ¸ l 0 AK 3 l q` ¦ ë ß [ þ t% 3 .

Fig. 1 É r : r z ´+ « >\ " f ¹ ¢ ¤$ í ô Ç CeCl 3 é ß & ñ ` ¦ · p

. ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ ß ¼l H f â 16 mm, U ´s 40 mm

&

ñ ¸% i Ü ¼ 9, CeCl 3 é ß & ñ [ þ t É r f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð Ð ' a

½

+ É M : H é ß & ñ ³ ð \ z ´o B H l 2 £ §` ¦ Ø Ô ¦ X <r H s à

Ô 5 Å q \ Ð ' a % i .

2. S Å< gX c l õ m Í ¤X N Ë

: r z ´+ « >\ " f H γ- ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK r

¼

# ` ¦ 1 cm ³ Ð ] X é ß % i . Õ ªo ¦ CeCl ³ é ß & ñ É r f ¨_ þ v

$ í

s e Ü ¼Ù ¼ Ð $ 3 Ä »\ Al 2 O ₃ (0.02 µm)ì r ´ ú ` ¦ [ O É r Ê ê polishing cloth (Buehler, No. 40-7218) 0 A\ " f r ¼ # _ ¸

Fig. 2. X-ray diffraction patterns of grown CeCl ₃ crystal.

H ` ¦ % i . { 9 ~ ½ Ó \ _ K é ß & ñ $ 3 F g ^

?

/\ " f µ 1 ÏÒ q tô Ç y n C` ¦ F g 7 £ x C ' a \ | 9 5 Å q r v ¦, F g < H z

´` ¦ þ j@ /ô Ç } l 0 A # γ- \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 8 £ ¤& ñ 6 x r

¼ # _ \ P õ À » É r polytetrafluoethylene (PTFE) _ s

á Ô\ ¦ ì ø Í ^ Ð 6 x # 6 y ¤ . ¢ ¸ô Ç CeCl ₃ é ß

&

ñ $ 3 F g ^ F g 7 £ x C ' a _ ½ Óõ f ] X ] X 5 Å q < ÊÜ ¼ Ð K

Ò q tU ´ Ã º e H é ß & ñ $ 3 F g ^ ³ ð _ < H © ` ¦ } ¦, _ þ v l

\ ¦ ~ ½ Ót l 0 A # r ¼ # _ x 9 ` ¦ r ó ø Í ¦ e H % i

oq u ´Ã ºt Ð 1 r y ¤ . s % i oq u ´Ã ºt _ F gf ¨ Ã º H 200 ∼ 800 nm s \ " f 2 %& ñ ¸% i Ü ¼ 9, : £ ¤& ñ © \

"

f_ f ¨ Ã º{ H \ O % 3 .

¹

¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ $ 3 F g ^ _ # l x 9 µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 É r Flu- orescence spectrometer (HITACHI u-3210) Ð 8 £ ¤& ñ % i

. ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 õ + þ AF g y û Zr ç ß É r RbCs F g 7 £ x C

'

a (Electron tube Ltd. D726Uk)` ¦ 6 x ô Ç ` O Û ¼Z } s ì r

$

3 © u (pulse height analysis system) Ð 8 £ ¤& ñ % i . F g

7 £ x C ' a \ " f : r ñ H f ] X ] j ô Ç 7 £ x; ¤ l \ ¦ 6

x # 7 £ x; ¤ ô Ç Ê ê 500 MHz FADC (flash analog to digital converter)\ ¦ 2 ; Ê ê ROOT á Ô ÐÕ ªÏ þ ` ¦ 6 x # ì r$ 3

% i Ü ¼ 9, à Ôo (trigger) H FPGA (field programmable gate array) } 9 ` ¦ 6 x % i . z ´+ « >\ 6 x ô Ç γ- " é ¶ É r

137 Cs (10 µCi), ⁵⁴ Mn (1 µCi) x 9 ²² Na (1 µCi) s % 3 .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

1. XRD Ä Z ØV Ä

¹

¢ ¤$ í ô Ç CeCl 3 é ß & ñ _ & ñ ½ ¨ ¸ü < © Ã º\ ¦ S X

l 0 A # XRD (X-ray diffraction)Z O Ü ¼ Ð & ñ ì r ´ ú _

X- r] X © ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i . s M : 9 F ' pà Ô À Ó H 30

