Measurements of the Scintillation Properties and the Radiation Hardness of the GAGG Single Crystal

(1)

Measurements of the Scintillation Properties and the Radiation Hardness of the GAGG Single Crystal

Sang Jun Kang ^∗

School of Liberal Arts, Semyung University, Jechon 390-711, Korea

J. M. Park · J. Y. Lee · H. L. Kim · J. K. Son

Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea (Received 17 March 2015 : revised 21 April 2015 : accepted 21 April 2015)

We investigated the luminescence and the scintillation properties of a Gd

3

Al

2

Ga

3

O

12

:Ce(GAGG) crystal grown at the TPS (Total Polishing Solution) Co. The GAGG crystal has the highest light yield among oxide crystals at room temperature and a fast decay time for the detection of radioactivity and for use in nuclear and particle physics experiments and in medical imaging. The scintillation properties of the GAGG crystal were studied. We measured the energy resolution, the absolute light yield, the decay time, and the pulse height spectrum for radioactive source such as

²²

Na,

⁵⁴

Mn,

¹³⁷

Cs, and

²⁴¹

Am. We also measured the radiation damage after irradiation by a 100-MeV proton beam for a total luxs of 50, 100, and 1,000 Gy at the 100-MeV proton beam facility of the Korea Multi-Purpose Accelerator Complex.

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc, 29.27.Fh

Keywords: Crystal scintillator, Proton irradiation, Radiation damage, GAGG

GAGG m+ s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë õ m Í U ê s Ö « P ê sy ¢ ¤X N Ë

~ ç

¡ ç ¡+ Ö < ^∗

[

j" î @ / < Æ § § ª õ & ñ Â Ò, ] j ; 390-711

+ ä * > · T ® £* å · »A j Ð · ) í <® £# Ü

â

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

(2015¸ 3 Z 4 17{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2015¸ 4 Z 4 21{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2015¸ 4 Z 4 21{ 9 > F S X & ñ )

: r ½ ¨\ " f H ( Å Ò) w x \ Û ¼\ " f Gd

³

Al

2

Ga

3

O

12

:Ce (GAGG) $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦, Õ ª $ 3 F g : £ ¤

$ í

õ ~ ½ Ó 0 p x y © ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i . GAGG $ 3 F g é ß & ñ É r í ß o é ß & ñ [ þ t × æ \ " f © : r \ " f_ F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó s

Z } ¦, É r Ô æ õ r ç ß ` ¦ t H é ß & ñ s . s Qô Ç : £ ¤$ í É r ~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ s Ù þ Ó ü t o < Æ, { 9 Ó ü t o

< Æ_ z ´+ « >\ 9 כ ¹ô Ç Ø ¦ l 6 x ¸\ ¸ ú ´ ú ¦ % ò © _ « Ñ © q \ ¸ 9 כ ¹ô Ç כ s . Ä ºo ¹ ¢ ¤$ í ô Ç GAGG é

ß & ñ ¸ Ð ¦ ) a : £ ¤$ í ` ¦ t H · ú Ðl 0 A # $ 3 F g : £ ¤$ í \ @ / # ¸ % i . GAGG $ 3 F g é ß

&

ñ _ \ -t ì r K 0 p x, ] X @ / F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó, ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 õ Ô æ õ r ç ß 1 p x` ¦ ~ ½ Ó 0 p x " é ¶ ;

²²

Na,

⁵⁴

Mn,

¹³⁷

Cs, x 9

²⁴¹

Am \ @ / # 8 £ ¤& ñ % i . Õ ªo ¦ â Å Ò ª $ í 5 Å q l ½ ¨ G ' p' _ 100 MeV ª $ í c ¸ z

´\ " f, 100 MeV_ ª $ í c ` ¦ 50, 100, Õ ªo ¦ 1,000 Gy ¸ r Ê ê GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ~ ½ Ó 0

p

x \ _ ô Ç < H © & ñ ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

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)

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc, 29.27.Fh Keywords: $ 3 F g é ß & ñ , ª $ í ¸ , ~ ½ Ó < H © , Õ ª

I. " e Â ] Ø

$ 3

F g é ß & ñ É r { 9 Ó ü t o < Æs Ù þ Ó ü t o < Æ, ;^ Ó ü t o < Æ 1

p

x \ " f # Qt { 9 \ ¦ Ø ¦ H X < 6 x ÷ & ¦ e Ü ¼ 9,

% ò

© _ « Ñ © q \ ¸ 6 x ÷ & ¦ e . s ¸ H ì r \ " f

9 כ ¹ Ð H $ 3 F g é ß & ñ \ כ ¹½ ¨÷ & H $ í | 9 É r, Ø æì r y ´ ú §

É

r F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó, É r Ô æ õ r ç ß , Z } É r \ -t ì r K 0 p x õ Z }

