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Fast scintillating ZnO ceramics for relativistic heavy-ion beam diagnostics

Saifulin, Maxim (2024)
Fast scintillating ZnO ceramics for relativistic heavy-ion beam diagnostics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026525
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

This thesis focuses on the study of inorganic scintillating ceramics based on zinc oxide prepared by uni-axial hot pressing in vacuum and doped with different elements such as indium and gallium. The optical and luminescent properties of these samples were tested under heavy-ion irradiation. The investigations are motivated by the need to eventually replace plastic scintillators, which are currently standard for beam diagnostics in fast-counting scintillation detectors but suffer severely from radiation damage. ZnO-based ceramic scintillation detectors are expected to be radiation hard and as such particularly suitable for beam diagnostics at heavy-ion accelerator facilities for absolute beam intensity measurements and calibration of beam current measuring devices such as ionization chambers and secondary electron transmission monitors.

The ion irradiation experiments were performed at the universal linear accelerator UNILAC and at the heavy-ion synchrotron SIS18 of the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Darmstadt, Germany). The ceramic samples were irradiated under various beam conditions, including ions between 40Ar and 238U ions, beam energies from 4.8 to 500 MeV/u, and fluences up to 10^13 ions/cm^2. The light output and emission spectra of ion-induced luminescence were recorded in-situ during sample irradiation.

Under all beam conditions, the intensity of the luminescent light decreases with increasing ion fluence. The evolution of the light intensity as a function of fluence is described with the model suggested by Birks and Black, yielding the critical fluence of 50% intensity loss for the stopping powers of the respective ions. The ZnO-based ceramics show more than 100 times higher radiation hardness compared to standard plastic scintillators used in heavy-ion beam diagnostics. Non-irradiated In-doped and Ga-doped ZnO ceramics exhibit intense exciton-related near-band-edge emission combined with very low defect-related deep-level emission.

When exposed to heavy ions, the intensity of the near-band-edge emission decreases, but no new emission bands associated with radiation-induced defects are observed. In-situ optical light transmission measurements were performed in the wavelength range of 300 to 1000 nm. With increasing ion fluence, the spectra show a more and more pronounced reduction in transmission in the 390-600 nm range, while no change is observed at higher wavelengths. Important to note is that the ionoluminescence intensity decreases faster than the optical transmission. The kinetics of luminescent light emission was characterized using fast photomultiplier tube signals. Before ion exposure, both In-doped and Ga-doped ZnO ceramics exhibit ultrafast scintillation decay times of less than a nanosecond. No change in scintillation decay time is observed as a result of ion irradiation.

The second part of the thesis concentrated on the design and construction of a prototype ZnO(In) based scintillation detector. The performance of this prototype was tested with various 300 MeV/u ions (40Ar-238U) including a variation of the beam spot position across the active area of the prototype detector. Compared to the plastic reference detector, the ZnO ceramic prototype showed 100% counting efficiency. Considering the radiation hardness results, the ceramic detector is expected to have an operational lifetime at least 100 times longer than the plastic scintillation detectors currently used for beam diagnostics at GSI. The new detector prototype represents a tool with significantly improved properties for heavy-ion beam diagnostics.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Saifulin, Maxim
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Fast scintillating ZnO ceramics for relativistic heavy-ion beam diagnostics
Sprache: Englisch
Referenten: Trautmann, Prof. Dr. Christina ; Krupke, Prof. Dr. Ralph
Publikationsjahr: 30 Januar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xx, 118 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 11 Dezember 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026525
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26525
Kurzbeschreibung (Abstract):

This thesis focuses on the study of inorganic scintillating ceramics based on zinc oxide prepared by uni-axial hot pressing in vacuum and doped with different elements such as indium and gallium. The optical and luminescent properties of these samples were tested under heavy-ion irradiation. The investigations are motivated by the need to eventually replace plastic scintillators, which are currently standard for beam diagnostics in fast-counting scintillation detectors but suffer severely from radiation damage. ZnO-based ceramic scintillation detectors are expected to be radiation hard and as such particularly suitable for beam diagnostics at heavy-ion accelerator facilities for absolute beam intensity measurements and calibration of beam current measuring devices such as ionization chambers and secondary electron transmission monitors.

The ion irradiation experiments were performed at the universal linear accelerator UNILAC and at the heavy-ion synchrotron SIS18 of the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Darmstadt, Germany). The ceramic samples were irradiated under various beam conditions, including ions between 40Ar and 238U ions, beam energies from 4.8 to 500 MeV/u, and fluences up to 10^13 ions/cm^2. The light output and emission spectra of ion-induced luminescence were recorded in-situ during sample irradiation.

Under all beam conditions, the intensity of the luminescent light decreases with increasing ion fluence. The evolution of the light intensity as a function of fluence is described with the model suggested by Birks and Black, yielding the critical fluence of 50% intensity loss for the stopping powers of the respective ions. The ZnO-based ceramics show more than 100 times higher radiation hardness compared to standard plastic scintillators used in heavy-ion beam diagnostics. Non-irradiated In-doped and Ga-doped ZnO ceramics exhibit intense exciton-related near-band-edge emission combined with very low defect-related deep-level emission.