(3)

mA, 5 Å q · ú É r 40 kV s % 3 ¦, Å Ò 5 Å q ¸ H ì r { © 2.4 ^◦ Ð

% i Ü ¼ 9, 2θ y É r 20 ^◦ \ " f 80 ^◦ t % i . 8 £ ¤& ñ ô Ç r] X Á

º] ( H Fig. 2 \ " f Ð H ü < ° ú s (100), (110), (101), (200), (111), (201), (210), (002), (300), (211), (220), (131), (302), (231), (203), (213) 1 p x \ " f x ß ¼ z ¤

. s Miller t Ã º (hkl) ° ú כ[ þ t É r JCPDS × ¼_ ° ú כõ ¸ ú { 9

u Ù ¼ Ð ¹ ¢ ¤$ í ô Ç CeCl 3 é ß & ñ É r UCl 3 ü < ° ú É r & ñ ½ ¨

¸\ ¦ t 9, ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó& ñ > P 6 3/m / B N ç ß ç H \ 5 Å q < Ê` ¦ S X ½ + É Ã

º e % 3 . Õ ªo ¦ XRD ì r$ 3 ` ¦ : x K > í ß ô Ç © Ã º H y

y a = b = 7.45 ˚ A, c = 4.31 ˚ A s % 3 .

2. # bM õ m Í ® o° Ë Ñ z ð ² â ì È

Fig. 3 É r z ´ : r \ " f 8 £ ¤& ñ ô Ç CeCl ₃ _ # l x 9 µ 1 Ï F g Û ¼

&

7 à Ô! 3 s . Ce ³⁺ s : r _ 4f ¹ → 4f ⁰ 5d ¹ s \ _ K µ 1 Ï F

g ô Ç . # l F g _ © ` ¦ 355 nm Ð # 8 £ ¤& ñ ô Ç µ 1 Ï F g Û ¼

Fig. 3. Excitation and emission spectra of CeCl ₃ crystal at room temperature.

Fig. 4. Scintillation decay time spectrum of CeCl ₃ ex- cited with 662 keV γ-rays from a ¹³⁷ Cs source.

&

7 à Ô! 3 _ © # 3 0 A H 320 ∼ 470 nms % 3 . Õ ªo ¦ s

µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ Ä ºr î ß x ß ¼ Ð ì r$ 3 % i ` ¦ M : ¿ º

>

h_ x ß ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3 Ü ¼ 9, x ß ¼ © É r y y 337.3 nm, 365.2 nm s % 3 . s כ É r ² F 7/2 < Ê É r ² F 5/2 Ð s

H כ \ l ) a . ¿ º x ß ¼_ \ -t s H 2,500 cm ⁻¹ s % 3 .

3. ] k ù° Ë ÑP c p7 ûS m

Fig. 4 H CeCl 3 $ 3 F g ^ _ z ´ : r \ " f 8 £ ¤& ñ ô Ç ¹³⁷ Cs γ-

\

@ /ô Ç + þ AF g y û Z/ B G s . 8 £ ¤& ñ ) a CeCl ₃ $ 3 F g ^ _ + þ AF g y

û Z/ B G É r 15.5 ns (71.4 %) _ É r $ í ì r õ 1.7 µs (28.6

%) _ Ö ¼ 2 ; $ í ì r Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3 .

4. w z ð ² â ì ÈÊ Ý ; c .U Ä Z ØA 0 Ö «

Fig. 5. Pulse height spectra of CeCl ₃ scintillator under

137 Cs, ⁵⁴ Mn and ²² Na γ-ray excitation.

Fig. 6. Energy calibration curve of CeCl 3 scintillator.

(4)

Table 1. Energy resolutions and maximum channels ob- tained from CeCl ₃ crystals coupled to PMT.

Energy Max. ch. Energy Resolution (%) Na-22 511 keV 1,705 9.8

Cs-137 662 keV 2,230 8.0 Mn-54 865 keV 2,810 6.8 Na-22 1,275 keV 4,298 5.6

Fig. 7. Pulse height spectra of CeCl ₃ scintillator for γ- rays from ¹³⁷ Cs and ²¹⁰ Po.

