Optimization and Characterization of Luminescent Materials for the ESS Proton Beam Imaging System

Abstract

Spallation sources such as European Spallation Source (ESS) produces neutrons by bombarding high-energy protons onto the target wheel. To determine the location of the proton beam a Proton Beam Imaging (PBI) system will be installed. The PBI system at ESS relies on the properties of a luminescent coating that is sprayed onto the target wheel and the proton beam window. In this study, luminescent materials for the PBI system are investigated and evaluated on their luminescent properties using photoluminescence spectroscopy. The material in focus is the Cr-doped alumina, which has been investigated in two parts. Sprayed coatings, made from an existing precursor, are investigated to understand how the luminescent behavior of Cr-doped alumina is affected by various factors in the ESS environment. Thereafter, a new Cr-doped alumina precursor is developed and optimized to produce a coating with superior properties.

The existing precursor from the sprayed sample consists of a mixture of alumina and chromia that reacts during spraying to form Cr-doped alumina. This study compared the luminescent properties of two spraying techniques: plasma-spray and flame-spray. The results show that plasma spraying produces brighter coatings than flame spraying due to lower presence of the undesired η-alumina phase in the finished coating. The coating thickness optimization showed that 100 μm gave the brightest coating. Pure chromia was found in all the sprayed samples, which indicates that full incorporation of chromia into alumina has been unsuccessful.

In this study, a new Cr-doped alumina precursor is proposed in which the powder is sintered prior to thermal spraying. Pre-sintering of the precursor material is suggested to produce a more controlled, homogeneous and complete incorporation of the trivalent chromium ions into the alumina matrix, hence producing a coating with superior luminescent properties. Pink, bright luminescent Cr-doped alumina powders were successfully prepared via two synthesis routes, the solid-state and solution-based synthesis, and compared based on their luminescent properties after heat treatment at different temperatures. The solution-based samples exhibited superior luminescence at temperatures of 1100 °C and 1300 °C, which is due to earlier transition into the η and α-alumina phase. Sintering powders at 1550 °C gave equally bright materials from both syntheses. The optimal doping concentration of trivalent chromium ions was 1 wt% of chromia. To spray the precursors, the particle size needs to be in the range of 5-60 μm to give satisfactory results. Therefore, the effect of ball milling on luminescence was studied. It was discovered that high-energy ball milling reduced the luminescence intensity significantly due to the violent crushing of the alumina crystals. Grinding the particles with a mortar and pestle could reduce the particle size sufficiently without the material losing its luminescent properties.

For the last part of this study, two alternative materials for the PBI system were investigated: Ti-doped alumina and Ce-doped YAG. The Ti-doped alumina powder showed no luminescent properties and the study continued with Ce-doped YAG. This material was successfully produced, which created a yellow powder that exhibited a broad emission from the green to yellow region upon blue light excitation. A doping concentration screening that was performed revealed that 1.6 mol% gave the brightest material.

Popular Abstract (Swedish)

Protonstrålning används för att generera neutroner på ESS; en effektiv metod som kommer ge ESS världsledande prestanda, men som medför utmaningar. Den högenergetiska protonstrålen kan inte ses med blotta ögat och kan potentiellt skada instrument, vilket leder till att övervaka protonstrålen blir svårt, men kritiskt. Lösningen är ett självlysande material som skapar en bild av var protonstrålen träffar.

