1 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Naam, Afdeling СПбГПУ лаборатория Физики Ионных Кристаллов ЗАО «ИНКРОМ», СП ПИЯФ, Гатчина ИОФАН, Москва СПбГПУ Сверхбыстрые сцинтилляторы на основе фторида бария для РЕТ и других применений П.А. Родный ноябрь 2010

2 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Ионизирующее излучение Сцинтиллятор New photodetectors – SiPM, SSPM P.Bazhan et al. NIM A, 504 (2003) Электрический сигнал СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов ФЭУ PMT = ps

3 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Сцинтилляторы применяются: Компьютерная томография Позитрон-эмиссионная томография (PET) - Single photon emission computed tomography (SPECT) Космические исследования Таможенный контроль Дозиметрия Физика высоких энергий ……….. Сцинтиллятор – лимитирующий фактор быстродействия детектора

4 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Image Reconstruction - Detector Tracer Labeled with Positron Emitter Positron Emission Tomography n n p p p p p n p e+e+ n e-e- СПбГПУ лаборатория Физики Ионных Кристаллов

5 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Annihilation LOR t1t1 t2t2 without TOF with TOF t 2 -t 1 From: Y. Haemisch, Philips Medical Systems Time of flight TOF-PET [W.Moses, IEEE, Trans. Nucl. Sci. NS-46 (1999) 474] СПбГПУ лаборатория Физики Ионных Кристаллов

6 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Material LY, Phs/MeV m, nm Atten. Length (511 keV), cm, ns NaI:Tl 38, LSO 24, BGO 8, GSO 7, BaF 2 10,000220/ /620 Properties of Inorganic Scintillators Used for PET T. Bäck et al. NIM A 471(2001) 200 / A detector system for PET with time-of-flight capability has been built. The set-up consists of 48 BaF 2 scintillator crystals, each coupled to a fast PMT, mounted in a circular geometry. The best time resolution for a pair of the detectors was 340 ps.

7 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов BaF 2 emission (остовно-валентные переходы) (экситонная Люминесценция) 1980 г.

8 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Схема энергетических зон BaF 2 и основные электронные переходы

9 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов сцинтиллятор СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Технология Теория Создание оптических керамик на основе BaF 2, и BaF 2 :Ce - Требования для PET: - Быстродействие - Высокий световыход - Высокое энерг. разреш. - Низкая стоимость

10 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов – нагреватель графитовый; 2 – упор; 3 – пуансон установки; 4 – крышка; 5 – обечайка; 6 – экран верхний; 7 – экран боковой; 8 – вентиль сдувочный; 9 – лампа манометрическая; Установка для горячего прессования (ИНКРОМ) Т = С P=200 МПа керамики: 35mm, d=4-5mm Примеси в исходных фторидах мас.%

11 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Микроструктура BaF 2 :Ce керамики М. Ш. Акчурин и др. ПЕРСПЕКТ. МАТЕРИАЛЫ (2006) стр. 5. Методами АСМ, РЭМ и ПЭМ показано, что в керамике CaF 2 зерна пронизаны системой параллельных полос, расстояния между которыми составляет 25 – 50 нм (двойники). Для керамики ВaF 2 полосы не так характерны и группируются около границ зерен.

12 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Спектры рентгенолюминесценции (РЛ) Спектры РЛ образцов фторида бария: 1 – кристалл BaF 2, 2 – керамика BaF 2, 3 – кристалл BaF 2 :Ce (0,1 мол.%), 4- керамика BaF 2 :Ce (0,1 мол.%)

13 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Спектры РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF 2, 2 – керамика BaF 2 :Ce (0,1 мол.%) Интегральный световыход образцов BaF 2 :Ce 3+ выше, чем таковой у чистого BaF 2 Спектры РЛ

14 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Shaping time 10μs R = 10,7%; N phe = 4300 phe/MeV; N ph = ph/MeV Pulse height spectra of BaF 2 :Ce(0,1mol.%) /Cs 137 / Shaping time 1μs R = 8,6%; N phe = 3056 phe/MeV; N ph = 8258 ph/MeV

15 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF 2, 2 – кристалл BaF 2 Кинетика РЛ BaF 2

16 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF 2 :Ce (0,05 мол.%), 2 – керамика BaF 2 :Ce (0,1 мол.%) Кинетика РЛ

17 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Оптическое пропускание образцов BaF 2 толщиной 3 мм (1, 2) и BaF 2 :Ce (0.025 мол.%), толщиной 15 мм (3, 4). 1, 3 кристалл, 2, 4 керамика Прозрачность

18 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Оптическая керамика BaF 2 и BaF 2 :Ce ОбразецФорма Ce 3+, мол% 1, нс I m1 2, нс 3, нс LY BaF 2 Крист-0.9± ±251.0 BaF 2 Кер-0.9± ± BaF 2 :CeКер0.10.9± ±4360± BaF 2 :CeКрист0.11.3± ±2240± BaF 2 :CeКер ± ±7265±401.98