Fig. 5 H ] j ô Ç CeCl ₃ $ 3 F g é ß & ñ _ ¹³⁷ Cs, ²² Na x 9

⁵⁴ Mn γ- \ @ /ô Ç ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 s . s M : F g 7 £ x C

' a _ · ú É r -900 V, Å Ò7 £ x; ¤ l _ ` O Û ¼$ í + þ Ar ç ß É r 3µs s % 3 Ü ¼ 9, 7 £ x; ¤ s 1 p q É r 5 s % 3 . Fig. 6 É r Fig. 5 _

¦Û ¼& 7 à Ô! 3 Ü ¼ ÐÂ Ò' ½ ¨ô Ç CeCl ₃ (pure) $ 3 F g ^ _ \ - t

§& ñ / B G s . z ´+ « > # 3 0 A\ " f f $ í ` ¦ Ð% i Ü ¼ 9, s M

: \ -t §& ñ d É r E (keV) = 12.3 + 0.29 × CH s

%

3 . Table 1 É r ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 (Fig. 5)Ü ¼ ÐÂ Ò' ½ ¨ô Ç CeCl 3 $ 3 F g Ø ¦ l _ ¹³⁷ Cs, ¹³³ Ba x 9 ²² Na γ- \ @ /ô Ç

\

-t ì r K 0 p x s . ¹³⁷ Cs (662 keV) \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0

p

x É r 8.0 %s % 3 ¦, ⁵⁴ Mn (865 keV) \ @ /ô Ç \ -t ì r K

0 p x É r 6.8 %s % 3 . Õ ªo ¦ ²² Na _ Ô æ õ \ " f ª

èY > Ð # µ 1 ÏÒ q tô Ç 511 keV\ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x

É

r 9.8 %s % 3 ¦, 22Na_ ¿ 1 ÏÙ þ 7 á x \ " f ~ ½ ÓØ ¦ H 1,275 keV _ \ -t \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x É r 5.6 %s % 3 .

5. α/β R

Fig. 7 É r ²¹⁰ Po _ α { 9 \ @ /ô Ç ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 s 9, s

4 x Ä ºo _ 0 Au ÐÂ Ò' α/β q \ ¦ ½ ¨ % i . α/β q H α { 9 _ \ -t ü < ° ú É r \ -t \ ¦ γ- _ 4 x Ä ºo 0

Au ü < α { 9 _ 4 x Ä ºo 0 Au _ q Ð & ñ _ ô Ç . Ø ¦ l _

\ -t ' ¸ H γ- " é ¶ Ü ¼ Ð 8 £ ¤& ñ Ù ¼ Ð α/γ q Ð ³ ð

Fig. 8. Proportionality curve of the CeCl 3 scintillator.

&

³K t ë ß , γ- s Ø ¦ l ? /_ ü < © ñ 6 x Ù

¼ Ð α/β q Ð ¸ ³ ð & ³ô Ç [14]. : r z ´+ « >\ " f 8 £ ¤& ñ ô Ç

210 Po 5.3 MeV α { 9 \ @ /ô Ç α/β q H 0.183 s % 3 . s

כ

É r F g 7 £ x C ' a Ü ¼ Ð 8 £ ¤& ñ ô Ç ²¹⁰ Po α { 9 \ _ ô Ç r

F g \ -t H ¹³⁷ Cs α- \ -t _ 18 %e ` ¦

· p . s Qô Ç & ³ © s { 9 # Q H s Ä » H α { 9 _ q & h

\

É r Z } É r s : r o x 9 ¸\ _ ô Ç ~ ½ Ó < H © Ü ¼ Ð K quenching s { 9 # Q > ÷ & ¦ Õ ª õ $ 3 F g ´ òÖ ¦ (scintilla- tion efficiency) s ± ú t l M :ë H s .

6. # b [ U γ- Ò Å; c 6 X ¢ R 7 ` ¤ Ò Å

Fig. 8 É r ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 \ " f F g4 x Ä ºo (photo peak)_

© @ /& h 0 Au ÐÂ Ò' ½ ¨ô Ç q Y V/ B G (proportionality curve) s . q Y V/ B G É r 662 keV ¹³⁷ Cs γ- _ F gØ ¦§ 4 (ph/MeV)` ¦ l ï r Ü ¼ Ð # É r γ- \ -t \ " f_ F g Ø

¦§ 4 _ q \ ¦ · p כ s . ¸ H { 9 γ- \ -t \ @ / K

\

@ /ô Ç q Y V/ B G É r 1 s # Q ô Ç . Õ ª Q Fig. 8\ " f Ð

H ü < ° ú s 511 keV\ " fÂ Ò' { 9 γ- \ @ /ô Ç \

-t _ > r$ í s z ¤ .