Det sameuropeiska forskningsprojektet European Spallation Source (ESS) byggs för närvarande i Lund och förväntas bli färdigställt år 2023. Forskningsanläggningen kommer då att använda neutroner för att studera material på atomär nivå för att bryta ny mark inom biologi, kemi, fysik, geologi och medicin. För att skapa en neutronpuls på ESS kommer en roterande målskiva gjord av volfram att bli bestrålad av en högenergetisk protonstråle. Protonerna träffar målskivan med 94 % av ljusets hastighet, vilket gör att protonerna tränger in i materialet och slår ut neutroner från volframkärnorna. På grund av dess oerhörda energi kan protonstrålen, om den är fel inställd och belyser oönskade områden, skada dyr utrustning som även kan bli en säkerhetsrisk. Därför är det av oerhörd vikt att övervaka och säkerställa protonstrålens status i alla lägen. Eftersom protoner inte är synliga med blotta ögat har ESS planerat att installera ett avbildningssystem av protonstrålen. Principen är att spraya en tunn ytbeläggning av ett självlysande material på målskivan. När protonstrålen penetrerar det självlysande materialet genereras fotoner. Dessa fotoner detekteras av kamerasystem för att skapa en avbildning i realtid av protonstrålen med millimeterprecision. Den påfrestande miljön av det högteknologiska ändamålet sätter höga krav på den luminescerande ytbeläggningen. Därför har ESS påbörjat ett samarbete med ett flertal forskningsinstitut för att utveckla ett lämpligt material innan ESS sätts i drift.

Detta examensarbete har undersökt och optimerat luminescerande material för protonstråleavbildning. Materialen som har behandlats i studien är dopade, kristallina material. Dopning är en process där en liten andel av ett främmande ämne avsiktligt introduceras i en struktur för att ändra materialets egenskaper. En följd av doping kan vara att ett material får självlysande, eller 'luminescerande', egenskaper. Materialet i huvudfokus i denna studie har varit krom-dopat aluminiumoxid, även känt som rubin, vilket är ett material som tidigare har studerats för detta ändamål. Av listan på krav valdes ett antal ut att utvärdera under denna studie, varav ljusstyrka var en av dem.

Först undersöktes färdigsprayade ytbeläggningar av krom-dopat aluminiumoxid. Dessa hade tillverkats av ett pulver inköpt från en materialleverantör i U.S.A. Pulvret bestod av kromoxid och aluminiumoxid som, när det sprayas reagerar och bildar kromdopat aluminiumoxid. Resultat från diverse analysmetoder visade att kromoxiden inte hade lösts upp fullständigt i aluminiumoxiden, vilket antydde på att det inköpta pulvret inte var optimerat och att materialet kunde uppnå bättre egenskaper. ESS önskar att kunna producera ett eget pulver med optimala luminescerande egenskaper vilket motiverade utveckling av ett nytt pulver av krom-dopat aluminiumoxid.

Därför utvärderades två nya syntesmetoder för att producera pulver med luminescerande egenskaper. Genom att värmebehandla pulvret innan sprayning genomförs en fulländad och kontrollerad doping. Resultaten visade att båda syntesmetoderna skapade krom-dopat aluminiumoxidpulver med starkt luminescerande egenskaper. Efter tillräckligt hög värmebehandling omvandlades pulvret från grön till rosa, vilket tydde på dopningen hade genomförts och att rätt kristallstruktur av aluminiumoxiden var uppnådd. Ljusstyrkan hos materialet ökade med temperaturen på värmehandlingen, vilket berodde på ökad dopningsgrad och även omvandling till mer gynnsamma kristallstrukturer. Kristallstorleken visade sig påverka luminiscensen då större kristaller gav starkare luminescerande förmåga och att vissa malningsstekniker därför dämpar luminiscensstyrkan i produkten. Efter optimering kunde det nya pulvret produceras i stor-skala för testsprayning.

Denna studie har bidragit till att ESS är ännu ett steg närmare att ha ett fungerande luminiscernade material innan ESS är i drift och första protonerna når målskivan.

• author: Wiklund, Emelie and Järild, Anton
• supervisor: Martin Ek
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20211
• year: 2021
• type: M1 - University Diploma
• subject: Chemistry; Technology and Engineering
• keywords: Chemical Engineering, Luminescent materials, Cr-doped Alumina, Proton Beam Imaging System, ESS
• language: English
• id: 9058212
• date added to LUP: 2021-06-28 12:50:42
• date last changed: 2021-06-28 12:50:42