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요약문
SUMMARY
목차
제1장 서론 28
제2장 국내외 기술개발현황 30
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 32
3.1. 단결정 육성방법과 종자결정의 제작 32
3.1.1. 단결정의 육성방법 32
3.1.2. 종자결정의 제작과 보존방법 33
3.2. 섬광계수기의 원리 36
3.2.1. 섬광체의 종류 36
3.2.2. 알칼리 헤라이드에서의 색중심 구조 40
3.2.3. 무기섬광체의 발광 메커니즘 44
3.3. 섬광체에 의한 γ선 스펙트럼 47
3.3.1. 감마선과 물질과의 상호작용 47
3.3.2. γ-선 스펙트럼 53
3.4. 열형광(Thermoluminescence) 57
3.4.1. 1차 발광과정(first order kinetics) 57
3.4.2. 2차 발광과정(second order kinetics) 62
3.4.3. 열형광 GLOW 곡선의 해석 65
3.5. 실험결과 및 측정 66
3.5.1. CsI단결정 섬광체의 최적육성조건 66
3.5.2. CsI단결정의 섬광체특성 및 방사선 손상 87
3.5.3. 열형광 특성 113
3.5.4. 섬광체 특성조사 122
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 131
제5장 연구개발 결과의 활용계획 133
제6장 참고문헌 134
Contents
[title page etc.] 1
SUMMARY 10
I. Introduction 28
II. Research and Development status 30
III. Details of the study and the results 32
3.1 Growth method of single crystal and manufacture of seed crystal 32
3.1.1 Growth method of single crystal 32
3.1.2 Manufacture of seed crystal and storage method 33
3.2 Principle of scintillation counters 36
3.2.1 Kinds of scintillator 36
3.2.2 Color center in alkali halides 40
3.2.3 Scintillation mechanism in inorganic scintillator 44
3.3 γ-ray spectrum for scintillator 47
3.3.1 Interaction of gamma rays with matter 47
3.3.2 γ-ray spectrum 53
3.4 Thermoluminescence 57
3.4.1 The first order kinetics 57
3.4.2 The second order kinetics 62
3.4.3 Analysis of thermoluminescence glow curve 65
3.5 Experimental measurement and results 66
3.5.1 Optimum growth conditions of CsI single crystal 66
3.5.2 Scintillation properties of CsI single crystal and radiation damage 87
3.5.3 Property of thermoluminescence 113
3.5.4. Investigation for scintillator properties 122
IV. Achievement of project objectives and contribution to other development 131
V. Proposals for applications of the results 133
VI. Reference 134
표 1. 결정육성방법 32
표 2. 일반적인 무기섬광체의 특성 38
표 3. 여러가지 유기 섬광체 39
표 4. 137⁴σk/Z5σ0의 값[이미지 참조] 49
표 5. 여러가지 감마에너지들에 대한 콤프턴 산란단면적 51
표 6. 감마에너지의 φ0[이미지 참조]값 52
표 7. CsI 단결정의 피크강도와 피크온도 83
표 8. CsI 분말과 CsI 결정에 포함된 불순물의 양 85
표 9. CsI 단결정의 육성조건 86
표 10. CsI(T1)의 각부분에 대한 T1 농도 89
표 11. 80℃에서의 회복시정수의 성분 101
표 12. 빛에 의한 회복시정수의 성분 105
표 13. CsI(Pure)와 CsI(T1)의 인광감쇠성분 120
표 14. PMT Hamamatsu에 장착한 CsI(Pure)와 CsI(T1) 및 BICRON CsI(T1)로 부터 얻은 반폭치, 최대채널 및 분해능 127
그림 1. 종자결정의 육성과정 34
그림 2. 종자결정육성의 순서도 35
그림 3. 알칼리 할라이드 결정의 에너지 준위 42
그림 4. 알칼리 할라이드에서의 색중심 43
그림 5. 밴드 구조로 나타낸 무기섬광체의 발광과정 46
그림 6. 단일에너지 광자에 대한 섬광스펙트럼 54
그림 7. 열형광에서의 간단한 두에너지 준위모델 59
그림 8. CsI 섬광체의 밴드 도형 67
그림 9. CsI 단결정을 육성하는 전기로 69
그림 10. 육성한 CsI 단결정 사진 72