É

r Ä »´ ò Z ° ú כ 1 p x s [1,5–7]. Õ ª s Ä » Ð # Qt $ 3 F

g: £ ¤$ í ` ¦ t H ª ô Ç 7 á x À Ó_ $ 3 F g é ß & ñ [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &

¦ e H X <, þ j H \ Tohoku Õ ªÒ ¨ \ " f Gd 3 Al ₂ Ga ₃ O ₁₂ :Ce

$ 3

F g é ß & ñ ` ¦ þ j í Ð > hµ 1 Ï % i . s $ 3 F g é ß & ñ É r

© 520 nm\ " f x ß ¼ ° ú כ` ¦ t H Ce ⁺³ _ 5d-4f \ p

_ _ K , Z } É r F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó (22-46,000 Ph/MeV)õ

É

r Ô æ õ 5 Å q ¸ (68 - 92 ns) x 9 Z } É r \ -t ì r K 0 p x (4.8 - 11.9%)` ¦ t ¦ e ¦ Ð ¦ % i [1,8–10]. GAGG $ 3 F

g é ß & ñ É r q §& h x 9 ¸ ß ¼ ¦ (6.63 g/cm ³ ) Ä »´ ò Z ° ú כ s

54.4 Ð H ° ú כ` ¦ t ¦ e ¦, ` O Û ¼ ¸ ª ì r o 0 p x§ 4 s a

% ~ ¦ · ú 9& [11]. : r ½ ¨\ " f H íß ¼ Û ¼v ~ ½ ÓZ O Ü

¼ Ð Gd 3 Al ₂ Ga ₃ O ₁₂ : Ce (GAGG) $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ( Å Ò)w x

\ Û ¼\ " f [2] ¹ ¢ ¤$ í % i (Fig. 1) [1]. ¹ ¢ ¤$ í ô Ç GAGG

$ 3

F g é ß & ñ ` ¦ / B N # Fig. 2 % ! 3 r « Ñ\ ¦ ë ß [ þ t ¦ µ 1 Ï F g

$ í

õ $ 3 F g : £ ¤$ í x 9 ~ ½ Ó 0 p x y © ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

II. ÷ m Ç] M ö U ê s0 n É

GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ y x 9 · ú { 9 \ @ /ô Ç

¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ -t ì r K 0 p x õ Ô æ õ r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 A

# Fig. 2ü < ° ú s 6 × 6 × 6 cm ³ ß ¼l _ GAGG r « Ñ\ ¦ ë

ß [ þ t% 3 . s r « Ñ_ 5 É r 0.4 mm _ e ¦ : r _ s á Ô Ð y

¦, Qt ô Ç ` ¦ ` v w ( Õ ªo Û ¼\ ¦ s 6 x # , -800 V

¦ · ú s ) a 3 u F g7 £ x C ' a (R6233, Hamamatsu Co) \ Â Ò Ã Ì r ( . F g7 £ x C ' a \ " f ¸ H ñ H OR- TEC 571 + þ A © 7 £ x; ¤ l Ð [ þ t # Q" f Ä ºÛ ¼ ì r í + þ AÜ ¼ Ð

$ í

+ þ A 7 £ x; ¤ ) a . s 7 £ x; ¤ ) a ñ\ ¦ 25 MHz ¦5 Å q Ð Õ

ª n t _ O ¨ 8 l (25 MHz FADC) Ð [ þ t # Qç ß . FADC _

ñ\ ¦ > h 6 x ( É Ó' Ð ~ Ã Î " f C++ X <s ' % o á Ô

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

$

3 % i . Figure 3(a)\ z ´+ « > © u [ jh A_ > h| Ä Ì ¸` ¦ Ð

% i .

∗

E-mail: [email protected]

Fig. 1. (Color online) GAGG single crystal grown by TPS using Czochralski technique [1].

Fig. 2. (Color online) GAGG single crystal sample.

Ä

º ³ ðï r s ÷ & H ¹³⁷ Cs ~ ½ Ó " é ¶ ;` ¦ s 6 x # y

\ @ /ô Ç GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ - t

ì r K 0 p x õ Ô æ õ r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ ô Ç . # Qt \ -t _ y

@ /ô Ç $ 3 F g : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 A # ²² Na, ⁵⁴ Mn ü <

° ú

É r ~ ½ Ó 0 p x " é ¶ ;` ¦ s 6 x % i . ¢ ¸ô Ç · ú \ @ /ô Ç $ 3 F

g : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK " f ²⁴¹ Am · ú " é ¶ ;` ¦ s 6 x

% i .

