Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te)
The experimental data on the irradiation of ZnSe(О,Те)-crystals with γ-quanta, protons and neutrons are presented and discussed. The mechanism for heightening the concentration of luminescence centers of C1-type ZniVZnТеSe (λmax≈640 nm) and C2-type VZnZniОSe (λmax≈605 nm), accompanied by an increa...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78855 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) / L.P. Gal’chinetskii, V.D. Ryzhikov, N.G. Starzhinskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 157-159. — Бібліогр.: 3 назв. —англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859831027317342208 |
|---|---|
| author | Gal’chinetskii, L.P. Ryzhikov, V.D. Starzhinskiy, N.G. |
| author_facet | Gal’chinetskii, L.P. Ryzhikov, V.D. Starzhinskiy, N.G. |
| citation_txt | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) / L.P. Gal’chinetskii, V.D. Ryzhikov, N.G. Starzhinskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 157-159. — Бібліогр.: 3 назв. —англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The experimental data on the irradiation of ZnSe(О,Те)-crystals with γ-quanta, protons and neutrons are presented
and discussed. The mechanism for heightening the concentration of luminescence centers of C1-type ZniVZnТеSe
(λmax≈640 nm) and C2-type VZnZniОSe (λmax≈605 nm), accompanied by an increase in the radioluminescence intensity,
is submitted. During p-irradiation, hydrogen, generated in the process of proton thermalization, interacts with
oxygen that the C2-centers contain, which results in the C2-center destruction, a decrease in the intensity and the λ
max shift towards the long-wave range.
Приведены результаты экспериментов по облучению кристаллов ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами, нейтронами. Предложен механизм увеличения при n-облучении концентрации центров люминесценции Ц1 типа ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) и Ц2 типа VZnZniОSe (λmax≈605 нм), сопровождающий возрастанием интенсивности I радиолюминесценции (РЛ). При p-облучении водород, образующийся в процессе термализации протонов, взаимодействует с кислородом, входящим в состав Ц2; это приводит к разрушению Ц2, уменьшению I РЛ и к длинноволновому сдвигу λmax.
Наведено результати експериментів з опромінення кристалів ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами, нейтро-
нами. Запропоновано механізм збільшення під час n-опромінення концентрації центрів люмінесценції Ц1
типу ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) та Ц2 типу VZnZniОSe (λmax≈605 нм), якиї супроводжується зростанням
інтенсивності I радіолюмінесценції (РЛ). Під час p-опромінення водень, що утворюється в процесі
термалізації протонів, взаємодіє з киснем, який входить до складу Ц2; це призводить до зруйнування Ц2,
зменшення I РЛ та до довгохвильового зсуву λmax.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:32:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
INTERACTION OF NUCLEAR RADIATIONS WITH SCINTILLATION
CRYSTALS ZnSe(O, Te)
L.P. Gal’chinetskii, V.D. Ryzhikov, N.G. Starzhinskiy
Institute for Scintillation Materials of NAS of Ukraine
60 Lenin Ave, Kharkov 61001, Ukraine
E-mail: stcri@isc.kharkov.com
The experimental data on the irradiation of ZnSe(О,Те)-crystals with γ-quanta, protons and neutrons are present-
ed and discussed. The mechanism for heightening the concentration of luminescence centers of C1-type ZniVZnТеSe
(λmax≈640 nm) and C2-type VZnZniОSe (λmax≈605 nm), accompanied by an increase in the radioluminescence intensi-
ty, is submitted. During p-irradiation, hydrogen, generated in the process of proton thermalization, interacts with
oxygen that the C2-centers contain, which results in the C2-center destruction, a decrease in the intensity and the λ
max shift towards the long-wave range.
PACS: 29. 27. Fa
1. INTRODUCTION
The scintillation crystal ZnSe(O,Te) is characterized
by its combination of characteristics making it the opti-
mum choice for “scintillator-photodiode” detectors. The
most important parameters of ZnSe(O,Te) crystals are
presented in Table in comparison with CsI(Tl).
