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Investigations on Imaging Properties of Inorganic Scintillation Screens under Irradiation with High Energetic Heavy Ions

Lieberwirth, Alice :
Investigations on Imaging Properties of Inorganic Scintillation Screens under Irradiation with High Energetic Heavy Ions.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigations on Imaging Properties of Inorganic Scintillation Screens under Irradiation with High Energetic Heavy Ions
Language: English
Abstract:

This work represents the investigations in imagine properties of inorganic scintillation screens as diagnostic elements in heavy ion accelerator facilities, that were performed at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research (Darmstadt, Germany) and TU Darmstadt. The screen materials can be classified in groups of phosphor screens (P43 and P46 phosphor), single crystals (cerium-doped Y3Al5O12) and polycrystalline aluminum oxides (pure and chromium-doped Al2O3). Out of these groups, a selection of seven screens were irradiated by five different projectiles (proton, nitrogen, nickel, xenon and uranium), that were extracted from SIS18 in fast (1 μs) and slow (300-400 ms) extraction mode at a specific energy of E_spec = 300 MeV/u. The number of irradiating particles per pulse was varied between 10^7 and 2*10^10 ppp and the scintillation response was recorded by a complex optical system. The records served on the one hand for investigations in the two-dimensional response to the irradiating beam, namely the light output L, the light yield Y and the characteristics of the beam profiles in horizontal and vertical direction. On the other hand the wavelength spectrum of the scintillation was recorded for investigations in variations of the material structure. A data analysis was performed based on a dedicated Python script. Additionally three conventional methods (UV/Vis transmission spectroscopy, X-Ray diffraction, Raman fluorescence spectroscopy) were performed after the beam times for investigations in the material structure. Nevertheless, neither structural variations nor material defects, induced by the ion irradiation, were proven within the accuracy range of the used instrumentation and the given ion fluences. Besides the irradiation under varying beam intensity, radiation hardness tests with fast and slow extracted Nickel pulses at 2*10^9 ppp and a specific energy around E_spec = 300 MeV/u were performed and the scintillation record was used to examine the material stability under long time application. Here, the light yield Y of the targets was nearly constant or decreased only in the range of 10-15 %, relative to the initial value. For the targets with single crystal characteristic (P46, YAG:Ce), Y even increased slightly and than saturated, offering an enhanced mobility of charge carriers under irradiation. The emission spectra were reproduced continuously and the beam profiles showed good accordance to the reference methods. Within all performed beam times, the targets offered a great stability. Non-linear characteristics, e.g. due to quenching during irradiation at high beam intensities, were not observed. The light yield Y showed a decreasing tendency as function of calculated electronic energy loss dE/dx. The characteristics of the calculated beam profiles, as well as the recorded emission spectra did not change significantly. So a material degradation in the investigated materials was not verified. This observation is confirmed by the performed material characterization measurements. The need of target replacement, e.g. due to damage, did not occur and was thus not performed during the complete investigations. As material for future beam diagnostics of FAIR cerium-doped Y3Al5O12 single crystal with a thickness in the range of 300 μm is recommended in cross-points between different storage sections, due to the stable imaging properties for high energy ion beams, even under long-time irradiation. For beam alignment to experimental and research areas, common Al2O3:Cr is recommended due to the cost advantage.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Für diese Arbeit wurden die Abbildungseigenschaften anorganischer Szintillatoren unter Bestrahlung mit hochenergetischen Schwerionen untersucht. Hierfür wurden Messungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (Darmstadt, Deutschland) und der TU Darmstadt mit insgesamt sieben Leuchtschirmen durchgeführt, die sich in drei Gruppen einteilen lassen: Phosphorschirme (P43 und P46), Einkristalle (Cerium-dotiertes Y3Al5O12) und polykristallines Aluminium Oxid (reines und Chrom-dotiertes Al2O3). Sie wurden mit fünf Ionensorten (Wasserstoff, Stickstoff, Nickel, Xenon und Uran) bestrahlt, die einerseits schnell (1 μs) und andererseits langsam (300-400 ms) vom SIS18 mit einer spezifischen Energie von E_spec = 300 MeV/u extrahiert wurden. Die Zahl der Ionen pro Puls wurde im Bereich zwischen 10^7 und 2*10^10 ppp variert und die induzierte Szintillation wurde während der Bestrahlung mit einem komplexen Kamerasystem aufgenommen. Aus den Daten wurde sowohl die zweidimensionale Leuchterscheinung bestimmt, charakterisiert durch Lichtmenge L, Lichtausbeute Y und Strahlprofile in horizontaler und vertikaler Ausrichtung. Weiterhin wurde das wellenlängenabhängige Emissionsspektrum aufgenommen, um Veränderungen in der Materialstruktur zu untersuchen. Im Anschluss an die Strahlzeiten fand die Datenanalyse mit einem hierfür entwickelten Python Skripts statt. Weiterhin wurden die Materialien mit konventionellen Methoden (UV/Vis Transmissions Spektroskopie, Röntgenbeugung, Raman Fluoreszenz Spektroskopie) untersucht. Im Rahmen der Messgenauigkeit konnten bei den gegebenen Fluenzen keine dauerhaften Materialschäden nachgewiesen werden. Zur zusätzlichen Charakterisierung der Materialstabilität bei längerer Bestrahlung wurden mit allen Leuchtschirmen Strahlenhärte Tests mit schnell und langsam extrahierten Nickel Pulsen bei 2*10^9 ppp und etwa E_spec = 300 MeV/u durchgeführt. Die Lichtausbeute Y blieb hier entweder konstant oder sank in einem Bereich von nur etwa 10-15 % des ursprünglichen Werts. Die Leuchtschirme mit Einkristall-Charakteristik (P46, YAG:Ce) zeigten sogar einen leichten Anstieg von Y, durch eine verbesserte Mobilität der Ladungsträger im Material. Die Emissionsspektren wurden zuverlässig reproduziert und die Strahlprofile stimmten gut mit denen der Referenzmessungen überein. Die untersuchten Leuchtschirme verhielten sich während der gesamten Bestrahlung sehr stabil und zeigten ein lineares Verhalten bei verschiedenen Strahlparametern. Ein Quenching während der Bestrahlung mit hohen Strahlintensitäten wurde nicht beobachtet. Die Lichtausbeute Y zeigte einen abnehmenden Trend als Funktion des elektronischen Energieverlusts dE/dx. Weder die berechneten Strahlprofile, noch die aufgenommenen Emissionsspektren zeigten signifikante Änderungen. Ein Ersetzen der Leuchtschirme, z.B. wegen Zerstörung, war während der gesamten Messungen nicht nötig. Für die Verwendung in zukünftigen Strahldiagnose Elementen in FAIR werden zwei Arten von Leuchtschirmen genannt: Cerium-dotierte Y3Al5O12 Einkristalle mit einer Dicke von etwa 300 μm werden für die Strahldiagnose an Schnittstellen zwischen verschiedenen Speicherringen empfohlen, da diese selbst unter Langzeit-Bestrahlung mit hochenergetischen Ionenstrahlen kaum oder unveränderte Abbildungen produzieren. Für die Strahleinstellungen zu Experimentierplätzen werden die bisher bereits üblichen Al2O3:Cr Schirme wegen ihres Kostenvorteils empfohlen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: scintillation screens, anorganic, ion beam diagnostics, transverse profile, light yield
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Leuchtschirm, inorganisch, Szintillator, Ionenstrahl, Profilmessung, LichtausbeuteGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 20 Sep 2016 07:50
Last Modified: 20 Sep 2016 07:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56541
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Kester, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 5 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5654
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