?

/~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ ` ¦ 0 AK " f H 0 A\ / å L ô Ç ü < ° ú s ï r q

) a r « Ñ\ ¦ ` v w ( Õ ªo Û ¼\ ¦ s 6 x # , -800 V ¦ · ú s

) a 3 u F g7 £ x C ' a (R6233, Hamamatsu Co) \ Â Ò Ã Ì ô

Ç . F g7 £ x C ' a \ " f ¸ H ñ\ ¦ 400 MHz ¦5 Å q

ÐÕ ª n t _ O ¨ 8 l (400 MHz FADC) Ð Ð · p . FADC _

ñ\ ¦ > h 6 x ( É Ó' Ð ~ Ã Î " f C++ X <s ' % o á Ô

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

$

3 % i . Figure 3(b)\ z ´+ « > © u [ jh A_ > h| Ä Ì ¸` ¦ Ð

%

i . s X O > ï r q ) a z ´+ « > © u \ ¦ â Å Ò ª $ í 5 Å q l

½

¨G ' p' _ 100 MeV ª $ í c ¸ z ´ (Fig. 4 Ã Ð ¸)\ [ O u

¦ 100 MeV ª $ í c ` ¦ 50, 100, 1,000 Gy ¸ r

Ê ê GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ~ ½ Ó 0 p x \ _ ô Ç < H © & ñ ¸\ ¦ 8

£ ¤& ñ % i [3,4].

(3)

Fig. 3. (Color online) Schematics of experimental setting (a) for measurement of the scintillation properties (b) for measurement of radiation hardness.

Fig. 4. (Color online) 100 MeV proton beam facility of Korea Multi-Purpose Accelerate Complex.

Fig. 5. (Color online) Pulse height spectrum of the GAGG scintillation crystal irradiated by γ-ray of ¹³⁷ Cs.

FWHM = 9.9%.

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

137 Cs ~ ½ Ó " é ¶ ;` ¦ s 6 x # y \ @ /ô Ç GAGG

$ 3

F g é ß & ñ _ ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ -t ì r K 0 p x õ Ô æ õ

Fig. 6. (Color online) Decay time of GAGG scintillation crystal irradiated by γ-ray of ¹³⁷ Cs.

r

ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ _ õ , \ -t ì r K 0 p x É r FWHM ° ú כÜ ¼ Ð 9.9%, Ô æ õ r ç ß É r 3 > h_ $ í ì r s e ¦ y y Â ú ª É r $ í ì r 74 ns (37%), × æ ç ß 148 ns (41%), | $ í ì r 358 ns (22%) % i

. Figure 5\ ¦ Û ¼& 7 à Ô! 3 õ \ -t ì r K 0 p x` ¦ Ð% i

¦, Fig. 6\ Ô æ õ r ç ß ` ¦ Ð# Å Ò ¦ e .

Figure 7 \ ~ ½ Ó " é ¶ ; ²² Na õ ⁵⁴ Mn _ y õ

241 Am _ · ú \ @ /ô Ç ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 ` ¦ ¹³⁷ Cs _ y

\ @ /ô Ç ¦ Û ¼& 7 à Ô! 3 õ < Êa Ð# Å Ò ¦ e . ¦Û ¼

&

7 à Ô! 3 _ x ß ¼° ú כõ { 9 H y { 9 _ \ -t { 9 q

Y V H כ ` ¦ Fig. 8 \ Ð% i . ô Ç¼ # s Õ ªa Ë >\ " f · ú { 9

_ \ -t \ @ /ô Ç $ 3 F g 6 £ x ² ú s y \ -t \ q K

< ° ú s Á º î r { 9 [ þ t \ @ /ô Ç $ 3 F g é ß & ñ _ $ t 0 p x s

8 ß ¼ ¦, { 9 \ -t _ { 9 Â Ò $ 3 F g s ü @_ \ -t Ð è

÷ &l M :ë H s .

· ú

{ 9 _ ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 _ x ß ¼° ú כ` ¦ · ú _ \ - t

Ð è H ° ú כ` ¦ α ¦ 662 keV_ y \ @ /ô Ç

(4)

Fig. 7. (Color online) Pulse height spectra of the GAGG scintillation crystal for γ-rays of ¹³⁷ Cs, ²² Na, ⁵⁴ Mn and for α of ²⁴¹ Am.

Fig. 8. (Color online) Linearity of the luminescence re- sponse of the GAGG scintillation crystal to γ energy.

