Studium scintilačních vlastností krystalů rostlých metodou plovoucí zóny

• Thesis title in Czech: Studium scintilačních vlastností krystalů rostlých metodou plovoucí zóny
• Thesis title in English: The study of scintillation properties of single crystals grown by floating zone method
• Key words: monokrystal|metoda plovoucí horké zóny|scintilátory
• English key words: single crystal|floating zone method|scintillator
• Academic year of topic announcement: 2022/2023
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Supervisor: doc. RNDr. Jiří Pospíšil, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 01.09.2022
• Date of assignment: 01.09.2022
• Confirmed by Study dept. on: 17.10.2022
• Advisors: prof. Ing. Martin Nikl, CSc.

Guidelines

1) Rešerše literatury
2) Růst monokrystalů vybraných kandidátů scintilátorů metodou zonální tavby s primárním zaměřením na varianty granátu GGAG
3) Testování vlivu složení pracovní atmosféry na luminiscenční a scintilační vlastnosti připravených monokrystalů
4) Analýza kvality monokrystalů - difrakční metody
5) Experimentální ověření a analýza luminiscenčních a scintilačních vlastností monokrystalů ve spolupráci FZU AVČR pod vedením konzultanta diplomové práce.
6) Teoretický popis a anlýza pozorovaných scintilačních vlastností monokrystalů na úrovni studenta magisterského stupně

References

1. Struktura a vlastnosti krystalů, Ivo Kraus. Academia 1993

2. Základní procesy růstu monokrystalů pro optoelektroniku, Jan Novotný, Academia 2003

3. Springer Handbook of Crystal Growth, Govindhan Dhanaraj, Kullaiah Byrappa, Vishwanath Prasad, Michael Dudley, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010

4. Odborná literatura v elektronických žurnálech dostupných přes univerzitní knihovnu

Preliminary scope of work

Scintilační materiály přeměňují ionizující záření (X, gama paprsky) nebo svazky částic (elektrony, hadrony, neutrony) na světelný záblesk, tedy shluk viditelných nebo ultrafialových (UV) fotonů, které lze snadno detekovat současnými fotodetektory (fotodioda, fotonásobič). Výzkum a vývoj monokrystalických scintilátorů je již několik desetiletí velmi intenzivní kvůli jejich použití v různých oblastech. Lékařské zobrazování, vnitřní bezpečnost, high-tech zařízení a fyzika vysokých energií jsou v dnešní době těmi nejdůležitějšími, které stimulují jejich další rozvoj. Lékařské zobrazování zahrnuje počítačovou tomografii (CT), pozitronovou emisní tomografii nebo mamografii (PET, PEM) a jednofotonovou emisní počítačovou tomografii (SPECT). Vysoký výtěžek světla a rychlá scintilační odezva, vysoké energetické rozlišení a co nejnižší zpožděné vysvěcování jsou kriticky důležité parametry. Specifická poptávka po ultrarychlých scintilátorech nedávno vyvstala kvůli potřebě zlepšit rozlišení tzv. koincidenčního časování v detekčních technikách využívajících čas letu jako TOF-PET. Vnitřní bezpečnost zahrnuje dobře známé skenování zavazadel nebo zboží na letištích nebo skenování kontejnerů v námořních přístavech, ale je důležité v obecném smyslu také pro obranu proti nedovolenému obchodu s jadernými materiály, drogami a výbušninami a jeho význam stále roste vzhledem k existujícímu terorismu po celém světě.

Výkon objemového monokrystalického scintilačního materiálu je dán jeho kvalitou, vhodnou porůstovou úpravou a u většiny moderních materiálů optimalizovaným dopingem a případným kodopováním materiálu. Posledně jmenovaný, nedávno vyvinutý přístup „defect engineering“ vedl k další optimalizaci scintilačních charakteristik v oxidových sloučeninách, využívá Ce4+ ionty ve scintilačním mechanismu. Toho lze dosáhnout společným dopováním dvojmocných iontů (Mg2+, Ca2+) a/nebo vzduchem (kyslíkem), případně vysokoteplotním žíháním.

Předmětem diplomové práce je testování růstu ko-dopovaných krystalů scintilátorů na bázi multikomponentních granátů metodou plovoucí zóny implementované v moderní optické laserové peci a studium jejich scintilačních a luminiscenčních vlastností ve spolupráci s FZU AVČR. Laserová pec (LFZ) je schopna rychlého růstu monokrystalů s bodem tání až do 2700 °C. LFZ je bezkelímková metoda, tudíž je velmi flexibilní i ve využití růstové atmosféry, kterou může být i čistý kyslík za tlaku až 10 atm. Nemá tedy typická omezení pro podmínky růstu krystalů a složení atmosféry v běžně používaných metodách Czochralského nebo mPD.

Preliminary scope of work in English

Scintillation materials transform ionizing radiation (X, gamma rays) or particle beams (electrons, hadrons, neutrons) into a flash of light, i.e. bunch of visible or ultraviolet (UV) photons, which can be easily detected by current photodetectors (photodiode, photomultiplier). R&D of single crystal scintillators is very intense for several decades [1] due to their usage in various fields. Nowadays, medical imaging, homeland security, high-tech devices, and high-energy physics are the most important ones which stimulate their further development. Medical imaging includes computed tomography (CT), positron emission tomography or mammography (PET, PEM), and single-photon emission computer tomography (SPECT). High light yield and fast scintillation response, high energy resolution, and low afterglow are critically important parameters. Specific demand for ultrafast scintillators has arisen recently due to the need to improve so-called coincidence timing resolution in detection techniques using time of flight as TOFPET. Homeland security includes well-known luggage or goods scanning at the airports or container scanning at seaports but is important in general sense for the defense against illicit traffic of nuclear materials, drugs, and explosives as well, and its importance is increasing due to existing terrorism worldwide.

The performance of bulk single crystal scintillation material is determined by its quality, appropriate post-growth treatment and in most modern materials optimized doping and eventual codoping of the host. The latter, a recently developed “defect engineering” approach to further optimize the scintillation performance in cerium-doped oxide compounds, is employing the Ce4+ ions in the scintillation mechanism. This can be achieved by divalent ion (Mg2+, Ca2+) co-doping and/or air (oxygen) high-temperature annealing.

The subject of the diploma thesis is testing the growth of co-doped scintillator single crystals based on multicomponent garnets by the floating zone method implemented in a modern optical laser furnace and the study of their scintillation and luminescence properties in cooperation with FZU AVČR. The laser furnace (LFZ) is capable of rapid growth of single crystals with a melting point of up to 2700 °C. LFZ is a crucibleless method, so it is very flexible in the use of a growth atmosphere, which can be even pure oxygen at a pressure of up to 10 atm. Thus, it does not have the typical limitations for crystal growth conditions and atmospheric composition in the commonly used Czochralski method or mPD one.