Principal parameters of scintillators ZnSe(O,Te)
Parameter
Scintillator material
CsI(Tl) ZnSe(O,Te)
"fast" "slow"
Melting temperature,
K 894 1773…1793 1773…1793
Density ρ, g/cm3 4.51 5.42 5.42
Effective atomic
number, Z 54 33 33
Hygroscopicity low no no
Emission maximum,
λmax, nm 550 605 640
Afterglow, δ
(after 6 ms), % 0.1…5.0 <0.05 <0.05
Attenuation coeffi-
cient of intrinsic radi-
ation
(λmax=605…640 nm),
α, cm-1
<0.05 0.05…0.2 0.05…0.2
Light yield from PD
with respect to
CsI(TI) at 1 mm
thickness,
Ex=60 keV, %
100 up to ~110 up to ~140
Decay time, τ, μs 1 1…3 30…70
Maximum value of
the spectral matching
factor Ku
0.77 0.9 0.92
Refraction
coefficient, n
1.79 2.61 2.59
Light yield,
photons/MeV-γ
5.5…104 up to 6⋅ 104 up to
7.5⋅ 104
Depth of 90% ab-
sorption X-ray
(40 keV), mm
<0.25 0.65 0.65
It is clearly seen that ZnSe(O,Te) is obviously supe-
rior in such qualities of primary importance as conver-
sion efficiency and absolute light output, afterglow,
spectral matching, hygroscopicity. In addition, absorp-
tion depth in CsI(Tl) at energies of less than 40 keV is
less than 0.25 mm. This means that negative influence
of the surface layer upon scintillation parameters is neg-
ligible with ZnSe(O,Te), but it is significant with thin-
ner CsI(Tl) samples. Thus, advantages of ZnSe(O,Te) in
comparison with CsI(Tl) as scintillator for low-energy
detector arrays are clear and undeniable. Among advan-
tages of ZnSe(O,Te), one should also note its high radi-
ation stability (not less than 107 rad, γ-,X-irradiation).
All this shows that ZnSe(O,Te) is the most promising
material for “scintillator-photodiode” detectors of γ-, X-
radiation in the range of up to 40…60 keV.
In the given paper the influence of ZnSe(O,Te) crys-
tal irradiation with neutrons and protons on the lumines-
cent and optical characteristics of these crystals is exam-
ined.
2. EXPERIMENTAL RESULTS AND DIS-
CUSSION
The experimental conditions have been the follow-
ing. Gamma-irradiation: a channel type 60Co, exposure
dose rate Pγ up to 3⋅103 R⋅s-1 (the average energy of gam-
ma-quanta Eγ≈1.25 MeV), the absorbed dose Dγ≤8.5⋅
108 rad. Рroton irradiation (p): U-150 type cyclotron
(Ep=18 MeV; beam current density 1.9⋅108 A⋅cm-2; flu-
ence Fp≤1.7⋅1015 cm-2). Neutron (n) irradiation: the ther-
mal channel of a WWR-SM type nuclear reactor at
Ptn=1.2⋅1011 neutron⋅cm-2⋅s-1, the fluence values of
Ftn=1.3⋅1016 neutron.cm-2 (cadmium ratio >6). X-ray lu-
minescence (XL) of semiconductor scintillator samples
was measured under excitation using an IRIS-3 X-ray
source (Ua=35 kV, ia≤35 mA, Cu–anticathode).
Under irradiation of all these types, the temperature
of the samples did not exceed 360 K.
In Fig.1 XL-spectra of ZnSe(O,Te) samples after
neutron (n-) and proton (p-) irradiation are presented.
As Fig.1 indicates, the spectrum remains unchanged af-
ter n- irradiation, whereas p- irradiation causes the spec-
trum shift towards the long- wave region.
__________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.157-159. 157
mailto:stcri@isc.kharkov.com
Fig.1. XL spectra of ZnSe(O,Te) samples:
1 − unirradiated; 2 − after neutron irradiation (Fnt=1.3⋅
1016 neutrons⋅cm-2); 3, 4 − after proton irradiation
(Fp=1.2⋅1014 protons⋅cm-2 and 1.7⋅1015 protons⋅cm-2, re-
spectively)
In Fig.2 the transmission spectra of these samples in
IR region are depicted.
