Combined detectors of charged particles based on zinc selenide scintillators and silicon photodiodes

Combined detectors of charged particles are described based on zinc selenide (ZnSe(Te)) crystals, silicon photodiodes and charge-sensitive amplifiers. ZnSe(Te) scintillators are characterized by high alpha to beta ratio (~1.0), good scintillation efficiency (up to 22%), and high radiation stability (up to 100 Mrad), together with good spectral matching with silicon PIN photodiodes. The signals coming from the photodiode in the two modes (photoreceiver and semiconductor detector) differ in the amplitude values and pulse duration, which opens new possibilities for development and application of such combined detectors

Effect of technology parameters on the quality of nZnSe(X)/Ni Schottky diodes

Effect of technology parameters on the quality of nZnSe(X)/Nl Schottky's surface barrier structure used as components of UV photosensitive detectors are studied. Both the spectrum and the total sensitivity of photodiodes depend substantially on the nickel film thickness. Estimation of the film thickness showed that optimal nickel layer thickness is ~ 20 nm. The shape of spectral sensitivity curve does not depend on activator impurity in the ZnSe crystal which the diode is formed from.Вивчено вплив технологічних параметрів, а також проведено пошук причин, що впливають на основні вихідні параметри поверхнево-бар'єрної структури Шоткі ZnSe(X)/Ni, яка є основним компонентом при створенні детекторів УФ-випромінювання. Встановлено, що як спектр, так і інтегральна чутливість фотодіодів суттєво залежать від товщини плівки нікелю, причому оптимальною можна вважати товщину близько 20 нм. Форма спектральної чутливості не залежить від активуючої домішки у кристалі ZnSe, з якого формується діод.Изучено влияние технологических параметров, влияющих на основные выходные параметры поверхностно-барьерной структуры Шоттки nZnSe(X)/Ni, которая является основным компонентом при создании детекторов УФ излучения. Установлено, что как спектр, так и интегральная чувствительность фотодиодов существенно зависят от толщины пленки никеля, причем оптимальной можно считать толщину порядка 20 нм. Форма кривой спектральной чувствительности не зависит от активирующей добавки в кристалле ZnSe, из которого формируется диод

Small-grained detector of ionizing radiation based on ZnSe(Te)

A highly efficient ZnSe(Te) scintillation detector combined with Si-photodiode has been developed. A conglomerate made up of ZnSe(Te) grains is used as a scintillator. Optimal shape of the grains, reflecting cover and disperse environment type are selected to improve light collection within the detector using numerical simulation. Various shapes of light guides have been considered to maximize light output of the detector

Research and development of alkali earth tungstate and molybdate crystal scintillators for search for rare events

Large volume ZnWO₄ scintillator with improved performance characteristics have been obtained. Due to its favorable light yield values at low temperatures and extremely low intrinsic radioactivity, zinc tungstate is a material of very good prospects for cryogenic double beta-decay and dark matter experiments. The ZnMoO₄ single crystals were produced for the first time using Czochralski technique. The suitability of this material for cryogenic rare event search experiments has been studied and identified the ways to improve the scintillation properties of the crystal have been outlined. The manufacturing methods of MgWO₄ crystals have been investigated and the manufacturing possibility by pulling from the solution-melt on a seed has been established. The experimental MgWO₄ single crystals of ca. 1 cm³ volume have been prepared for the first time and the luminescence and scintillation characteristics thereof have been measured.Отримано сцинтилятори ZnWO₄ великого об'єму з поліпшеними характеристиками. Хороші параметри світлового виходу в області низьких температур і виключно низька власна радіоактивність роблять вольфрамат цинку одним з найперспективніших матеріалів для кріогенних експериментів з пошуку подвійного бета-розпаду і темної матерії. Вперше отримано монокристали ZnMoO₄ методом Чохральського. Досліджено можливість використання цього матеріала для кріогенних експериментів з пошуку рідкісних подій та намічено шляхи поліпшення сцинтиляційних характеристик. Досліджено методи отримання кристалів MgWO₄, встановлено принципову можливість вирощування об'ємних кристалів методом витягування з розчину у розплаві на затравку. Вперше отримано експериментальні зразки монокристалів MgWO₄ об'ємом ~1 см³ і виміряно їх люмінесцентні та сцинтиляційні характеристики.Получены сцинтилляторы ZnWO₄ большого объема с улучшенными характеристиками. Хорошие параметры светового выхода в области низких температур и исключительно низкая собственная радиоактивность делают вольфрамат цинка одним из самых перспективных материалов для криогенных экспериментов по поиску двойного бетараспада и темной материи. Впервые получены монокристаллы ZnMoO₄ методом Чохральского. Исследована возможность использования этого материала для криогенных экспериментов по поиску редких событий и намечены пути улучшения сцинтилляционных характеристик. Исследованы методы получения кристаллов MgWO₄, естановлена принципиальная возможность выращивания объемных кристаллов методом вытягивания из раствора в расплаве на затравку. Впервые получены экспериментальные образцы монокристаллов MgWO₄ объемом ~1 см³ и измерены их люминесцентные и сцинтилляционные характеристики

Integrated detectors of ionizing radiation based on ZnSe(Te)/pZnTe-nCdSe structures

A new type of solid state integrated detector of ionizing radiation has been proposed. It has been shown that the properties of ZnSe(Te) crystals make it possible to develop integrated detectors with photoreceivers of a photosensitive heterostructure type arranged directly on the scintillator surface. A preparation method of ZnSe(Te)/pZnTe—nCdSe detectors has been described and the output characteristics thereof have been obtained