IV. + s Ç Â ] Ø

Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl ³ $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦, F

º H y y a = b = 7.45 ˚ A, c = 4.31 ˚ A s % i Ü ¼ 9, & ñ

½

¨ ¸ H ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó& ñ > P 6 3/m / B N ç ß ç H \ 5 Å q < Ê` ¦ S X ½ + É Ã º e

%

(5)

Õ

ªo ¦ µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 É r ¿ º > h_ Ä ºr î ß x ß ¼ Ð ½ ¨$ í

÷

s

כ É r ² F _7/2 < Ê É r ² F _5/2 Ð s H כ \ l

÷

& 9, ¿ º x ß ¼_ \ -t s H 2,500 cm ⁻¹ s % 3 .

137 Cs γ- \ @ /ô Ç + þ AF g y û Z/ B G É r 15.5 ns (71.4 %) _

É r $ í ì r õ 1.7 µs (28.6 %)_ Ö ¼ 2 ; $ í ì r Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3

. ¹³⁷ Cs (662 keV) \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x É r 8.0 %s

%

3 ¦, ²¹⁰ Po 5.3 MeV α { 9 \ @ /ô Ç α/β q H 0.183 s % 3

.

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2005¸ ¸ Â Ò â @ / < Æ § l $ í r < ÆÕ ü t ½ ¨q \ _

# ½ ¨÷ &% 3 6 £ § (PK-2005-018).

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] M. J. Weber, J. Appl. Phys. 44, 3205 (1973).

[2] V. G. Baryshevskiy, M. V. Korzhik, B. I. Minkov, S. A. Smirnova, A. A. Fyodorov, P. Dopenbos and C. W. E. von Eijk, J. Phys. : Condens. Matter 5, 7893 (1993).

[3] R. Autrata, P. Schauer, Jiri Kvapil and Josef Kvapil, J. Phys. E : Sci. Instrum. 11, 707 (1978).

[4] C. L. Melcher and J. S. Schweitzer, Nucl. Instr. and Meth. A 314, 212 (1992).

[5] I. D. Naud, T. A. Tombrello, C. L. Melcher and J.

S. Schweitzer, IEEE. Trans. on Nucl. Sci. 43, 1324 (1996).

[6] O. Guillot-NoQl, J. T. M. de Haas, P. Dorenbos, C.

W. E. van Eijk, K. Kr¨ amer. and H. U. G¨ udel, J.

Lumin. 85, 21 (1999).

[7] E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K, Kr¨ amer and H. U. G¨ udel, IEEE Tran. Nucl. Sci.

48, 341 (2001).

[8] E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K, Kr¨ amer and H. U. G¨ udel, Nucl. Instr. and Meth.

A 486, 254 (2002).

[9] E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K, Kr¨ amer and H. U. G¨ udel, Applied Physics Letters 79, 1573 (2001).

[10] J. C. Vant Spijker, P. Dorenbos, C. W. E van Eijk, C. Pedrini, B. Moine and N. M. Khaidukov, J. Phys : Condens. Matter 7, 3063 (1995).

[11] W. W. Moses and S. E. Derenzo, IEEE Trans. Nucl.

Sci. NS-36, 173 (1989).

[12] D. F. Anderson, IEEE Trans, Nucl. Sci. NS-36, 137 (1989).

[13] A. S. Voloshinovskii, P. A. Rodnyi, O. T. Antonyak and N. S. Pidzyrailo, Phys. Solid State 36, 239 (1994).

[14] P. Belli, R. Bernabei, R. Cerulli, C. J. Dai, F. A.

Danevich, A. Incicchitti, V. V. Kobychev, O. A.

Ponkratenko, D. Prosperi, V. I. Tretyak and Yu. G.

Zdesenko, Nucl. Instr. and Meth. A 498, 352 (2003).

(6)

Optical and Scintillation Properties of a CeCl ₃ Single Crystal

Sih-Hong Doh

Department of Physics, Pukyong National University, Pusan 608-737

Do-Sung Kim

Department of Physics, Education, Taegu University, Kyungsan 713-714

Sung-Hwan Kim ^∗

Department of Radiology Technology, Daegu Health College, Taegu 702-722

Jinho Moon, Sejin Ra, Wan Kim, Hongjoo Kim and Hee-Dong Kang Department Physics, Kyungpook National University, Taegu 702-701

(Received 24 March 2006)

CeCl

3

single crystals were grown by using the Czochralski method, and their optical and scin- tillation properties were measured. The lattice structure of the grown CeCl

3

single crystal was hexagonal, and its lattice constants were a = b = 7.45 ˚ Aand c = 4.31 ˚ A. The emission spectrum could be located in the range of 320 ∼ 470 nm, peaking at 365 nm. The emission spectrum was approximated by the sum of two Gaussians with peaks at 337.3 and 365.2 nm, and the energy difference between the two peaks was about 2,500 cm

⁻¹

. The decay curve had fast (15.5 ns) and slow (1.7 µs) components. The energy resolution was about 8.0 % for the

¹³⁷

Cs 662 keV γ-rays, and the α/β ratio of CeCl

3

for

²¹⁰

Po 5.3 MeV α particles was about 0.183.