Fig.2. IR absorption spectra: 1 − unirradiated
ZnSe(O,Te) samples; 2 − after neutron irradiation
(Fnt=1.2⋅1014 neutrons⋅cm-2); 3 − after proton irradia-
tion (Fp=1.7.1015 protons⋅cm-2)
After n- irradiation the nonselective absorption re-
mains almost unchanged in the visible range (λ
>600 nm), and it essentially increases in the IR range
(see Fig. 2).
After p- irradiation in the visible range (λ>600 nm)
the nonselective absorption increases approximately by
20%, and it diminishes in the IR range (see Fig.2).
However, there arise selective absorption peaks when
the wave number makes ≈3000 cm-1 and ≈ 1600 cm-1.
Besides, after n- irradiation (Fn= 1.3⋅1016 neutrons·cm-2)
the X-ray luminescence intensity (IXL) increases by 20…
50%, while the γ- luminescence intensity (IGL) increases
by 10…300%, and dark electrical conductivity increases
by order of magnitude.
After p- irradiation (Fp>1015 protons·cm-2) the X-ray
luminescence intensity (IXL) decreases almost by 90%,
IGL becomes lower almost by 95%, electric conductivity
diminishing by 1.5…2 orders of magnitude.
In Fig.3 the temperature dependences of ZnSe(O,Te)
crystal IGL are depicted under irradiation with the same
doses of neutrons and protons.
Fig.3. Temperature dependence of Iγ for ZnSe(O,Te)
crystals irradiated by neutrons (2) and protons (3);
1 − initial sample
As Fig.3 indicates, n- irradiation does not cause any
essential change in IGL as compared with the unirradiated
sample. At the same time, p- irradiation causes the sub-
stantial changes in the temperature dependence of IGL as
compared with the unirradiated sample.
In order to explain these data, the use should be
made of the investigations of the mechanism for the ra-
diative recombination (RR) in ZnSe(O,Te) crystals
within the range 600…640 nm. Earlier the structure of
radiative recombination centers (RRC) in these crystals
has been studied (see [1,2]). As it is found out, in ZnSe
crystals doped with isoelectronic admixtures − oxygen
(OSe) or tellurium (TeSe) − RRC have the form of the
complexs VZn Zni OSe (luminescence at λmax ≈ 605 nm)
or Zni VZn TeSe (λmax ≈ 640 nm). In [1,2] it is also
demonstrated that the real content of these RRC is close
to the free carrier concentration (Ne). The latter can be
estimated by Drude formula on the basis of measure-
ments of the absorption in that region of IR range where
it is conditioned by free carriers [3]. According to these
estimations, in ZnSe(OSe, TeSe) crystals Ne<2·1016 cm-3.
Under the real conditions the crystals are doped with
tellurium in the amount ~ 1020 cm-3, introduced in the
form of the solid solution (SS) of ZnSe1-xTex. Thus, just
<0.1% of the tellurium amount that gets into the crystal
has the form of TeSe. The major amount of Te makes a
component of the metastable SS and it also can be accu-
mulated at dislocations.
This reasoning allows us to suppose that in the case
of n- irradiation the effects of increase in IXL, IGL and in-
crease in the absorption within IR range are induced by
the radiation- stimulated processes of the TeSe, OSe con-
centration increase in ZnSe(O,Te) crystals. These pro-
cesses are accompanied by increase in the amount of
RRC-1 (λmax ≈ 640 nm) and RRC-2 (λmax ≈ 605 nm).
__________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (46), p.157-159. 157
Let’s dwell on explaining the results of the experi-
ments on p- irradiation. It is proved that ZnSe(O,Te)
crystal thermal treatment in the hydrogen atmosphere
causes either destruction or transformation of RRC-2
according to the following schemes:
H2 + VZn Zni OSe → ZnZn + H2O↑ (1)
H2 + VZn Zni OSe → VZn Zni + H2O↑ (2)
These processes both cause a decrease in the radio-
luminescence intensity and the luminescence spectrum
λmax shift towards the long- wave region.