19 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Оптическая керамика BaF 2 :Cd Кинетика РЛ: 1 – кристалл BaF 2, 2 – кристалл BaF 2 :Cd(1мол.%) Интегральный световыход керамического образца BaF 2 :Cd(0.1 мол.%) в 1.3 раза больше, чем таковой у нелегированного BaF 2

20 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Оптическая керамика BaF 2 :Sc Кинетика РЛ образцов фторида бария: 1 – керамика BaF 2 =243,3%, 2 – керамика BaF 2 :Sc (2мол.%), прошедшая отжиг в CF 4 =280% Получено увеличение амплитуды сверхбыстрого компонента в 3.6 раза по сравнению с нелегированным керамическим образцом, не прошедшим отжиг. При этом уменьшается интенсивность медленного компонента чуть более чем в 2 раза Степень деформации: =(l 0 -l k )/l k

21 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Оптическая керамика на основе BaF 2 :Sc Зависимость интенсивности сверхбыстрого компонента от степени деформации: =(l 0 -l k )/l k При различных концентрациях Sc и для различных степеней деформации интенсивность сверхбыстрого компонента ведет себя по-разному

22 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Выводы Установлено, что при оптимальной концентрации ионов Ce 3+ во фториде бария интенсивность сверхбыстрого компонента РЛ практически такая же, как в чистом BaF 2 Интегральная интенсивность РЛ BaF 2 :Ce 3+ (кристаллов и керамик) существенно выше, чем для нелегированного кристалла BaF 2. В случае BaF 2 :Ce 3+ получено небольшое увеличение интенсивности РЛ для систем нанокерамика/монокристалл Показано, что при концентрации Cd 2+ 1мол.% (кристалл) интенсивность сверхбыстрого компонента в 1.75 раза больше, чем для нелегированного кристаллического фторида бария Для керамического образца BaF 2 :Sc 3+ (2мол.%), прошедшего отжиг в атмосфере CF 4 наблюдается увеличение амплитуды сверхбыстрого компонента в 3.6 раза по сравнению с нелегированным керамическим образцом, не прошедшим отжиг. При этом уменьшается интенсивность медленного компонента чуть более чем в 2 раза

23 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Публикации по теме исследований A.A. Demidenko, E.A. Garibin, S.D. Gain, Yu.I. Gusev, P.P. Fedorov, I.A. Mironov, S.B. Michrin, V.V. Osiko, P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N. Smirnov. Scintillation parameters of BaF 2 and BaF 2 :Ce 3+ ceramics. Optical materials V32. P П.А. Родный, С.Д. Гаин, И.А. Миронов, Е.А. Гарибин, А.А. Демиденко, Д.М. Селиверстов, Ю.И. Гусев, П.П. Федоров, С.В. Кузнецов. Спектрально-кинетические характеристики кристаллов и нанокерамик на основе BaF 2 и BaF 2 :Ce. ФТТ, том 52, вып.9, 2010, Стр.1780 Е.А. Гарибин, С.Д. Гаин, П.Е. Гусев, Ю.И. Гусев, Д.В. Леушев, И.А. Миронов, П.А. Родный, Д.М. Селиверстов, А.Н. Смирнов. Новые сцинтилляторы на основе кристаллов и керамик фторида бария, Известия РАН, серия физическая (подано в печать) Также по результатам работ поданы 2 заявки на изобретения

24 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов СПбГПУ лаборатория Физика Ионных Кристаллов Участие в конференциях A.A. Demidenko, E.A. Garibin, S.D. Gain, Yu.I. Gusev, P.P. Fedorov, I.A. Mironov, S.B.Michrin, V.V. Osiko, P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N. Smirnov. Scintillation Parameters of BaF 2 and BaF 2 :Ce 3+ Ceramics. 5th Int. Symp. On Laser, Scintillator and Non Linear Optical Materials, Pisa, Italy, September 3-5, 2009 С.Д. Гаин, П.А. Родный. Сцинтилляционные свойства оптических керамик на основе BaF 2, легированных Ce, Cd и Sc. Конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада, Санкт-Петербург, Россия, октября 2009 E.A. Garibin, S.D. Gain, P.E. Gusev, Yu.I. Gusev, D.V. Leushev, I.A. Mirinov, P.A. Rodnyi, D.M. Seliverstov, A.N. Smirnov. Ultra fast scintillators based on BaF 2 crystals and ceramics. LX International conference on nuclear physics Nucleus 2010, Saint-Petersburg, Russia, July 6-9, 2010 С.Д. Гаин, Е.А. Гарибин, А.Н. Смирнов, П.А. Родный, Д.М. Селиверстов. Оптические керамики на основе фторида бария. Международная научно-техническая конференция Нанотехнологии Функциональных Материалов, Санкт-Петербург, сентября 2010 Также планируются доклады на Второй международной конференции ИСМАРТ- 2010, Харьков, Украина, ноября 2010

25 ЛПИ, лаб. Физики ионных кристаллов Положение RE ионов в BaF 2