그림 11. 종자결정의 X선 회절상 74
그림 12. CsI 단결정의 X선 회절상 75
그림 13. 전자빔 18 MeV 조사전후의 광투과율 79
그림 14. 열형광 glow 곡선 (a) CsI(10):1st, (b) CsI(20):1st, (c) CsI(40):1st, (d)CsI(60):1st. 81
그림 15. 열형광 glow 곡선 (a) CsI(40):1st, (b) CsI:2nd, (c) CsI:3rd 82
그림 16. CsI 단결정의 각부분에서의 T1 농도 88
그림 17. PMT에 CsI섬광체를 부착한 분광계 92
그림 18. CsI(Pure)와 CsI(T1)의 흡수스펙트럼 93
그림 19. 60Co[이미지 참조] 감마선 조사 전후의 흡수스펙트럼 95
그림 20. 60Co[이미지 참조] 감마선 조사 전후의 투과율 분포 98
그림 21. 시간의 함수로 나타낸 투과율 회복 (a) 40 ℃ (b) 80 ℃ 100
그림 22. 80 ℃에서의 60Co[이미지 참조] 감마선 조사 전후의 투과율 분포 102
그림 23. 빛에 의한 광투과율 회복 104
그림 24. 137Cs[이미지 참조]에 의해 여기된 CsI(Pure)와 CsI(T1)의 발광 스펙트럼 107
그림 25. CsI(Pure) 단결정의 여기 및 발광 스펙트럼 108
그림 26. 육성한 CsI(T1) 결정과 BICRON CsI(T1) 결정의 137Cs[이미지 참조] 감마선에 의한 발광스펙트럼 109
그림 27. T1 농도에 따른 CsI(T1)의 발광스펙트럼 111
그림 28. 발광스펙트럼의 Gaussian 분해 112
그림 29. thallium 농도에 따른 glow 곡선 114
그림 30. thermal bleaching 방법에 의해 분리한 CsI(T1) glow 곡선 116
그림 31. 매개변수를 표시한 분리된 glow 피크 117
그림 32. 가변상승률법으로 측정한 CsI(T1)의 glow 곡선 118
그림 33. CsI(T1)에 대하여 가변상승률법으로 구한 ln(T²m/β)대 1/Tm[이미지 참조] 119
그림 34. CsI(Pure)와 CsI(T1)의 인광 감쇠곡선 121
그림 35. CsI(Pure)와 CsI(T1)과 BICRON CsI(T1)로부터 얻은 137Cs[이미지 참조]에 대한 에너지 스펙트럼 124
그림 36. CsI(T1)과 BICRON CsI(T1)로부터 얻은 60Co[이미지 참조]에 대한 에너지 스펙트럼 126
그림 37. CsI(T1)+PMT 섬광분광계의 선형성 128
그림 38. T1농도에 따른 CsI(T1) 단결정의 662 keV 감마선에 대한 단위 에너지당 상대적 펄스높이 129
그림 39. 육성한 CsI(T1)과 BICRON CsI(T1)의 에너지분해능 비교 130
Table 1. Crystal growth methods. 32
Table 2. Properties of common inorganic scintillators. 38
Table 3. Several organic scintillators. 39
Table 4. Values of 137⁴σk/Z5σ0.[이미지 참조] 49
Table 5. Compton scattering cross-section for various gamma energies. 51
Table 6. φo[이미지 참조] values of gamma energy. 52
Table 7. Peak intensity and peak temperatures of the CsI single crystals. 83
Table 8. Amount of impurity in the CsI powder and CsI crystals. 85
Table 9. Growth conditions of CsI single crystal. 86
Table 10. T1-concentration in various section of a CsI(T1) crystal. 89
Table 11. Components of recovery time constant at 80 ℃. 101
Table 12. Components of recovery time constant caused by the light. 105
Table 13. Components of phosphorescence decay in CsI(pure) and CsI(T1). 120
Table 14. Resolution, FWHM and maximum channel obtained from CsI(pure), CsI(T1) and BICRON CsI(T1) coupled to PMT Hamamatsu R374. 127
Fig. 1. Growth process of seed crystal. 34
Fig. 2. Flowchart of seed crystal growth. 35
Fig. 3. Energy level scheme of alkali halide crystal. 42
Fig. 4. Colors centers in alkali halides. 43
Fig. 5. Scintillation process in inorganic crystals in terms of band structure. 46
Fig. 6. Scintillation spectrum for single photon energy 54