Consequently, decrease in IXL, IGL and the absorption
diminution within IR range as well as the XL λmax shift,
detected after p- irradiation, are explicable in the fol-
lowing way. In the course of ZnSe(O,Te) crystal p- irra-
diation hydrogen, generated during the proton thermal-
ization, interacts with oxygen, present in RRC-2. This
results in destruction or transformation of RRC-2 ac-
cording to the schemes (1) and (2), respectively. The ex-
istence of this hypothetical mechanism is confirmed by
the fact that the selective absorption in vicinity to 3000
cm-1 (see Fig.2) can be conditioned by valence oscilla-
tions of the groups O – H or O – D, whereas the absorp-
tion in vicinity to 1600 cm-1 can be caused by deforma-
tion oscillations of H2O molecule.
3. CONCLUSION
Increase in the radioluminescence intensity of
ZnSe(O, Te) crystals during n- irradiation is conditioned
by radiation- stimulated processes in the crystals, ac-
companied by augmentation in concentrations of RRC-1
and RRC-2.
In the course of p- irradiation, hydrogen, generated
during the proton thermalization, interacts with oxygen,
present in RRC-2, which results in the RRC-2 destruc-
tion, diminution in RL intensity and λmax shift towards
the long- wave region.
4. ACKNOWLEDGMENT
The authors are grateful to Magne Guttormsen
(Oslo, Cyclotron Laboratory, Norway) and Alexander
A. Kist (Institute Nuclear of Physics, Uzbekistan) for
providing the sample irradiation. Besides, the authors
express their gratitude to V.A. Tarasov and
A.I. Mitichkin (ISMA, Kharkov, Ukraine) for the useful
discussion of the results.
REFERENCES
1. L.V. Atroschenko, S.F. Burachas, L.P.Gal’chinet-
skii et al. Crystals of scintillators and detectors of
ionizing radiations on their base. Kiev: “Naukova
dumka”, 1998, p.312.
2. V.M. Koshkin, A.Ya. Dulfan, V.D. Ryzhikov еt аl.
Thermodynamics of isovalent tellurium substitution
for selenium in ZnSe semiconductors // Functional
materials. 2001, v.8, №4, p.708-713.
3. V. Ryzhikov, N. Starzhinskii, K. Katrunov et al. Ef-
fects of annealing in zinc vapor upon the electron
spectrum formation of ZnSe(Te) – based scintilla-
tors // Functional materials. 2002, v.9, №1, p.143-
146.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ СО СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМИ КРИСТАЛЛАМИ
ZnSe(О,Тe)
Л.П. Гальчинецкий, В.Д. Рыжиков, Н.Г. Старжинский
Приведены результаты экспериментов по облучению кристаллов ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами,
нейтронами. Предложен механизм увеличения при n-облучении концентрации центров люминесценции Ц1
типа ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) и Ц2 типа VZnZniОSe (λmax≈605 нм), сопровождающий возрастанием интенсив-
ности I радиолюминесценции (РЛ). При p-облучении водород, образующийся в процессе термализации про-
тонов, взаимодействует с кислородом, входящим в состав Ц2; это приводит к разрушению Ц2, уменьшению
I РЛ и к длинноволновому сдвигу λmax.
ВЗАЄМОДІЯ ЯДЕРНИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ ЗІ СЦИНТІЛЯЦІЙНИМИ
КРИСТАЛАМИ ZnSe(О,Тe)
Л.П. Гальчінецький, В.Д. Рижиков, Н.Г. Старжинський
Наведено результати експериментів з опромінення кристалів ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами, нейтро-
нами. Запропоновано механізм збільшення під час n-опромінення концентрації центрів люмінесценції Ц1
типу ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) та Ц2 типу VZnZniОSe (λmax≈605 нм), якиї супроводжується зростанням
інтенсивності I радіолюмінесценції (РЛ). Під час p-опромінення водень, що утворюється в процесі
термалізації протонів, взаємодіє з киснем, який входить до складу Ц2; це призводить до зруйнування Ц2,
зменшення I РЛ та до довгохвильового зсуву λmax.