¦Û ¼& 7 à Ô! 3 _ x ß ¼° ú כ` ¦ y _ \ -t Ð è H ° ú כ` ¦ β ¦ 9, s αü < β_ q \ ¦ · ú Z q ¦ H X <

Fig. 7 \ " f ½ ¨ô Ç ° ú כ[ þ t` ¦ s 6 x # ½ ¨ · ú Z q

H α/β = 0.2e ` ¦ · ú Ã º e . s כ É r 1 keV y \ @ /

# ~ ½ ÓØ ¦ ÷ & H y n Cs _ ª s 1 s 1 keV · ú \ @ / #

~

½ ÓØ ¦ ÷ & H y n Cs _ ª É r 0.2 H > p w s .

100 MeV ª $ í c ` ¦ s 6 x ô Ç ? /~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ õ 100 MeV ª $ í c ` ¦ 50, 100 Gy\ ¦ ¸ ô Ç â Ä º { 9 r & h Ü ¼

Ð ç ß _ $ 3 F g Ø ¦§ 4 s b # Q& Ü ¼ Ô æ õ r ç ß \ H o

\ O

ß 6 £ § \ H $ 3 F g 6 £ x ² ú 0 p x§ 4 ` ¦ r4 ¤ % i . Õ ª Q 1,000 Gy _ 100 MeV c ` ¦ ¸ ô Ç â Ä º\ H, Ô æ õ r ç ß _ $ í ì r s

¿ º > h Ð ² ú t ¦ Õ ª ° ú כ ¸ 87 ns (59%), 263 ns (41%)

7 % 3 (Fig. 9). Õ ªo ¦ $ 3 F g Ø ¦§ 4 ¸ 12% & ñ ¸ y è

Fig. 9. (Color online) Decay time of GAGG scintillation crystal after irradiated by 100 MeV proton beam amount of 1,000 Gy. There are 2 components of 87 ns (59%), 263 ns (41%).

Fig. 10. (Color online) Light output of GAGG single crystal before and after irradiation by 100 MeV proton beam amount of 1,000 Gy. It is reduced about 12% after irradiation.

IV. + s Ç Â ] Ø

TPS \ " f ¹ ¢ ¤$ í ô Ç Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 : Ce (GAGG) $ 3 F g é

ß & ñ É r y \ -t \ @ / # + þ A_ $ 3 F g | ¾ Ó` ¦ t

H כ ` ¦ · ú Ã º e % 3 ¦ (Fig. 8), \ -t ì r K 0 p x É r FWHM

° ú

כÜ ¼ Ð 9.9% Ð q §& h a % ~ É r ° ú כ` ¦ t ¦ e . · ú Z

q H 0.2 % i Ü ¼ 9, Ô æ õ r ç ß É r 3 > h_ $ í ì r s e ¦ y y Â

ú

ª É r $ í ì r 74 ns (37%), × æ ç ß 148 ns (41%), | $ í ì r 358

ns (22%) % i .

(5)

?

/~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ _ õ H 100 MeV ª $ í c ` ¦ 100 Gy

æ õ r ç ß \ H o \ O % 3 Ü ¼ 9, { 9 & ñ r ç ß s â õ ô Ç Ê ê F

gØ ¦§ 4 ¸ 4 ¤" é ¶ ÷ &% 3 . Õ ª Q 100 MeV ª $ í c 1,000 Gy\ ¦ ¸ ô Ç Ê ê\ H F gØ ¦§ 4 s 12% & ñ ¸ y è ¦ { 9 & ñ r

ç ß s t ¸ r4 ¤ ÷ &t · ú § ¦ Ô æ õ r ç ß $ í ì r ¸ H

כ

` ¦ Ð# ° ? .

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2013¸ [ j" î @ / < Æ § §? / ½ ¨q _ t " é ¶` ¦ ~ Ã Î

¤l \ s \ y ½ + Ëm . z ´+ « >_ # Q õ & ñ \ " f ´ ú § É r ¸

¹

¡

Q @ / < Æ" é ¶Ò q t[ þ t õ : £ ¤ y s ½ ¨r [ O õ § 4 ` ¦ , \ O s

t " é ¶ K ï r ^ < ª Å Ò §Ã ºa y × ¼w n m .

REFERENCES

[1] H.-L. Kim, H.-J. Kim, E.-J. Jang, W.-G. Lee and M.-K. Ki et al., J. Ceram. Processing Research 16, 1 (2015).

[2] http://www.wafertech.co.kr/sub1/02.htm (accessed Mar. 15, 2015).

