Croissance cristalline de cristaux scintillateurs de LGSO et de grenats à partir de l’état liquide par les techniques Czochralski (Cz) et micro-pulling down (μ-PD) et leurs caractérisations

Growth from melt by micro-pulling down (µ-PD) and Czochralski (Cz) techniques and characterization of LGSO and garnet scintillator crystals

• Auteur / Autrice : Valerii Kononets
• Direction : Kheirreddine Lebbou, Oleg Sidletskiy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dujardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aleksandr Gektin, Julien Houel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etiennette Auffray Hillemanns, Alain Braud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grenats

Silicates

Oxydes

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Méthode μ-PD

Physique des hautes énergies

Oxydes

Silicates

Grenats

Cristaux scintillateurs

Fibres

Rendement de scintillation

Longueur d’atténuation.

Μ-PD method

High energy physics

Oxides

Silicates

Garnets

Scintillation crystals

Fibers

Light yield

Attenuation length

Résumé

Des lots de scintillateurs orthosilicates et grenats dope terres rares ont été cristallisés par les méthodes micro-pulling down (μ-PD) et Czochralski. Pour la première fois des fibres Lu2xGd2 2xSiO5 dopées Ce (LGSO:Ce) (x = 0.5) ont été tirées par la méthode micro-pulling down (μ-PD). Dans le but de déterminer la concentration optimale de l'ion activateur avec les meilleurs paramètres de scintillation, la concentration du cérium dans le liquide a été variée dans l'intervalle 0.01-1.5 at%. La distribution spatiale des cations le long des cristaux LGSO :Ce tirés par la méthode de la micro-pulling down a été étudiée par microscopie à champ proche et microscopie Confocale à travers l'excitation du Ce3+ sur les sites cristallographiques du CeO6. Des fibres de composition Lu3A15O12 (LuAG) non dopées et dopées Ce3+ et Pr3+, des matrices mixtes (Lu, Y)3A15O12 (LuYAG) et Y3A15O12 (YAG) dopés Ce3+ ont été fabriqués pour évaluer les possibilités de développer un calorimètre dual-readout pour fonctionner dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Les cristaux LuAG ont été choisis dans le but de détecter la scintillation (ion activateur) et les radiations Chernkov. Pour confirmer l'amélioration de la qualité des fibres cristallines à travers les conditions de croissance cristalline, nous avons réalisé des mesures d'atténuation le long des fibres. La bonne reproductivité des fibres a été vérifiée par des tests faisceau en conditions de calorimètre. Nous avons étudié la structure et la scintillation dans les cristaux appartenant à la solution solide Y3(Al1-xGax)5O12 :Ce. Les cristaux ont été tirés à partir de l'état liquide par la méthode Czochralski. La distribution des cations de la matrice a été étudiée. L'effet de la substitution du Al/Ga dans Y3(Al1-xGax)5O12 :Ce sur le rendement de scintillation a été déterminé. Le rendement de scintillation a atteint 130 % par rapport au grenat aluminium-yttrium dopé Ce. L'évolution des propriétés de luminescence en fonction de la substitution al/Ga a été étudiée

A set of rare earth orthosilicate and garnet scintillators were grown by the micropulling down (μ-PD) and Czochralski methods. Ce-doped Lu2xGd2 2xSiO5 (LGSO:Ce) fibers were grown by the micro-pulling down (μ-PD) method for the first time. In order to determine the optimal activator concentration with regard to the best scintillating parameters, cerium concentration in the melt was varied within 0.01-1.5 at.%. A set of results on optical and scintillation characteristics of the grown fibers with the different activator content was determined and discussed. Distribution of Gd3+ and Ce3+ in LGSO:Ce structure was compared to the Czochralski grown crystals. Spatial distribution of cations across LGSO:Ce scintillation shaped crystals grown by the micro-pulling-down method is studied using wide-field microscopy under simultaneous excitation of both cerium-related centers and confocal microscopy under selective excitation of Ce3+ in CeO6 crystallographic sites. Undoped fibers of Lu3Al5O12 (LuAG) and doped by Ce3+, Pr3+, mixed (Lu,Y)3Al5O12 (LuYAG) and Y3Al5O12 (YAG) both doped by Ce3+ were produced to evaluate a possibility of their potential use in the new dual-calorimeter planned to operate in the upgraded Large Hadron Collider in CERN. The choice of grown crystals was made to detect scintillation (activated materials) and Cherenkov radiation (LuAG). Growth conditions for the improvement of fibers quality were selected basing on measurements of attenuation length of the fibers. The activator segregation coefficient in LuAG:Ce and LuYAG:Ce fibers was evaluated by the cathodoluminescence measurements. The effect of annealing and radiation damage was studied. The good productivity of the grown fibers was verified on the test beam calorimeter. Structure and scintillation yield of Y3(Al1 xGax)5O12:Ce solid solution crystals are studied. Crystals are grown from melt by the Czochralski method. Distribution of host cations in crystal lattice is determined. The trend of light output at Al/Ga substitution in Y3(Al1-xGax)5O12:Ce is determined. Light output in mixed crystals reaches 130% comparative to Ce-doped yttrium–aluminum garnet. The evolution of luminescence properties at Al/Ga substitution is studied