150
Principal parameters of scintillators ZnSe(O,Te)
Scintillator material
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78855 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T15:32:46Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Gal’chinetskii, L.P. Ryzhikov, V.D. Starzhinskiy, N.G. 2015-03-22T08:31:46Z 2015-03-22T08:31:46Z 2006 Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) / L.P. Gal’chinetskii, V.D. Ryzhikov, N.G. Starzhinskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 2. — С. 157-159. — Бібліогр.: 3 назв. —англ. 1562-6016 PACS: 29. 27. Fa https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78855 The experimental data on the irradiation of ZnSe(О,Те)-crystals with γ-quanta, protons and neutrons are presented and discussed. The mechanism for heightening the concentration of luminescence centers of C1-type ZniVZnТеSe (λmax≈640 nm) and C2-type VZnZniОSe (λmax≈605 nm), accompanied by an increase in the radioluminescence intensity, is submitted. During p-irradiation, hydrogen, generated in the process of proton thermalization, interacts with oxygen that the C2-centers contain, which results in the C2-center destruction, a decrease in the intensity and the λ max shift towards the long-wave range. Приведены результаты экспериментов по облучению кристаллов ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами, нейтронами. Предложен механизм увеличения при n-облучении концентрации центров люминесценции Ц1 типа ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) и Ц2 типа VZnZniОSe (λmax≈605 нм), сопровождающий возрастанием интенсивности I радиолюминесценции (РЛ). При p-облучении водород, образующийся в процессе термализации протонов, взаимодействует с кислородом, входящим в состав Ц2; это приводит к разрушению Ц2, уменьшению I РЛ и к длинноволновому сдвигу λmax. Наведено результати експериментів з опромінення кристалів ZnSe(О,Те) γ-квантами, протонами, нейтро- нами. Запропоновано механізм збільшення під час n-опромінення концентрації центрів люмінесценції Ц1 типу ZniVZnТеSe (λmax≈640 нм) та Ц2 типу VZnZniОSe (λmax≈605 нм), якиї супроводжується зростанням інтенсивності I радіолюмінесценції (РЛ). Під час p-опромінення водень, що утворюється в процесі термалізації протонів, взаємодіє з киснем, який входить до складу Ц2; це призводить до зруйнування Ц2, зменшення I РЛ та до довгохвильового зсуву λmax. The authors are grateful to Magne Guttormsen (Oslo, Cyclotron Laboratory, Norway) and Alexander A. Kist (Institute Nuclear of Physics, Uzbekistan) for providing the sample irradiation. Besides, the authors express their gratitude to V.A. Tarasov and A.I. Mitichkin (ISMA, Kharkov, Ukraine) for the useful discussion of the results. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ускорителей в радиационных технологиях Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) Взаимодействие ядерных излучений со сцинтилляционными кристаллами ZnSe(О,Тe) Взаємодія ядерних випромінювань зі сцинтіляційними кристалами ZnSe(О,Тe) Article published earlier |
| spellingShingle | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) Gal’chinetskii, L.P. Ryzhikov, V.D. Starzhinskiy, N.G. Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| title | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) |
| title_alt | Взаимодействие ядерных излучений со сцинтилляционными кристаллами ZnSe(О,Тe) Взаємодія ядерних випромінювань зі сцинтіляційними кристалами ZnSe(О,Тe) |
| title_full | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) |
| title_fullStr | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) |
| title_full_unstemmed | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) |
| title_short | Interaction of nuclear radiations with scintillation crystals ZnSe(O, Te) |
| title_sort | interaction of nuclear radiations with scintillation crystals znse(o, te) |
| topic | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| topic_facet | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78855 |
| work_keys_str_mv | AT galchinetskiilp interactionofnuclearradiationswithscintillationcrystalsznseote AT ryzhikovvd interactionofnuclearradiationswithscintillationcrystalsznseote AT starzhinskiyng interactionofnuclearradiationswithscintillationcrystalsznseote AT galchinetskiilp vzaimodeistvieâdernyhizlučeniisoscintillâcionnymikristallamiznseote AT ryzhikovvd vzaimodeistvieâdernyhizlučeniisoscintillâcionnymikristallamiznseote AT starzhinskiyng vzaimodeistvieâdernyhizlučeniisoscintillâcionnymikristallamiznseote AT galchinetskiilp vzaêmodíââdernihvipromínûvanʹzíscintílâcíinimikristalamiznseote AT ryzhikovvd vzaêmodíââdernihvipromínûvanʹzíscintílâcíinimikristalamiznseote AT starzhinskiyng vzaêmodíââdernihvipromínûvanʹzíscintílâcíinimikristalamiznseote |