Scintillation screen materials for beam profile measurements of high energy ion beams

For the application as a transverse ion beam diagnostics device, various scintillation screen materials were analysed. The properties of the materials such as light output, image reproduction and radiation stability were investigated with the ion beams extracted from heavy ion synchrotron SIS-18. The ion species (C, Ne, Ar, Ta and U) were chosen to cover the large range of elements in the periodic table. The ions were accelerated to the kinetic energies of 200 MeV/u and 300 MeV/u extracted with 300 ms pulse duration and applied to the screens. The particle intensity of the ion beam was varied from 1E4 to 1E9 particles per pulse. The screens were irradiated with typically 40 beam pulses and the scintillation light was captured using a CCD camera followed by characterization of the beam spot. The radiation hardness of the screens was estimated with high intensity Uranium ion irradiation.

In the study, a linear light output for 5 orders of magnitude of particle intensities was observed from sensitive scintillators and ceramic screens such as Al2O3:Cr and Al2O3. The highest light output was recorded by CsI:Tl and the lowest one by Herasil. At higher beam intensity saturation of light output was noticed from Y and Mg doped ZrO2 screens. The light output from the screen depends not only on the particle intensity but also on the ion species used for irradiation. The light yield (i.e. the light intensity normalised to the energy deposition in the material by the ion) is calculated from the experimental data for each ion beam setting. It is shown that the light yield for light ions is about a factor 2 larger than the one of heavy ions. The image widths recorded exhibit a dependence on the screens material and differences up to 50 % were registered.

On radiation stability analysis with high particle intensity of Uranium ions of about 6E8 ppp, a stable performance in light output and image reproduction was documented from Al2O3:Cr screen over 1000 pulses while slight saturation effects was noticed from some other screens. No considerable radiation induced damage for an irradiation by maximal fluence of 1.7×1E11 cm-2 Uranium ions was seen in the samples except the formation of point defects and color centers. Among the investigated screens P43 (Gd2O2S:Tb) powder seems to be a good candidate up to certain energy deposition threshold while for very high intensity measurements Al2O3:Cr screens are recommended.

Es wurden verschiedene Leuchtschirm Materialien in Hinsicht auf ihren Einsatz für transversale Strahldiagnose untersucht. Materialeigenschaften wie Lichtausbeute, Abbildungseigenschaften und Strahlenhärte wurden mit Ionenstrahlen untersucht, die aus dem SIS-18 Synchrotron extrahiert wurden. Die Ionenarten (C, Ne, Ar, Ta und U) wurden ausgewählt, um einen großen Bereich von Elementen des Periodensystems abzudecken. Die Ionen wurden auf eine Energie von 200 MeV/u und 300 MeV/u beschleunigt, als Puls mit 300 ms Pulslänge extrahiert und auf die Leuchtschirme geschossen. Die Intensität des Ionenstrahls wurde von 1E4 bis 1E9 Teilchen pro Puls variiert. Typischerweise wurden die Leuchtschirme mit 40 Strahlpulsen bestrahlt, das Szintillationslicht von einer CCD Kamera aufgenommen und der Strahlfleck charakterisiert. Die Strahlenhärte der Leuchtschirme wurde mit einem hochintensiven Uranionen strahl abgeschätzt.

Die Untersuchungen ergaben eine lineare Lichtausbeute bei sensitiven und keramischen Szintillatoren wie Al2O3:Cr und Al2O3 über fünf Größenordnungen hinweg. Die höchste Lichtausbeute wurde mit CsI:Tl erziehlt, die niedrigste mit Herasil. Bei höheren Intensitäten ging die Lichtausbeute bei den Materialien Y- und Mg- dotiertes ZrO2 in die Sättigung. Die Lichtausbeute der Leuchtschirme hängt nicht nur von der Partikelintensität ab, sondern auch von der Ionenart, die zur Bestrahlung verwendet wird. Die Lichtausbeute (z.B. die auf die Energiedeposition normierte Lichtausbeute) wurde aus den Experimentaldaten für jede Beschleunigereinstellung berechnet. Es wird gezeigt, dass die Lichtausbeute für leichte Ionen ca. um den Faktor zwei höher ist als bei schweren Ionen. Die gemessenen Strahlbreiten zeigen eine Abhängigkeit vom Leuchtschirmmaterial mit mehr als 50 % Abweichung.

Bis auf das Entstehen von Punktdefekten und Farbzentren konnte kein bedeutender strahlungsinduzierter Schaden an den Leuchtschirmen für eine Bestrahlung von maximal 1.7×1E11 cm-2 Uran Ionen festgestellt werden. Unter den eruierten Leuchtschirmen scheint der P43 (Gd2O2S:Tb) ein guter Kandidat bis zu einer bestimmten Energiedeposition zu sein. Hochintensive Messungen können mit Al2O3:Cr Leuchtschirmen durchgeführt werden.