[3] K.-R. Kim, J. Korean Phys. Soc. 66, 491 (2015).

[4] Y-S. Cho, J. Korean Phys. Soc. 66, 501 (2015).

[5] W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Par- ticle Physics Experiments: A How-to Approach (Springer-Verlag Heidelberg, New York, 1987).

[6] P. A. Rodnyi, Physical Processes in Inorganic Scin- tillators (CRC Press, Boca Raton, New York, 1994).

[7] G. Rooh, H. J. Kim, H. Park, S. Kim and H. Jiang, IEEE Trans. Nucl. Sci. 61, 397 (2014).

[8] K. Kamada, T. Yanagida, T. Endo, K. Tsutsumi and Y. Usuki et al., J. Cryst. Growth 352, 88 (2012).

[9] K. Kamada, T. Yanagida, J. Pejchal, M. Nikl and T.Endo, IEEE Trans. Nucl. Sci. 59, 2112 (2012).

[10] K. Kamada, T. Yanagida, J. Pejchal, M. Nikl and T. Endo et al., J. Cryst. Growth 352, 35 (2012).

[11] M. Kobayashi, Y. Tamagawa, S. Tomita, A. Ya-

mamoto, I. Ogawa, Y. Usuki, Nucl. Instrum. Meth-

ods Phys. Res. A 694, 91 (2002).

Measurements of the Scintillation Properties and the Radiation Hardness of the GAGG Single Crystal

Measurements of the Scintillation Properties and the Radiation Hardness of the GAGG Single Crystal

Sang Jun Kang ∗

School of Liberal Arts, Semyung University, Jechon 390-711, Korea

J. M. Park · J. Y. Lee · H. L. Kim · J. K. Son

Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea (Received 17 March 2015 : revised 21 April 2015 : accepted 21 April 2015)

We investigated the luminescence and the scintillation properties of a Gd

Al

Ga

O

Na,

Mn,

Cs, and

Am. We also measured the radiation damage after irradiation by a 100-MeV proton beam for a total luxs of 50, 100, and 1,000 Gy at the 100-MeV proton beam facility of the Korea Multi-Purpose Accelerator Complex.

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc, 29.27.Fh

Keywords: Crystal scintillator, Proton irradiation, Radiation damage, GAGG

GAGG   m+ s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ  ¤V R Ë õ m Í U ê s  Ö « P ê sy ¢  ¤X N Ë

~ ç

¡ ç ¡+ Ö < ∗

[

j" î @ / < Æ §  § ª õ & ñ Â Ò, ] j  ; 390-711



 + ä  * > · T ® £* å  ·  »A j  Ð · ) í <® £# Ü 

 â

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

(2015¸  3 Z 4 17{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2015¸  4 Z 4 21{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2015¸  4 Z 4 21{ 9  > F  S X & ñ )



: r   ½ ¨\ " f  H ( Å Ò) w x \ Û ¼\ " f Gd

Al

Ga

O

:Ce (GAGG) $ 3 F g é ß   & ñ `  ¦ ¹ ¢ ¤$ í  ¦, Õ ª $ 3 F g : £ ¤

$ í

õ  ~ ½ Ó 0 p x y ©  ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  . GAGG $ 3 F g é ß   & ñ  É r í ß  o é ß   & ñ [ þ t ×  æ \ " f  ©  : r \ " f_  F g í ß Ø  ¦ | ¾ Ó s

 Z  }  ¦,   É r Ô  æ õ r ç ß `  ¦ t   H é ß   & ñ s  . s  Qô  Ç : £ ¤$ í  É r ~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ s   Ù þ Ó ü t o  < Æ, { 9  Ó ü t o 



< Æ_  z ´+ « >\   9 כ ¹ô  Ç   Ø  ¦ l  6 x  ¸\  ¸ ú  ´ ú  ¦ % ò  ©  _ « Ñ © q \  ¸  9 כ ¹ô  Ç  כ s  . Ä ºo  ¹ ¢ ¤$ í ô  Ç GAGG é

ß   & ñ  ¸  Ð ¦  ) a : £ ¤$ í `  ¦ t   H · ú   Ðl  0 A #  $ 3 F g : £ ¤$ í \  @ / #   ¸  % i  . GAGG $ 3 F g é ß   

&

ñ _  \  -t  ì  r K 0 p x, ] X @ / F g í ß Ø  ¦ | ¾ Ó,  ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 õ  Ô  æ õ r ç ß  1 p x`  ¦ ~ ½ Ó 0 p x " é ¶  ;

Na,

Mn,

Cs, x 9

Am \  @ / #  8 £ ¤& ñ % i  . Õ ªo  ¦  â Å Ò  ª $ í   5 Å q l    ½ ¨ G ' p' _  100 MeV  ª $ í   c    ¸  z

´\ " f, 100 MeV_   ª $ í   c  `  ¦ 50, 100, Õ ªo  ¦ 1,000 Gy  ¸ r   Ê ê GAGG $ 3 F g é ß   & ñ _  ~ ½ Ó  0

p

x \  _ ô  Ç  < H  © & ñ  ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  .