Fig. 7. Simple two-level model for thermoluminescence/(thermoluminescecne). 59
Fig. 8. Band diagram of CsI scintillator. 67
Fig. 9. Electrical furnace for CsI single crystal growth. 69
Fig. 10. Photographs of grown CsI single crystals. 72
Fig. 11. XRD pattern of CsI seed crystal. 74
Fig. 12. X-ray diffraction pattern of CsI crystal. 75
Fig. 13. Transmission curves before and after the irradiation with 18 MeV electron beam. 79
Fig. 14. Thermoluminescence glow curves of (a) CsI(10):1st, (b) CsI(20):1st, (c) CsI(40):1st, (d) CsI(60):1st. 81
Fig. 15. Thermoluminescence glow curves of (a) CsI(40):1st, (b) CsI:2nd, (c) CsI:3rd. 82
Fig. 16. T1-concentration in various section of a CsI(T1) crystal. 88
Fig. 17. Spectrometer system using the CsI scintillator attached to a PMT. 92
Fig. 18. Absorption spectra of CsI(pure) and CsI(T1). 93
Fig. 19. Absorption spectra before and after the irradiation with 60Co[이미지 참조] γ-ray. 95
Fig. 20. Transmission spectra before and after the irradiation with 60Co[이미지 참조] γ-ray. 98
Fig. 21. Transmission recovery as a function of time at (a) 40℃ and (b) 80℃. 100
Fig. 22. Transmission spectra before and after the 60Co[이미지 참조] γ-rays at 80.℃ 102
Fig. 23. Transmission recovery caused by the light. 104
Fig. 24. Emission spectra of CsI(pure) and CsI(T1) excited by 137Cs[이미지 참조] gamma ray. 107
Fig. 25. Excitation and emission spectra of CsI(pure) crystal. 108
Fig. 26. 137Cs[이미지 참조] gamma ray excited emission spectra of grown CsI(T1) crystals and BICRON CsI(T1) crystal. 109
Fig. 27. Emission spectra of grown CsI(T1) crystals for different T1 concentrations. 111
Fig. 28. Gaussian decomposition of emission spectrum 112
Fig. 29. The glow curves of thallium concentration dependence. 114
Fig. 30. Isolated glow peaks of CsI(T1) resolved by the thermal bleaching method. 116
Fig. 31. An isolated glow peak showing the parameter. 117
Fig. 32. Glow curves of the grown CsI(T1) crystal with various heating rates. 118
Fig. 33. Plots of ln(T²m/β) vs. 1/Tm obtained by various heating rate method for the CsI(T1).[이미지참조] 119
Fig. 34. Phosphorescence decay curves for CsI(pure) and CsI(T1). 121
Fig. 35. Energy spectra of 137Cs[이미지 참조] obtained from CsI(pure), CsI(T1) and BICRON Csl(T1). 124
Fig. 36. Energy spectra of 60Co[이미지 참조] obtained from grown CsI(T1) and BICRON CsI(T1). 126
Fig. 37. Linearity of CsI(T1)+PMT scintillation spectrometer system. 128
Fig. 38. Relative pulse height per unit energy resulting from the excitation of CsI(T1) crystals with 662 keV gamma rays as a function of T1 content of the crystal. 129
Fig. 39. Comparison of energy resolution of grown CsI(T1) and BICRON CsI(T1). 130