PACS numbers: 29.40.Mc

Keywords: Czo-chralski, Emission spectrum, Decay time, Energy resolution, α/β ratio

∗

E-mail: [email protected]

Ò â @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , Â Òí ß  608-737

CeCl 3   m+ s ÇX N Ë8 ý ° Ë Ñ õ m Í V È° Ë Ñ ¤V R Ë

|

¡S  ý  ¡

Â

Ò â @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , Â Òí ß  608-737

 »| ¡) ç 

@

/½ ¨@ / < Æ § Ó ü t o  §¹ ¢ ¤  < Æõ ,  â í ß  713-714

 ») ç Z 9 

∗

@

/½ ¨ Ð| @ / < Æ ~ ½ Ó   õ , @ /½ ¨ 702-722

' Ö

< . >  Ú · : c . > ·  » T Ö h ·  » ý  ¡® £ · ~ ç ¡r ) ò 6 B

 â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , @ /½ ¨ 702-701 (2006¸  3 Z 4 24{ 9  ~ Ã Î6 £ §)

Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl

$ 3 F g é ß   & ñ `  ¦ ¹ ¢ ¤$ í  ¦, ¹ ¢ ¤$ í ô  Ç é ß   & ñ _  F g x 9 $ 3 F g: £ ¤$ í `  ¦  ¸  

%

i  . ¹ ¢ ¤$ í ô  Ç é ß   & ñ _      © Ã º  H y  y   a = b = 7.45 ˚ A, c = 4.31 ˚ A s % i Ü ¼ 9,   & ñ ½ ¨ ¸  H ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó& ñ >  s

% 3  . µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 _   © # 3 0 A  H    320 ∼ 470 nms % 3  ¦, x ß ¼  ©  É r    365 nms % 3  . Õ ªo  ¦ µ

1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 `  ¦ ¿ º > h_  Ä ºr î ß  x ß ¼ Ð ½ ¨$ í % i `  ¦ M : x ß ¼  ©  É r y  y   337.3 nm, 365.2 nms % 3 



¦, ¿ º x ß ¼_  \  -t  s   H    2,500 cm

s % 3  . + þ AF g y  û Z/ B G   É r 15.5 ns (71.4 %) _    É r $ í ì  r õ  1.7 µs (28.6 %) Ö ¼ 2 ; $ í ì  r Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3  . Õ ªo  ¦

Cs (662 keV) \  @ /ô  Ç \  -t ì  r K 0 p x É r    8.0

% s % 3  ¦,

Po 5.3MeV α { 9  \  @ /ô  Ç α/β q   H    0.183s % 3  .

PACS numbers: 29.40.Mc

Keywords: CzochralskiZ O , µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y  û Zr ç ß , \  -t ì  r K 0 p x, α/βq 

I. " e Â ] Ø

Ce 3+ s  : r É r 4f - 5d   s \  _ K  300 ∼ 500 nm_  



© % ò % i \ " f + þ AF g y  û Zr ç ß s  Â ú ª É r µ 1 Ï F g s  Ò q t|  . Õ ª QÙ ¼



Ð þ j   H \   H F gØ  ¦§ 4 s  ß ¼ ¦, + þ AF g y  û Zr ç ß s  Â ú ªÜ ¼ 9, x 9 



¸  H $ 3 F g ^ \  ¦ ] j   l  0 AK  Å Ò Ð Ce 3+ \  ¦  Ö ¸$ í ] j Ð '

 ô  Ç $ 3 F g ^  YAlO 3 : Ce [1,2], YAG : Ce [3], Lu 2 SiO 5

: Ce [4,5], LaCl 3 : Ce [6,7], LaBr 3 : Ce [8,9], CsGd 2 F 7 : Ce 3+ [10] 1 p x õ  cerium>  o½ + ËÓ ü t CeF 3 [11,12], CeCl 3

[13] $ 3 F g ^  1 p x s  ´ ú §s    ½ ¨÷ & ¦ e   .