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.

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc, 29.27.Fh Keywords: $ 3 F g é ß   & ñ ,  ª $ í    ¸ , ~ ½ Ó    < H  © , Õ ª

I. " e Â ] Ø

$ 3

F g é ß   & ñ  É r { 9  Ó ü t o  < Æs   Ù þ Ó ü t o  < Æ,  ;^ Ó ü t o  < Æ 1

p

x \ " f #  Qt  { 9  \  ¦   Ø  ¦   H X <  6 x ÷ & ¦ e  Ü ¼ 9,

% ò

 © _ « Ñ  © q \  ¸  6 x ÷ & ¦ e   . s    ¸  H ì  r  \ " f

 9

כ ¹ Ð   H $ 3 F g é ß   & ñ \  כ ¹½ ¨÷ &  H $ í | 9  É r, Ø  æì  r y  ´ ú §

 É

r F g í ß Ø  ¦ | ¾ Ó,   É r Ô  æ õ r ç ß , Z  } É r \  -t  ì  r K 0 p x õ  Z  }

 É

r Ä »´ ò Z ° ú כ 1 p x s   [1,5–7]. Õ ª  s Ä » Ð #  Qt  $ 3  F

g: £ ¤$ í `  ¦ t   H  ª ô  Ç 7 á x À Ó_  $ 3 F g é ß   & ñ [ þ t s  > hµ 1 Ï÷ &



¦ e    H X <, þ j   H \  Tohoku Õ ªÒ  ¨ \ " f Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 :Ce

$ 3

F g é ß   & ñ `  ¦ þ j í Ð > hµ 1 Ï % i  . s  $ 3 F g é ß   & ñ  É r

 ©  520 nm\ " f x ß ¼ ° ú כ`  ¦ t   H Ce +3 _  5d-4f \  p

  _  _ K , Z  } É r F g í ß Ø  ¦ | ¾ Ó (22-46,000 Ph/MeV)õ   

 É

r Ô  æ õ 5 Å q  ¸ (68 - 92 ns) x 9 Z  } É r \  -t  ì  r K 0 p x (4.8 - 11.9%)`  ¦ t  ¦ e    ¦  Ð ¦ % i   [1,8–10]. GAGG $ 3  F

g é ß   & ñ  É r q  §& h x 9  ¸ ß ¼ ¦ (6.63 g/cm 3 ) Ä »´ ò Z ° ú כ s

 54.4 Ð  H ° ú כ`  ¦ t  ¦ e   ¦, ` O Û ¼  ¸ ª  ì  r o  0 p x§ 4 s  a

% ~  ¦ · ú  9&    [11].  : r   ½ ¨\ " f  H  íß ¼ Û ¼v  ~ ½ ÓZ O  Ü

¼ Ð Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 : Ce (GAGG) $ 3 F g é ß   & ñ `  ¦ ( Å Ò)w  x

\ Û ¼\ " f [2] ¹ ¢ ¤$ í % i   (Fig. 1) [1]. ¹ ¢ ¤$ í ô  Ç GAGG

$ 3

F g é ß   & ñ `  ¦ / B N #  Fig. 2 % ! 3  r « Ñ\  ¦ ë ß [ þ t  ¦ µ 1 Ï F g

Sang Jun Kang ^∗

GAGG m+ s ÇX N Ë8 ý V È° Ë Ñ ¤V R Ë õ m Í U ê s Ö « P ê sy ¢ ¤X N Ë

¡ ç ¡+ Ö < ^∗

j" î @ / < Æ § § ª õ & ñ Â Ò, ] j ; 390-711

+ ä * > · T ® £* å · »A j Ð · ) í <® £# Ü

â

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

(2015¸ 3 Z 4 17{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2015¸ 4 Z 4 21{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2015¸ 4 Z 4 21{ 9 > F S X & ñ )

: r ½ ¨\ " f H ( Å Ò) w x \ Û ¼\ " f Gd

:Ce (GAGG) $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ¹ ¢ ¤$ í ¦, Õ ª $ 3 F g : £ ¤

õ ~ ½ Ó 0 p x y © ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i . GAGG $ 3 F g é ß & ñ É r í ß o é ß & ñ [ þ t × æ \ " f © : r \ " f_ F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó s

