Research on the co-doping effects of 4-6 group cations on scintillation properties in various Ce doped single crystal scintillators and their performance improvement mechanism

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K12626
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 金 敬鎭 東北大学, 金属材料研究所, 学術研究員 (10521768)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鎌田 圭 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (60639649)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: シンチレータ / 結晶成長 / Ce添加 / 共添加 / GAGG

Outline of Annual Research Achievements

2021年度には第3ステップとして、国際共同研究者のNikl教授との連携のもと、シンチレータ特性の変動が顕著であることが確認できた共添加単結晶について、共添加無しの結晶も併せて、光および熱で励起した際の発光特性を85~510Kの温度範囲で調査した。MoおよびW共添加イオンの強い効果は、フォトルミネッセンススペクトルとフォトルミネッセンス強度、残光強度と減衰速度、熱励起発光(TSL)強度とTSLグロー曲線、TSLグロー曲線ピークの励起スペクトルの温度依存性、および活性化エネルギーに現れるのを確認した。
Micro pulling down(μ-PD)法による最適組成探索と並行し、現状で良好な結果が得られたMo,W共添加イオンについて、Czochralski(Cz)法により各共添加イオンとCe仕込み濃度における1インチサイズでの結晶作製を行い、共添加元素の偏析係数の評価と最適共添加仕込み量を決定した。さらなる大型化のため、Cz法で2インチ以上のサイズで共添加した単結晶の成長を試み、単結晶育成に使用される雰囲気ガスなどの成長条件を確認した。成長した単結晶をシンチレータ素子として応用するための様々な表面加工条件を試験して最適条件を決定した。また、Ce:LaBr3ホスト結晶もVertical Bridgeman(VB)法による最適組成探索と並行し、LaBr3ホストに最適なCeドーピング濃度は3％であることを確認した。そのCe濃度で1インチサイズでの結晶作製を行い、シンチレータ特性を評価した。

Research Products

• [Journal Article] Development of large size crystal growth technology of oxide eutectic scintillator and a proto-type Talbot-Lau imaging system (2021)
  • Author(s): Kei Kamada, Hiroaki Yamaguchi, Nobuhiro Yasui, Ryota Ohashi, Toru Den, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Akihiro Yamaji, Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Yuui Yokota, Vladimir. V. Kochurikhin, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Pages: SBBK04
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abd708
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of W and Mo co-doping on the photo- and thermally stimulated luminescence and defects creation processes in Gd3(Ga,Al)5O12:Ce crystals (2021)
  • Author(s): Svetlana G. Zazubovich, Valentyn Laguta, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, K. Jurek, Martin Nikl
  • Journal Title: Optical Materials Volume: 114 Pages: 110923
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2021.110923
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bright exciton luminescence from La doped Lu3Al5O12 single crystals (2021)
  • Author(s): Karol Bartosiewicz, Takahiro Horiai, Akihiro Yamaji, Akira Yoshikawa, Shunsuke Kurosawa, Kyoung Jin Kim, Vitaliy Vistovskyy, Anatoliy Voloshinovskii, Yuriy Zorenko
  • Journal Title: Journal of Luminescence Volume: 235 Pages: 118013
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2021.118013
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Scintillation Performance of One-Inch Diameter CsI/CsCl/NaCl Eutectics Grown by the Czochralski Method (2021)
  • Author(s): Yui Takizawa, Kei Kamada, Naoko Kutsuzawa, Masao Yoshino, Seiich Yamamoto, Kyoung Jin Kim, Rikito Murakami, Vladimir V. Kochurikhin, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 572 Pages: 126266
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126266
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of the Multi-Cubic gamma-ray spectrometer and its performance under intense Cs-137 and Co-60 radiation fields (2021)
  • Author(s): Masaaki Kaburagi, Kenji Shimazoe, Masahiro Kato, Tadahiro Kurosawa, Kei Kamada, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Akira Yoshikawa, Hiroyuki Takahashi
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1010 Pages: 165544
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.165544
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Luminescence and scintillation properties of Gd3Sc2(Al3-xGax)O-12:Ce (x=1, 2, 3) garnet crystals (2021)
  • Author(s): Warut Chewpraditkul, Nakarin Pattanaboonmee, Weerapong Chewpraditkul, Ongsa Sakthong, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Takahito Horiai, Shunsuke Kurosawa, Akira Yoshikawa, Kei Kamada, Winicjusz Drozdowski, Marcin E. Witkowski, Michal Makowski, Romana Kucerkova, Martin Nikl
  • Journal Title: Radiation Physics and Chemistry Volume: 187 Pages: 109559
  • DOI: 10.1016/j.radphyschem.2021.109559
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Growth and scintillation properties of Tl-doped CsI/KI/KCl ternary eutectics (2021)
  • Author(s): Yui Takizawa, Kei Kamada, Naoko Kutsuzawa, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Akihiro Yamaji, Shunsuke Kurosawa, Yuui Yokota, Hiroki Sato, Satoshi Toyoda, Yuji Ohashi, Takashi Hanada, Kochurikhin Vladimir, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 573 Pages: 126287
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126287
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and scintillation properties of directionally solidified eutectic scintillators (2021)
  • Author(s): Kyoung Jin Kim, Kei Kamada, Rikito Murakami, Masao Yoshino, Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Yasuhiro Shoji, Vladimir Kochurikhin, Hiroki Sato, Satoshi Toyoda, Yuji Ohashi, Takashi Hanada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 22nd American Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ACCGE-22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and scintillation properties of Tb-doped BaCl2/NaCl/KCl ternary eutectics for radiation imaging applications (2021)
  • Author(s): Yui Takizawa, Kei Kamada, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Akihiro Yamaji, Shunsuke Kurosawa, Yuui Yokota, Hiroki Sato, Satoshi Toyoda, Yuji Ohashi, Takashi Hanada, Vladimir. V. Kochurikhin, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 22nd American Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ACCGE-22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BaCl2/NaCl/KCl系共晶体の作製と発光特性評価 (2021)
  • Author(s): 瀧澤 優威、鎌田 圭、Kyoung Jin Kim、吉野 将生、山路 晃広、黒澤 俊介、横田 有為、佐藤 浩樹、豊田 智史、大橋 雄二、花田 貴、Vladimir. V. Kochurikhin、吉川 彰
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 三元系共晶体シンチレータの作製とイメージング性能評価 (2021)
  • Author(s): 瀧澤 優威、鎌田 圭、Kyoung Jin Kim、吉野 将生、山路 晃広、黒澤 俊介、横田 有為、佐藤 浩樹、豊田 智史、大橋 雄二、花田 貴、Vladimir Kochurikhin、吉川 彰
  • Organizer: 第50回結晶成長国内会議
• [Presentation] Shielded Arc Melting法を用いた結晶育成 (2021)
  • Author(s): 矢島 隆雅、鎌田 圭、石川 志緒利、瀧澤 優威、Kyoung Jin Kim、吉野 将生、山路 晃広、黒澤 俊介、横田 有為、佐藤 浩樹、豊田 智史、大橋 雄二、花田 貴、Vladimir Kochurikhin、吉川 彰
  • Organizer: 第50回結晶成長国内会議