초크랄스키법에 의한 Ce:GAGG 단결정 성장 및 섬광 특성

Abstract

산업의 발전에 따라 현재 국내 원자력 기술은 한국형 원자로의 설계 및 건설기술의 국산화 등 선진국 수준의 기술력을 갖추었다. 이에 따라 원자력 안전에 대한 관심이 높아지고 있으며 의료 분야에서의 인체 진단 및 치료, 공산품의 품질관리와 같은 분야에서도 방사선 응용기술이 적용되고 있다. 그러나 원자력 응용 기술의 기초 분야인 방사선 검출용 섬광체 제조 기술은 비교적 미비한 상태이다. 여러 산업 분야에서 요구하는 방사선 검출 소재 제조 기술은 국내에 전무한 실정이어서 전량 외국에서 수입하고 있는 실정이다. 섬광체는 방사선을 효과적으로 감지하여 다양한 정보를 얻을 수 있게 해주며 알파, 베타, 감마, 중성자 등의 방사선에 대한 반응 효율이 큰 소재를 사용한다. 고체 섬광체 중 LYSO, LSO 와 같은 Lu (lutetium)이 첨가된 산화물 단결정이 우수한 특성을 나타내지만 원료로 사용되는 Lu 의 자원이 거의 고갈된 상황이어서 폭 넓게 적용하기 위한 대량 생산이 불가한 상황이다. 본 연구에서는 Lu 계열 섬광체에 근사한 방사선 검출 효율을 나타내는 저가의 섬광체 물질을 제조하기 위하여 GAGG (gadolinium aluminum gallium garnet) 조성에 Ce (cerium)을 첨가한 조성을 연구하였다. 이를 위하여 4 성분계 원료 조성의 균질한 합성 조건과 초크랄스키 (Czochralski)법을 사용하여 직경 2 인치급의 단결정 잉곳 성장 조건을 도출하였고 섬광 특성을 측정하여 섬광 효율 (light yield) 46,000 ph/MeV 및 섬광 감쇄 시간 (scintillation decay time)을 1st 67 ns (78 %), 2nd 180 ns (22 %) 수준의 상용화된 고체 산화물 섬광체와 동등한 수준을 달성한 것을 확인하였다.|According to the rapid industrial development, the importance on nuclear safety has been increasing and radiation technology has also been applied in various field. However, the manufacturing technology of scintillator for radiation detecting is relatively insufficient. Normally, the oxide scintillators such as LYSO and LSO using Lu (lutetium) have excellent performance for weak radiation signal. But their mass production is very difficult because of exhaustion of lutetium. So, it need the new material having low cost and equivalent properties compare with Lu-series scintillator. In this work, Ce:GAGG (Gd3(Ga/Al)5O12, cerium doped gadolinium aluminium gallium garnet) single crystals were grown by the Czochralski method. Grown crystal had 100 mm in length and 50 mm in diameter. For measuring light yield and decay time, the energy spectra were collected under 662 KeV γ-ray excitation (137Cs source) using PMT (photo multiplier tube). The light yield and decay time were reached 46,000 ph/MeV and 1st 67 ns (78 %) and 2nd 180 ns (22 %). These scintillation properties represented the equivalent performance comparing with commercial oxide scintillators and better performance than halide scintillators.; According to the rapid industrial development, the importance on nuclear safety has been increasing and radiation technology has also been applied in various field. However, the manufacturing technology of scintillator for radiation detecting is relatively insufficient. Normally, the oxide scintillators such as LYSO and LSO using Lu (lutetium) have excellent performance for weak radiation signal. But their mass production is very difficult because of exhaustion of lutetium. So, it need the new material having low cost and equivalent properties compare with Lu-series scintillator. In this work, Ce:GAGG (Gd3(Ga/Al)5O12, cerium doped gadolinium aluminium gallium garnet) single crystals were grown by the Czochralski method. Grown crystal had 100 mm in length and 50 mm in diameter. For measuring light yield and decay time, the energy spectra were collected under 662 KeV γ-ray excitation (137Cs source) using PMT (photo multiplier tube). The light yield and decay time were reached 46,000 ph/MeV and 1st 67 ns (78 %) and 2nd 180 ns (22 %). These scintillation properties represented the equivalent performance comparing with commercial oxide scintillators and better performance than halide scintillators.