Z } ¦, É r Ô æ õ r ç ß ` ¦ t H é ß & ñ s . s Qô Ç : £ ¤$ í É r ~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ s Ù þ Ó ü t o < Æ, { 9 Ó ü t o

< Æ_ z ´+ « >\ 9 כ ¹ô Ç Ø ¦ l 6 x ¸\ ¸ ú ´ ú ¦ % ò © _ « Ñ © q \ ¸ 9 כ ¹ô Ç כ s . Ä ºo ¹ ¢ ¤$ í ô Ç GAGG é

ß & ñ ¸ Ð ¦ ) a : £ ¤$ í ` ¦ t H · ú Ðl 0 A # $ 3 F g : £ ¤$ í \ @ / # ¸ % i . GAGG $ 3 F g é ß

ñ _ \ -t ì r K 0 p x, ] X @ / F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó, ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 õ Ô æ õ r ç ß 1 p x` ¦ ~ ½ Ó 0 p x " é ¶ ;

Am \ @ / # 8 £ ¤& ñ % i . Õ ªo ¦ â Å Ò ª $ í 5 Å q l ½ ¨ G ' p' _ 100 MeV ª $ í c ¸ z

´\ " f, 100 MeV_ ª $ í c ` ¦ 50, 100, Õ ªo ¦ 1,000 Gy ¸ r Ê ê GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ~ ½ Ó 0

x \ _ ô Ç < H © & ñ ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

PACS numbers: 29.27.Fh, 29.40.Mc, 29.27.Fh Keywords: $ 3 F g é ß & ñ , ª $ í ¸ , ~ ½ Ó < H © , Õ ª

F g é ß & ñ É r { 9 Ó ü t o < Æs Ù þ Ó ü t o < Æ, ;^ Ó ü t o < Æ 1

x \ " f # Qt { 9 \ ¦ Ø ¦ H X < 6 x ÷ & ¦ e Ü ¼ 9,

© _ « Ñ © q \ ¸ 6 x ÷ & ¦ e . s ¸ H ì r \ " f

9

כ ¹ Ð H $ 3 F g é ß & ñ \ כ ¹½ ¨÷ & H $ í | 9 É r, Ø æì r y ´ ú §

É

r F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó, É r Ô æ õ r ç ß , Z } É r \ -t ì r K 0 p x õ Z }

É

r Ä »´ ò Z ° ú כ 1 p x s [1,5–7]. Õ ª s Ä » Ð # Qt $ 3 F

g: £ ¤$ í ` ¦ t H ª ô Ç 7 á x À Ó_ $ 3 F g é ß & ñ [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &

¦ e H X <, þ j H \ Tohoku Õ ªÒ ¨ \ " f Gd 3 Al ₂ Ga ₃ O ₁₂ :Ce

F g é ß & ñ ` ¦ þ j í Ð > hµ 1 Ï % i . s $ 3 F g é ß & ñ É r

© 520 nm\ " f x ß ¼ ° ú כ` ¦ t H Ce ⁺³ _ 5d-4f \ p

_ _ K , Z } É r F g í ß Ø ¦ | ¾ Ó (22-46,000 Ph/MeV)õ

É

r Ô æ õ 5 Å q ¸ (68 - 92 ns) x 9 Z } É r \ -t ì r K 0 p x (4.8 - 11.9%)` ¦ t ¦ e ¦ Ð ¦ % i [1,8–10]. GAGG $ 3 F

g é ß & ñ É r q §& h x 9 ¸ ß ¼ ¦ (6.63 g/cm ³ ) Ä »´ ò Z ° ú כ s

54.4 Ð H ° ú כ` ¦ t ¦ e ¦, ` O Û ¼ ¸ ª ì r o 0 p x§ 4 s a

% ~ ¦ · ú 9& [11]. : r ½ ¨\ " f H íß ¼ Û ¼v ~ ½ ÓZ O Ü

¼ Ð Gd 3 Al ₂ Ga ₃ O ₁₂ : Ce (GAGG) $ 3 F g é ß & ñ ` ¦ ( Å Ò)w x

\ Û ¼\ " f [2] ¹ ¢ ¤$ í % i (Fig. 1) [1]. ¹ ¢ ¤$ í ô Ç GAGG

F g é ß & ñ ` ¦ / B N # Fig. 2 % ! 3 r « Ñ\ ¦ ë ß [ þ t ¦ µ 1 Ï F g

õ $ 3 F g : £ ¤$ í x 9 ~ ½ Ó 0 p x y © ¸\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ y x 9 · ú { 9 \ @ /ô Ç

¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ -t ì r K 0 p x õ Ô æ õ r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 A

# Fig. 2ü < ° ú s 6 × 6 × 6 cm ³ ß ¼l _ GAGG r « Ñ\ ¦ ë

ß [ þ t% 3 . s r « Ñ_ 5 É r 0.4 mm _ e ¦ : r _ s á Ô Ð y

¦, Qt ô Ç ` ¦ ` v w ( Õ ªo Û ¼\ ¦ s 6 x # , -800 V

¦ · ú s ) a 3 u F g7 £ x C ' a (R6233, Hamamatsu Co) \ Â Ò Ã Ì r ( . F g7 £ x C ' a \ " f ¸ H ñ H OR- TEC 571 + þ A © 7 £ x; ¤ l Ð [ þ t # Q" f Ä ºÛ ¼ ì r í + þ AÜ ¼ Ð

+ þ A 7 £ x; ¤ ) a . s 7 £ x; ¤ ) a ñ\ ¦ 25 MHz ¦5 Å q Ð Õ

ª n t _ O ¨ 8 l (25 MHz FADC) Ð [ þ t # Qç ß . FADC _

ñ\ ¦ > h 6 x ( É Ó' Ð ~ Ã Î " f C++ X <s ' % o á Ô

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

3 % i . Figure 3(a)\ z ´+ « > © u [ jh A_ > h| Ä Ì ¸` ¦ Ð

% i .

º ³ ðï r s ÷ & H ¹³⁷ Cs ~ ½ Ó " é ¶ ;` ¦ s 6 x # y

\ @ /ô Ç GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ - t

ì r K 0 p x õ Ô æ õ r ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ ô Ç . # Qt \ -t _ y

@ /ô Ç $ 3 F g : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 A # ²² Na, ⁵⁴ Mn ü <

É r ~ ½ Ó 0 p x " é ¶ ;` ¦ s 6 x % i . ¢ ¸ô Ç · ú \ @ /ô Ç $ 3 F

g : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK " f ²⁴¹ Am · ú " é ¶ ;` ¦ s 6 x

% i .

/~ ½ Ó 0 p x 8 £ ¤& ñ ` ¦ 0 AK " f H 0 A\ / å L ô Ç ü < ° ú s ï r q

) a r « Ñ\ ¦ ` v w ( Õ ªo Û ¼\ ¦ s 6 x # , -800 V ¦ · ú s

) a 3 u F g7 £ x C ' a (R6233, Hamamatsu Co) \ Â Ò Ã Ì ô

Ç . F g7 £ x C ' a \ " f ¸ H ñ\ ¦ 400 MHz ¦5 Å q

ÐÕ ª n t _ O ¨ 8 l (400 MHz FADC) Ð Ð · p . FADC _

ñ\ ¦ > h 6 x ( É Ó' Ð ~ Ã Î " f C++ X <s ' % o á Ô

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

3 % i . Figure 3(b)\ z ´+ « > © u [ jh A_ > h| Ä Ì ¸` ¦ Ð

i . s X O > ï r q ) a z ´+ « > © u \ ¦ â Å Ò ª $ í 5 Å q l

¨G ' p' _ 100 MeV ª $ í c ¸ z ´ (Fig. 4 Ã Ð ¸)\ [ O u

¦ 100 MeV ª $ í c ` ¦ 50, 100, 1,000 Gy ¸ r

Ê ê GAGG $ 3 F g é ß & ñ _ ~ ½ Ó 0 p x \ _ ô Ç < H © & ñ ¸\ ¦ 8

£ ¤& ñ % i [3,4].

Fig. 5. (Color online) Pulse height spectrum of the GAGG scintillation crystal irradiated by γ-ray of ¹³⁷ Cs.

137 Cs ~ ½ Ó " é ¶ ;` ¦ s 6 x # y \ @ /ô Ç GAGG

F g é ß & ñ _ ¦Û ¼& 7 à Ô! 3 , \ -t ì r K 0 p x õ Ô æ õ

Fig. 6. (Color online) Decay time of GAGG scintillation crystal irradiated by γ-ray of ¹³⁷ Cs.

ç ß ` ¦ 8 £ ¤& ñ _ õ , \ -t ì r K 0 p x É r FWHM ° ú כÜ ¼ Ð 9.9%, Ô æ õ r ç ß É r 3 > h_ $ í ì r s e ¦ y y Â ú ª É r $ í ì r 74 ns (37%), × æ ç ß 148 ns (41%), | $ í ì r 358 ns (22%) % i