vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestifm-283Research ArticleФИЗИКАPHYSICSДИНАМИКА СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В ТЯЖЕЛЫХ СКИНТИЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ СО СТРУКТУРОЙ ГРАНАТАFREE CARRIERS DYNAMICS IN HEAVY SCINTILLATION MATERIALS WITH GARNET STRUCTUREТихомировС. А.TikhomirovS. A.

член-корреспондент, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией

лаборатория физики инфракрасных лучей

пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск

D. Sc. (Physics and Mathematics), Corresponding Member, Head of the Laboratory of Physics of Infrared Rays

68, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

s.tik@ifanbel.bas-net.byЛуккиниМ.LucchiniM.

кандидат физико-математических наук, сотрудник

1123 Женева

Ph. D. (Physics and Mathematics), staff

1123 Geneva

Marco.lucchini@cern.chБугановО. В.BuganovO. V.

кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией

лаборатория физики инфракрасных лучей

пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск

Ph. D. (Physics and Mathematics), Deputy Head of the Laboratory of Physics of Infrared Rays

68, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

o.buganov@ifanbel.bas-net.byОфрейЕ.AuffrayE.

кандидат физико-математических наук, сотрудник 

1123 Женева

Ph. D. (Physics and Mathematics), staff

1123 Geneva

Etiennette.Auffray@cern.chKоржикМ. В.KorjikM. V.

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией

лаборатория экспериментальной физики высоких энергий

ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск

D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory of Experimental High Energy Physics

11, Bobruiskaya Str., 220030, Minsk

korzhik@inp.bsu.byKoзловД.KozlovD.

аспирант

лаборатория экспериментальной физики высоких энергий

ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск

Postgraduate

11, Bobruiskaya, 220030, Minsk

kozlov@inp.bsu.byНаргеласС.NargelasS.

научный сотрудник

Sauletekioal. – III, Vilnius

Research Worker

Sauletekioal. – III, Vilnius

saulius.nargelas@ff.vu.ltТамулайтисГ.TamulaitisG.

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой

Sauletekioal. – III, Vilnius

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Department

Sauletekioal. – III, Vilnius

gintautas.tamulaitis@ff.vu.ltВайткевичусА.VaitkevičiusA.

аспирант

Sauletekioal. – III, Vilnius

Ph. D. Student

Sauletekioal. – III, Vilnius

augustas.vaitkevichus@ff.vu.ltЙошикаваAкираYoshikavaAkira

профессор

Professor

yoshikawa@gmail.comИнститут физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusЦЕРНCERNИнститут ядерных проблем Белорусского государственного университетаInstitute for Nuclear Problems of the Belarusian State UniversityВильнюсский университетVilnius UniversityУниверситет ТохокуTohoky University201723012018047278Copyright © Тихомиров С.А., Луккини М., Буганов О.В., Офрей Е., Kоржик М.В., Koзлов Д., Наргелас С., Тамулайтис Г., Вайткевичус А., Йошикава A., 20182018Тихомиров С.А., Луккини М., Буганов О.В., Офрей Е., Kоржик М.В., Koзлов Д., Наргелас С., Тамулайтис Г., Вайткевичус А., Йошикава A.Tikhomirov S.A., Lucchini M., Buganov O.V., Auffray E., Korjik M.V., Kozlov D., Nargelas S., Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Yoshikava A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/283

Легированные ионами Се кристаллы Lu3 Al5 O12 (LuAG) и Gd3 Al2 Ga3 O12 (GAGG) с и без кодопирования ионами Mg2+ исследованы методом нелинейной абсорбционной спектроскопии. Ускорение времени нарастания переходного оптического поглощения наблюдалось в кристаллах, кодопированных ионами Mg, по сравнению с образцами без Mg. Выявлено существенное различие во временной эволюции дифференциальной оптической плотности в GAGG в сравнении с кристаллом LuAG. В гадолиниевых гранатах наблюдается полоса поглощения в сине- зеленом диапазоне с затуханием с характерным временем ~2 пс. Эта полоса соотнесена поглощению свободными электронами до их захвата примесными ионами Ce3+. Широкая полоса переходного поглощения в желто-красной области обусловлена поглощением из возбужденных состояний ионов Ce3+. 