When exposed to heavy ions, the intensity of the near-band-edge emission decreases, but no new emission bands associated with radiation-induced defects are observed. In-situ optical light transmission measurements were performed in the wavelength range of 300 to 1000 nm. With increasing ion fluence, the spectra show a more and more pronounced reduction in transmission in the 390-600 nm range, while no change is observed at higher wavelengths. Important to note is that the ionoluminescence intensity decreases faster than the optical transmission. The kinetics of luminescent light emission was characterized using fast photomultiplier tube signals. Before ion exposure, both In-doped and Ga-doped ZnO ceramics exhibit ultrafast scintillation decay times of less than a nanosecond. No change in scintillation decay time is observed as a result of ion irradiation.

The second part of the thesis concentrated on the design and construction of a prototype ZnO(In) based scintillation detector. The performance of this prototype was tested with various 300 MeV/u ions (40Ar-238U) including a variation of the beam spot position across the active area of the prototype detector. Compared to the plastic reference detector, the ZnO ceramic prototype showed 100% counting efficiency. Considering the radiation hardness results, the ceramic detector is expected to have an operational lifetime at least 100 times longer than the plastic scintillation detectors currently used for beam diagnostics at GSI. The new detector prototype represents a tool with significantly improved properties for heavy-ion beam diagnostics.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung von anorganischen keramischen Szintillatoren auf Basis von Zinkoxid, die durch einachsiges Heißpressen im Vakuum hergestellt und mit verschiedenen Elementen wie Indium und Gallium dotiert wurden. Die optischen und Lumineszenzeigenschaften dieser Proben wurden unter Schwerionenbestrahlung getestet. Die Untersuchungen sind durch die Notwendigkeit motiviert, Plastikszintillatoren zu ersetzen, welche derzeit standardmäßig in schnell zählenden Szintillationsdetektoren eingesetzt werden, aber stark unter Strahlungsschäden leiden. Es wird erwartet, dass keramische Szintillationsdetektoren auf ZnO-Basis strahlungsfest sind und sich daher besonders für die Strahldiagnostik an Schwerionenbeschleunigeranlagen für absolute Strahlintensitätsmessungen sowie die Kalibrierung von Strahlstrommessgeräten wie Ionisationskammern und Sekundärelektronentransmissionsmonitoren eignen.

Die Bestrahlungsexperimente wurden am universellen Linearbeschleuniger UNILAC und am Schwerionensynchrotron SIS18 des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (Darmstadt, Deutschland) durchgeführt. Die Proben wurden unter verschiedenen Strahlbedingungen bestrahlt, darunter Ionen zwischen 40Ar und 238U, Strahlenergien von 4,8 bis 500 MeV/u und Ionenfluenzen bis zu 10^13 cm^-2. Die Lichtausbeute und ioneninduzierte Lumineszenzspektren wurden in-situ während der Probenbestrahlung aufgezeichnet.

Unter allen Bestrahlungsbedingungen nimmt die Luminieszenzintensität mit steigender Ionenfluenz ab. Der Intensitätsverlauf als Funktion der Fluenz wird gut durch das von Birks und Black vorgeschlagenen Modells beschreiben und liefert kritishe Fluenzwerte (50% Intensitätsverlust) für die Energieverluste der verschiedenen Ionen. Die auf ZnO basierten Keramiken weisen eine mehr als 100-mal höhere Strahlenresistenz auf als Standard-Szintillatoren aus Kunststoff. In-dotierte und Ga-dotierte ZnO-Keramiken zeigen eine intensive exzitonenbasierte Nahbandkantenemission zusammen mit einer sehr geringen sogenannten deep-level Emission, die auf Defekte zurückzuführen ist.

Bei der Bestrahlung mit schweren Ionen nimmt die Intensität der bandnahen Emission ab, es werden jedoch keine neuen Emissionsbänder beobachtet, die mit strahleninduzierten Defekten in Verbindung stehen. Messungen der optischen Lichtdurchlässigkeit wurden im Wellenlängenbereich von 300 bis 1000 nm durchgeführt. Mit zunehmender Ionenfluenz zeigen die Spektren eine immer ausgeprägtere Verringerung der Transmission im Bereich von 390 bis 600 nm, während bei höheren Wellenlängen keine Veränderung zu beobachten ist. Es wurde gezeigt, dass die Intensität der Ionenlumineszenz schneller abnimmt als die optische Transmission. Die Kinetik der Luminiszentemission wurde an Hand der Signale einer schnellen Photomultiplier Röhre analysiert. Vor der Bestrahlung weisen sowohl In-dotierte als auch Ga-dotierte ZnO-Keramiken ultraschnelle Abklingzeiten von weniger als einer Nanosekunde auf, welche sich durch die Bestrahlung nicht ändert.

Der zweite Teil der Arbeit konzentrierte sich auf den Entwurf und die Konstruktion eines Szintillationsdetektor-Prototypen. Die Leistung dieses Prototyps wurde mit verschiedenen Ionen (40Ar-238U) bei 300 MeV/u getestet, einschließlich einer Variation der Strahlfleckposition über den aktiven Bereich des Detektors. Bezogen auf den Kunststoffdetektor zeigte der ZnO-Keramik-Prototyp eine Zähleffizienz von 100%. In Anbetracht der Ergebnisse zur Strahlenresistenz ist davon auszugehen, dass der Keramikdetektor eine mindestens 100-mal längere Lebensdauer als Szintillationsdetektoren aus Kunststoff haben wird und somit besser für die Diagnostik von Schwerionen geeignet ist.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265252
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Molekulare Nanostrukturen
Hinterlegungsdatum: 30 Jan 2024 12:38
Letzte Änderung: 31 Jan 2024 06:47
PPN:
Referenten: Trautmann, Prof. Dr. Christina ; Krupke, Prof. Dr. Ralph
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 11 Dezember 2023
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