CeF 3   H x 9  ¸ (ρ = 6.16 g/cm 3 )  ß ¼ ¦, + þ AF g y  û Zr ç ß  s

 Â ú ªÜ ¼ 9, ~ ½ Ó   $  ½ Ó (radiation resistance)s  ß ¼Ù ¼ Ð



¦\  -t  Ó ü t o  < Æ z ´+ « >\   6 x l  0 AK  ´ ú § É r   ½ ¨ '   K

&   . ì ø Í  \  CeCl 3   H x 9  ¸ 3.90 g/cm 3 Ü ¼ Ð  © @ /& h Ü

¼ Ð ± ú  ¦, f  ¨_ þ v$ í s  e  Ü ¼Ù ¼ Ð 2 [/ å L   H X < # Q 9¹ ¡ § s  e  

#

Q Õ ª 1 l x î ß   ' a d  s  & h % 3  .

E-mail: [email protected]



: r   ½ ¨\ " f  H CeCl 3 é ß   & ñ _  $ 3 F g: £ ¤$ í `  ¦  ¸  l  0

AK  Czochralshi ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl 3 é ß   & ñ `  ¦ ¹ ¢ ¤$ í  ¦,

¹

¢ ¤$ í ô  Ç é ß   & ñ _  # l  x 9 µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y  û Zr ç ß , α/β q  x 9 γ-  \  @ /ô  Ç \  -t ì  r K 0 p x õ  q Y V/ B G  1 p x`  ¦ 8 £ ¤

&

ñ % i  .

II. ÷ m Ç ] M ö

1. CeCl 3   m+ s ÇX N Ë  Õ ×V R Ë



: r z ´+ « >\ " f CeCl 3 é ß   & ñ [ þ t É r Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð

¹

¢ ¤$ í % i  . CeCl 3 ì  r ´ ú  É r f  ¨_ þ v$ í s  e  Ü ¼Ù ¼ Ð z ´+ « > 



 H 1 l x î ß \  / B N l  ÐÂ Ò'  Ä »{ 9  ) a Ô  ¦í  HÓ ü t (H 2 O, CO 2 1 p x) õ  CeCl 3 ì  r ´ ú \   í < Ê÷ &# Q e    H 6 £ § s  : r Ô  ¦í  HÓ ü t 1 p x`  ¦ ] j 

l  0 A #  " é ¶ « Ñì  r ´ ú `  ¦  : r  ¸ 80 ◦ C, 10 −2 Torr _    / B N 5

Å

q \ " f 120ì  r ç ß  |  ¸r   Ê ê 6 xÖ 6 x % i  .

½

+ É s × ¼>  Ó ü t| 9  Ð ¹ ¢ ¤$ í ô  Ç é ß   & ñ $ 3 F g ^ _  F gØ  ¦§ 4 , F

g È Òõ Ö  ¦ x 9 \  -t ì  r K 0 p x 1 p x É r   & ñ B > h  Ã º (Ø  ¦ µ 1 ÏÓ ü t

-530-

Fig. 1. Photograph of grown CeCl3 single crystal.

| 9

_  % o , ¹ ¢ ¤$ í ~ ½ ÓZ O , ¹ ¢ ¤$ í ì  r 0 Al ,   & ñ r  5 Å q  ¸,    © 5 Å q



¸ x 9 \ P % o  1 p x) ü < x 9 ] X ô  Ç  ' a >  e   . Õ ªo  ¦ $ í  © > 



 _   : r  ¸l Ö  ¦ l  ß ¼    & ñ ? /\  / B N   ,    ç ß  " é ¶  ,

Ò â @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Â Òí ß 608-737

CeCl 3 m+ s ÇX N Ë8 ý ° Ë Ñ õ m Í V È° Ë Ñ ¤V R Ë

¡S ý ¡

Ò â @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Â Òí ß 608-737

»| ¡) ç

/½ ¨@ / < Æ § Ó ü t o §¹ ¢ ¤ < Æõ , â í ß 713-714

») ç Z 9

/½ ¨ Ð| @ / < Æ ~ ½ Ó õ , @ /½ ¨ 702-722

< . > Ú · : c . > · » T Ö h · » ý ¡® £ · ~ ç ¡r ) ò 6 B

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701 (2006¸ 3 Z 4 24{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl

$ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦, ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ F g x 9 $ 3 F g: £ ¤$ í ` ¦ ¸

i . ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ © Ã º H y y a = b = 7.45 ˚ A, c = 4.31 ˚ A s % i Ü ¼ 9, & ñ ½ ¨ ¸ H ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó& ñ > s

% 3 . µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 _ © # 3 0 A H 320 ∼ 470 nms % 3 ¦, x ß ¼ © É r 365 nms % 3 . Õ ªo ¦ µ

1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¿ º > h_ Ä ºr î ß x ß ¼ Ð ½ ¨$ í % i ` ¦ M : x ß ¼ © É r y y 337.3 nm, 365.2 nms % 3

¦, ¿ º x ß ¼_ \ -t s H 2,500 cm

s % 3 . + þ AF g y û Z/ B G É r 15.5 ns (71.4 %) _ É r $ í ì r õ 1.7 µs (28.6 %) Ö ¼ 2 ; $ í ì r Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3 . Õ ªo ¦

Cs (662 keV) \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x É r 8.0

% s % 3 ¦,

Po 5.3MeV α { 9 \ @ /ô Ç α/β q H 0.183s % 3 .