Ce-doped Lu3 Al5 O12 (LuAG), and Gd3 Al2 Ga3 O12 (GAGG) crystals with and without codoping by Mg2+ ions have been studied by the nonlinear absorption spectroscopy method. A faster rise time of transient optical absorption has been observed in all crystals codoped with Mg in comparison to Mg-free samples. A significant difference in the time evolution of the differential optical density in GAGG in comparison to LuAG crystals is revealed. in gadolinium garnets an absorption band peaked in the blue-green range and decaying with characteristic time of ~2 ps is observed. This band is considered to be due to absorption of free electrons before their trapping by Ce3+doping ions. A broad transient absorption band in the yellowred region is attributed to absorption from the Ce3+ excited states. 

переходное поглощениесцинтилляторыразгорание люминесценциикинетика люминесценциигранатыtransient absorptionscintillatorsluminescence riseluminescence kineticsgarnetsThis work was supported by COST Action TD1401 “Fast Advanced Scintillator Timing (FAST)” and MSC RICE INTELUM Project and the Belarus Foundation for Fundamental Research.ReferencesGundacker S., Auffray E., Pauwels K., Lecoq P. Measurement of intrinsic rise times for various LYSO and LuAG scintillators with a general study 430 of prompt photons to achieve 10 ps in TOF-PET. Physics in Medicine and Biology, 2016, vol. 61, no. 7, pp. 2802–2837. Doi: 10.1088/0031-9155/61/7/2802Gundacker S., Auffray E., Pauwels K., Lecoq P. Measurement of intrinsic rise times for various LYSO and LuAG scintillators with a general study 430 of prompt photons to achieve 10 ps in TOF-PET. Physics in Medicine and Biology, 2016, vol. 61, no. 7, pp. 2802–2837. Doi: 10.1088/0031-9155/61/7/2802Kamada K., Endo T., Tsutumi K., Yanagida T., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa, Pejchal A. J., Nikl M. Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)3 (Ga,Al)5 O12 Single-Crystal Scintillators. Crystal Growth and Design, 2011, vol. 11, no. 10, pp. 4484–4490. Doi: 10.1021/cg200694aKamada K., Endo T., Tsutumi K., Yanagida T., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa, Pejchal A. J., Nikl M. Composition Engineering in Cerium-Doped (Lu,Gd)3 (Ga,Al)5 O12 Single-Crystal Scintillators. Crystal Growth and Design, 2011, vol. 11, no. 10, pp. 4484–4490. Doi: 10.1021/cg200694aKamada K., Yanagida T., Pejchal J., Nikl M., Endo T., Tsutsumi K., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A. Crystal Growth and Scintillation Properties of Ce Doped rmGd3 (rmGa,rmAl)5 rmO12 Single Crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2012, vol. 59, no. 5, pp. 2112–2115. Doi: 10.1109/tns.2012.2197024Kamada K., Yanagida T., Pejchal J., Nikl M., Endo T., Tsutsumi K., Fujimoto Y., Fukabori A., Yoshikawa A. Crystal Growth and Scintillation Properties of Ce Doped rmGd3 (rmGa,rmAl)5 rmO12 Single Crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2012, vol. 59, no. 5, pp. 2112–2115. Doi: 10.1109/tns.2012.2197024Yadav S. K., Uberuaga B. P., Nikl M., Jiang C., Stanek C. R.. Band-Gap and Band-Edge Engineering of Multicomponent Garnet Scintillators from First Principles. Physical Review Applied, 2015, vol. 4, no. 5, pp. 054012. Doi: 1103/phys revapplied.4.054012Yadav S. K., Uberuaga B. P., Nikl M., Jiang C., Stanek C. R.. Band-Gap and Band-Edge Engineering of Multicomponent Garnet Scintillators from First Principles. Physical Review Applied, 2015, vol. 4, no. 5, pp. 054012. Doi: 1103/phys revapplied.4.054012Fasoli M., Vedda A., Nikl M., Jiang C., Uberuaga B. P., Andersson D. A., McClellan K. J., Stanek C. R. Band-gap engineering for removing shallow traps in rare-earth Lu3 Al5 O12 garnet scintillators using Ga3+ doping. Physical Review B, 2011, vol. 84, no. 8, p. 081102. Doi: 