Luminescence kinetics of crystals LSO co-doped with rare-earth elements

The effect of lutetium oxyorthosilicate (LSO) crystals co-doping with rare-earth elements (Ce, Yb) on the luminescence energy and kinetic parameters has been studied. A significant decrease of light storage (afterglow drop by 10²) is observed at the certain concentrations of activators (Cce ~ 0.1 at. %, Cyb ~ 0.5 at. %). Herein, the luminescence spectral composition and high light yield value are retained, and stability of output characteristics for LSO(Ce, Yb) is improved considerably.Вивчено вплив активування кристалів оксіортосилікату лютецію LSO рідкісноземельними елементами (Се, Yb) на енергетичні та кінетичні параметри люмінесценції. Показано, що при певних концентраціях активуючих домішок (Ссе ~ 0,1 ат. %, Сyb ~ 0,5 ат. %) спостерігається істотне зниження світлозапасання (рівень післясвітіння зменшується приблизно в 10² разів) при збереженні спектрального складу випромінювання та високого світлового виходу з одночасним значним поліпшенням стабільності вихідних характеристик LSO(Ce, Yb).Изучено влияние активирования кристаллов оксиортосиликата лютеция LSO редкоземельными элементами (Се, Yb) на энергетические и кинетические параметры люминесценции. Показано, что при определенных концентрациях активирующих примесей (Ссе ~ 0,1 ат. %, Сyb ~ 0,5 ат. %) наблюдается существенное снижение светозапасания (уровень послесвечения уменьшается примерно в 10²) при сохранении спектрального состава излучения и высокого световыхода с одновременным значительным улучшением стабильности выходных характеристик кристаллов LSO(Ce, Yb)

Growing and study of optical and luminescence properties of scintillation oxide crystals

Discussed are the peculiarities of the oxide crystal growing by Czochralski technique, the effects of the growth atmosphere on the structure transformation extent and direction, stoichiometric disordering of the oxide melts, the various defect formation nature in the crystals. It is just the redox potential of the growth atmosphere defining the oxygen thermochemical activity in the oxide melts that has been shown to influence considerably the extent and direction of the processes mentioned. The resulting effect of factors influencing the internal structure has been found to define the coordination of clusters of the crystal-forming components and the melt ability of single-phase crystallization.Обговорюються особливостi вирощування оксидних кристалiв методом чохральського, вплив газового середовища вирощування на глибину i напрям структурних перетворень, стехiометричної розупорядкованостi оксидних розплавiв, природу створення у кристалах рiзних дефектiв. Показано, що iстотний вплив на глибину i напрями цих процесiв, у тому числi термохiмiчну стiйкiсть розплаву, надає окислювально-вiдновний потенцiал газового середовища вирощування, що зумовлює термохiмiчну активнiсть кисню в оксидних розплавах. Результуюча дiя чинникiв, що впливають на внутрiшню структуру, визначає координацiю кластерiв кристалостворюючих компонентiв i здатнiсть розплаву до монофазної кристалiзацiї.Обсуждаются особенности выращивания оксидных кристаллов методом чохральского, влияние газовой среды выращивания на глубину и направление структурных преобразований, стехиометрическую разупорядоченность оксидных расплавов, природу образования в кристаллах различных дефектов. Показано, что существенное влияние на глубину и направления этих процессов, в том числе термохимическую устойчивость расплава, оказывает окислительно-восстановительный потенциал газовой среды выращивания, предопределяющий термохимическую активность кислорода в оксидных расплавах. Результирующее действие факторов, влияющих на внутреннюю структуру, определяет координацию кластеров кристаллообразующих компонентов и способность расплава к монофазной кристаллизации

Preparation and scintillation properties of LGSO:Ce crystals

Lu₂ₓGd₂₋₂ₓSlO₅:Ce single crystals with different Lu/(Lu+Gd) atomic ratio have been obtained by the Czochralski technique. It has been shown that the polymorph transition P2₁/c-C2/c space symmetry at substitution of Gd atoms by Lu takes place at Lu/(Lu + Gd) = 0.1-0.2. The obtained crystals with C2/c symmetry type demonstrate good scintillation characteristics. High Ce³⁺ segregation coefficient together with preferred inclusion of cerium into the seven-fold oxygen - coordinated position provide high light yield and good energy resolution of the crystals.Методом Чохральського вирощено монокристали Lu₂ₓGd₂₋₂ₓSlO₅:Ce з різним атомним співвідношенням Lu/(Lu+Gd). Показано, що поліморфний перехід від просторової симетрії Р2₁/с до С2/с в процесі заміщення атомів гадолінію на лютецій відбувається при співвідношенні Lu/(Lu+Gd)=0.1-0.2. Отримані кристали з типом просторової симетрії С2/с демонструють високі сцинтиляційні характеристики. Високий коефіцієнт входження іонів Се³⁺ у матрицю у поєднанні з переважним входженням церію у семикоординовану позицію киснем обумовлює високий світловий вихід та енергетичну роздільну здатність кристалів.Методом Чохральского выращены монокристаллы Lu₂ₓGd₂₋₂ₓSlO₅:Ce с различным атомным соотношением Lu/(Lu+Gd). Показано, что полиморфный переход при смене пространственной симметрии с Р2₁/с на С2/с в процессе замещения атомов гадолиния на лютеций происходит при соотношении Lu/(Lu+Gd) = 0.1-0.2. Полученные кристаллы с типом пространственной симметрии С2/с демонстрируют высокие сцинтилляционные характеристики. Высокий коэффициент вхождения ионов Се³⁺ в матрицу в совокупности с предпочтительным вхождением церия в семикоординированную позицию по кислороду обусловливает высокий световой выход и энергетическое разрешение кристаллов