Keywords: CzochralskiZ O , µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y û Zr ç ß , \ -t ì r K 0 p x, α/βq

Ce ³⁺ s : r É r 4f - 5d s \ _ K 300 ∼ 500 nm_

© % ò % i \ " f + þ AF g y û Zr ç ß s Â ú ª É r µ 1 Ï F g s Ò q t| . Õ ª QÙ ¼

Ð þ j H \ H F gØ ¦§ 4 s ß ¼ ¦, + þ AF g y û Zr ç ß s Â ú ªÜ ¼ 9, x 9

¸ H $ 3 F g ^ \ ¦ ] j l 0 AK Å Ò Ð Ce ³⁺ \ ¦ Ö ¸$ í ] j Ð '

ô Ç $ 3 F g ^ YAlO 3 : Ce [1,2], YAG : Ce [3], Lu 2 SiO 5

: Ce [4,5], LaCl ₃ : Ce [6,7], LaBr ₃ : Ce [8,9], CsGd ₂ F ₇ : Ce ³⁺ [10] 1 p x õ cerium> o½ + ËÓ ü t CeF 3 [11,12], CeCl 3

[13] $ 3 F g ^ 1 p x s ´ ú §s ½ ¨÷ & ¦ e .

CeF 3 H x 9 ¸ (ρ = 6.16 g/cm ³ ) ß ¼ ¦, + þ AF g y û Zr ç ß s

Â ú ªÜ ¼ 9, ~ ½ Ó $ ½ Ó (radiation resistance)s ß ¼Ù ¼ Ð

¦\ -t Ó ü t o < Æ z ´+ « >\ 6 x l 0 AK ´ ú § É r ½ ¨ ' K

& . ì ø Í \ CeCl ³ H x 9 ¸ 3.90 g/cm ³ Ü ¼ Ð © @ /& h Ü

¼ Ð ± ú ¦, f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð 2 [/ å L H X < # Q 9¹ ¡ § s e

Q Õ ª 1 l x î ß ' a d s & h % 3 .

: r ½ ¨\ " f H CeCl 3 é ß & ñ _ $ 3 F g: £ ¤$ í ` ¦ ¸ l 0

AK Czochralshi ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð CeCl ³ é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦,

¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ # l x 9 µ 1 Ï F g Û ¼& 7 à Ô! 3 , + þ AF g y û Zr ç ß , α/β q x 9 γ- \ @ /ô Ç \ -t ì r K 0 p x õ q Y V/ B G 1 p x` ¦ 8 £ ¤

ñ % i .

1. CeCl 3 m+ s ÇX N Ë Õ ×V R Ë

: r z ´+ « >\ " f CeCl 3 é ß & ñ [ þ t É r Czochralski ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð

¢ ¤$ í % i . CeCl ³ ì r ´ ú É r f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð z ´+ « >

H 1 l x î ß \ / B N l ÐÂ Ò' Ä »{ 9 ) a Ô ¦í HÓ ü t (H 2 O, CO 2 1 p x) õ CeCl ₃ ì r ´ ú \ í < Ê÷ &# Q e H 6 £ § s : r Ô ¦í HÓ ü t 1 p x` ¦ ] j

l 0 A # " é ¶ « Ñì r ´ ú ` ¦ : r ¸ 80 ^◦ C, 10 ⁻² Torr _ / B N 5

q \ " f 120ì r ç ß | ¸r Ê ê 6 xÖ 6 x % i .