10.1103/physrevb.84.081102Fasoli M., Vedda A., Nikl M., Jiang C., Uberuaga B. P., Andersson D. A., McClellan K. J., Stanek C. R. Band-gap engineering for removing shallow traps in rare-earth Lu3 Al5 O12 garnet scintillators using Ga3+ doping. Physical Review B, 2011, vol. 84, no. 8, p. 081102. Doi: 10.1103/physrevb.84.081102Auffray E., Augulis R., Borisevich A., Gulbinas V., Fedorov A., Korjik M., Lucchini M. T., Mechinsky V., Nargelas S., Songaila E., Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Zazubovich S. Luminescence rise time in self-activated PbWO4 and Ce-doped Gd3 Al2 Ga3 O12 scintillation crystals. Journal of Luminescence, 2016, vol. 178, pp. 54–60. Doi: 10.1016/j.jlumin.2016.05.015Auffray E., Augulis R., Borisevich A., Gulbinas V., Fedorov A., Korjik M., Lucchini M. T., Mechinsky V., Nargelas S., Songaila E., Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Zazubovich S. Luminescence rise time in self-activated PbWO4 and Ce-doped Gd3 Al2 Ga3 O12 scintillation crystals. Journal of Luminescence, 2016, vol. 178, pp. 54–60. Doi: 10.1016/j.jlumin.2016.05.015Lucchini M., Gundacker S., Lecoq P., Benaglia A., Nikl M., Kamada K., Yoshikawa A., Auffray E. Timing capabilities of garnet crystals for detection of high energy charged particles. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2017, vol. 852, pp. 1–9. Doi: 10.1016/j.nima. 2017.02.008Lucchini M., Gundacker S., Lecoq P., Benaglia A., Nikl M., Kamada K., Yoshikawa A., Auffray E. Timing capabilities of garnet crystals for detection of high energy charged particles. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2017, vol. 852, pp. 1–9. Doi: 10.1016/j.nima. 2017.02.008Lucchini M., Babin V., Bohacek P., Gundacker S., Kamada K., Nikl M., Petrosyan A., Yoshikawa A., Auffray E. Effect of Mg2+ ions co-doping on timing performance and radiation tolerance of Cerium doped Gd3 Al2 Ga3 O12 crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2016, vol. 816, pp. 176–183. Doi: 10.1016/j.nima.2016.02.004Lucchini M., Babin V., Bohacek P., Gundacker S., Kamada K., Nikl M., Petrosyan A., Yoshikawa A., Auffray E. Effect of Mg2+ ions co-doping on timing performance and radiation tolerance of Cerium doped Gd3 Al2 Ga3 O12 crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2016, vol. 816, pp. 176–183. Doi: 10.1016/j.nima.2016.02.004Auffray E., Korjik M., Lucchini M. T., Nargelas S., Sidletskiy O., Tamulaitis G., Yratsiak Y. T., Vaitkevičius A. Free carriers absorption in self-activated PbWO4 and Ce-doped Y3 (Al0.25Ga0.75) 3 )O12, and Gd3 Al2Ga3 O12 garnet scintillators. Optical Materials, 2016, vol. 58, pp. 461–465. Doi: 10.1016/j.optmat.2016.06.040Auffray E., Korjik M., Lucchini M. T., Nargelas S., Sidletskiy O., Tamulaitis G., Yratsiak Y. T., Vaitkevičius A. Free carriers absorption in self-activated PbWO4 and Ce-doped Y3 (Al0.25Ga0.75) 3 )O12, and Gd3 Al2Ga3 O12 garnet scintillators. Optical Materials, 2016, vol. 58, pp. 461–465. Doi: 10.1016/j.optmat.2016.06.040Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Nargelas S., Augulis R., Gulbinas V., Bohacek P., Nikl M., Borisevich A., Fedorov A., Korjik M., Auffray E. Subpicosecond luminescence rise time in magnesium codoped GAGG:Ce scintillator. Nuclear Instrum ents and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2017, vol. 870, pp. 25–29. Doi: 10.1016/j.nima.2017.07.015Tamulaitis G., Vaitkevičius A., Nargelas S., Augulis R., Gulbinas V., Bohacek P., Nikl M., Borisevich A., Fedorov A., Korjik M., Auffray E. Subpicosecond luminescence rise time in magnesium codoped GAGG:Ce scintillator. Nuclear Instrum ents and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2017, vol. 870, pp. 25–29. Doi: 10.1016/j.nima.2017.07.015

The authors declare that there are no conflicts of interest present.