+ É s × ¼> Ó ü t| 9 Ð ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ $ 3 F g ^ _ F gØ ¦§ 4 , F

g È Òõ Ö ¦ x 9 \ -t ì r K 0 p x 1 p x É r & ñ B > h Ã º (Ø ¦ µ 1 ÏÓ ü t

_ % o , ¹ ¢ ¤$ í ~ ½ ÓZ O , ¹ ¢ ¤$ í ì r 0 Al , & ñ r 5 Å q ¸, © 5 Å q

¸ x 9 \ P % o 1 p x) ü < x 9 ] X ô Ç ' a > e . Õ ªo ¦ $ í © >

_ : r ¸l Ö ¦ l ß ¼ & ñ ? /\ / B N , ç ß " é ¶ ,

0 A x 9 void 1 p x # Q t < Ê` ¦ ´ ú §s µ 1 ÏÒ q tr v 9, é

ß & ñ _ ¾ ¡ §| 9 ` ¦ $ r . ¢ ¸ô Ç s Qô Ç é ß & ñ [ þ t É r

½ Ó < H © ` ¦ ¸ ú ~ Ã ÎÜ ¼ 9, F g È Òõ Ö ¦ x 9 F gÒ q t$ í Ö ¦ 1 p x s $

) a .

: r z ´+ « >\ " f H & ñ ¹ ¢ ¤$ í r CeCl ³ _ 7 £ x µ 1 Ï` ¦ } l 0 A

Õ þ ! Q? / Ø Ô 4 H l ^ _ · ú § 4 ` ¦ 2 atm Ü ¼ Ð Ä »t % i .

ªo ¦ $ í © > _ : r ¸ o\ ¦ þ j è Ð l 0 A # Ñ þ F

K ¸m ü @Â Ò\ $ 3 % ò ' a, · ú À Òp ' a x 9 · ú À Òp Ì º, á Ü

¼ Ð y " f & ñ $ í © > Å Ò0 A_ : r ¸ l Ö ¦ l \ ¦ >

% i . © 5 Å q ¸ü < & ñ r 5 Å q ¸ H ¹ ¢ ¤$ í H é ß & ñ _ t

2 £ § \ Ø Ôt ë ß : r z ´+ « >\ " f H y y 3 mm/h x 9 15 rpm Ü ¼ Ð % i . é ß & ñ _ f â É r : r ¸ Ð ] j# Q % i Ü

¼ 9, @ /| Ä Ì Ñ þ F K ¸m f â _ 1/2 & ñ ¸ Ð % i . ¢ ¸ô Ç

& ñ $ í © íl \ < Ê_ ~ ½ Ót ü < & ñ $ í © » ¡ ¤ Ü ¼ Ð_

© ` ¦ Ä » ¸ l 0 AK 3 l q` ¦ ë ß [ þ t% 3 .

Fig. 1 É r : r z ´+ « >\ " f ¹ ¢ ¤$ í ô Ç CeCl 3 é ß & ñ ` ¦ · p

. ¹ ¢ ¤$ í ô Ç é ß & ñ _ ß ¼l H f â 16 mm, U ´s 40 mm

ñ ¸% i Ü ¼ 9, CeCl 3 é ß & ñ [ þ t É r f ¨_ þ v$ í s e Ü ¼Ù ¼ Ð Ð ' a

+ É M : H é ß & ñ ³ ð \ z ´o B H l 2 £ §` ¦ Ø Ô ¦ X <r H s à

Ô 5 Å q \ Ð ' a % i .

2. S Å< gX c l õ m Í ¤X N Ë

: r z ´+ « >\ " f H γ- ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK r

# ` ¦ 1 cm ³ Ð ] X é ß % i . Õ ªo ¦ CeCl ³ é ß & ñ É r f ¨_ þ v

s e Ü ¼Ù ¼ Ð $ 3 Ä »\ Al 2 O ₃ (0.02 µm)ì r ´ ú ` ¦ [ O É r Ê ê polishing cloth (Buehler, No. 40-7218) 0 A\ " f r ¼ # _ ¸

Fig. 2. X-ray diffraction patterns of grown CeCl ₃ crystal.

H ` ¦ % i . { 9 ~ ½ Ó \ _ K é ß & ñ $ 3 F g ^

/\ " f µ 1 ÏÒ q tô Ç y n C` ¦ F g 7 £ x C ' a \ | 9 5 Å q r v ¦, F g < H z

´` ¦ þ j@ /ô Ç } l 0 A # γ- \ -t Û ¼& 7 à Ô! 3 8 £ ¤& ñ 6 x r

¼ # _ \ P õ À » É r polytetrafluoethylene (PTFE) _ s

á Ô\ ¦ ì ø Í ^ Ð 6 x # 6 y ¤ . ¢ ¸ô Ç CeCl ₃ é ß

ñ $ 3 F g ^ F g 7 £ x C ' a _ ½ Óõ f ] X ] X 5 Å q < ÊÜ ¼ Ð K