無(wú)機(jī)閃爍體釓鎵鋁石榴石（GAGG）的性能研究及應(yīng)用

苑 航， 陳宇瀟， 王英杰， 盧貞瑞， 王 術(shù)， 黃素蘭，景 麗

（1.北京市第一七一中學(xué)， 北京 100013；2.北京市密云區(qū)第二中學(xué)， 北京 101500；3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所， 北京 100049；4.北京東直門中學(xué)， 北京 100007）

引言

閃爍體是一種將電離輻射轉(zhuǎn)化為光發(fā)射的發(fā)光材料，在射線的作用下可以發(fā)射脈沖波。閃爍體的性能大幅度決定探測(cè)效果，故閃爍體是閃爍體探測(cè)器最重要的組成部分。閃爍體探測(cè)器目前已在核醫(yī)學(xué)、國(guó)防安全、高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前常見的閃爍體有LYSO、BGO等，在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用。但LYSO在晶塊與晶塊之間光輸出差異大，且具有自發(fā)放射性，對(duì)核醫(yī)學(xué)成像PET探測(cè)器的應(yīng)用是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。BGO閃爍體衰減時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法應(yīng)用于對(duì)時(shí)間精度要求較高的儀器中，且光產(chǎn)額較低，能量分辨較差。所以尋找綜合性能優(yōu)秀的閃爍體材料一直是核探測(cè)領(lǐng)域研究重點(diǎn)[1]。

近些年來(lái)，釓鎵鋁石榴石在核探測(cè)技術(shù)中得到了廣泛關(guān)注[2]。GAGG混晶是迄今為止理論上光輸出最高的氧化物閃爍體：最高可達(dá)（74 000±7 400）光子/MeV，是LYSO閃爍體的三倍左右；能量分辨率最優(yōu)可達(dá)3.7%；無(wú)自輻射，發(fā)光衰減時(shí)間短；無(wú)潮解和自輻射等現(xiàn)象，是各方面性質(zhì)優(yōu)良的閃爍體材料。

在本課題研究中，將LYSO、BGO這兩種目前應(yīng)用很廣泛的無(wú)機(jī)閃爍體與GAGG進(jìn)行研究比較，評(píng)價(jià)GAGG的實(shí)際性能優(yōu)劣。在對(duì)其充分了解的基礎(chǔ)上，利用GAGG閃爍體及SensL C-60035型硅光電倍增管設(shè)計(jì)了一個(gè)單通道X、γ射線探測(cè)器，并對(duì)其性能做了初步評(píng)價(jià)。

1 閃爍體性能研究

1.1 閃爍體性能測(cè)量方案設(shè)計(jì)

1.1.1 光輸出強(qiáng)度測(cè)量

1.1.1.1 閃爍體光輸出強(qiáng)度定義

閃爍體的發(fā)光效率表征閃爍體將射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾谋绢I(lǐng)，常用能量轉(zhuǎn)換效率P和光輸出強(qiáng)度S表示。

由于能量轉(zhuǎn)換效率P和光輸出強(qiáng)度S的絕對(duì)測(cè)定比較復(fù)雜，所以在實(shí)際中往往與標(biāo)準(zhǔn)NaI(Tl)閃爍體相比較給出相對(duì)值，稱為相對(duì)發(fā)光效率[3]。在本文工作中，使用閃爍探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)量光電子產(chǎn)額（單位為phe/MeV），通過(guò)式（1）計(jì)算得到閃爍體的光輸出強(qiáng)度。

光輸出強(qiáng)度S與光電子產(chǎn)額的換算公式為：

其中EQ為光電倍增管對(duì)應(yīng)不同發(fā)光波長(zhǎng)的量子效率。

1.1.1.2 單光電子法測(cè)量原理

單光電子法是使光電倍增管陰極僅探測(cè)到一個(gè)光子，在光陰極轉(zhuǎn)換為單個(gè)電子，經(jīng)倍增后由陽(yáng)極輸出電信號(hào)，經(jīng)放大后由多道分析器得到單光電子譜，確認(rèn)峰位，再獲得待測(cè)閃爍體的全能峰位，其與單光電子峰位存在比例關(guān)系，精確測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的增益，即可得到光電子產(chǎn)額。

在實(shí)驗(yàn)中對(duì)多道分析器線性與零點(diǎn)、放大器增益倍率進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)如下頁(yè)表1。

1.1.1.3 測(cè)量詳細(xì)步驟

1）獲得單光電子譜為獲得準(zhǔn)確的單光電子譜，應(yīng)在光電倍增管外包裹鋁箔，并用到現(xiàn)將濾波與高壓接口相連以減少誤差，并將PMT長(zhǎng)時(shí)間封閉于暗盒之中，減小其暗電流。實(shí)驗(yàn)使用22Na放射源與BaF2閃爍體。將放射源與閃爍體固定，閃爍體與光陰極表面直接耦合，擰好頂蓋后調(diào)整主放大器參數(shù)，記錄電壓與放大倍數(shù)。通過(guò)多道分析器采集能譜，記錄計(jì)數(shù)率。在光電倍增管光陰極上覆蓋鋁箔，于鋁箔中心位置開直徑3 mm的小孔使單光子通過(guò)，使用玻璃光導(dǎo)使閃爍體離開光陰極2.6 cm高度，并添加多層吸收紙使總譜計(jì)數(shù)率降至原來(lái)5%以內(nèi)，記錄總譜計(jì)數(shù)率，設(shè)置采集時(shí)間300 s，通過(guò)ORTEC MAESTRO軟件記錄能譜，認(rèn)為該譜主要由單光電子譜和本底構(gòu)成。取出放射源，其他實(shí)驗(yàn)條件均不變，記錄總譜計(jì)數(shù)率和能譜，認(rèn)為該譜是本底。單光電子譜經(jīng)譜扣除本底得到，通過(guò)軟件找到單光電子峰位。

2）標(biāo)定多道分析器及校準(zhǔn)主放大器。使用精密脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同幅度的脈沖，由示波器讀取脈沖的準(zhǔn)確幅值，同時(shí)將脈沖輸入多道分析器，觀察道址，記錄不同幅度值及其對(duì)應(yīng)的道址。主放大器放大倍數(shù)調(diào)節(jié)為細(xì)調(diào)和粗調(diào)兩種模式。校準(zhǔn)主放時(shí)使用精密脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸入到主放大器中，并用示波器觀察輸出信號(hào)調(diào)節(jié)信號(hào)輸出幅度，使得信號(hào)在不超過(guò)分析器量程的前提下盡可能大，然后觀察信號(hào)道址。

表1 閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間測(cè)試儀器及參數(shù)

3）測(cè)量光電倍增管在不同電壓下的增益。增益數(shù)據(jù)如表2。

表2 測(cè)量光電倍增管在不同工作電壓下的相對(duì)增益數(shù)據(jù)記錄表

4）計(jì)算光電子產(chǎn)額及光輸出強(qiáng)度

現(xiàn)在已經(jīng)得到了單光電子譜中的單光電子峰位以及待測(cè)閃爍體的伽馬峰位，計(jì)算增益。公式為：

再應(yīng)用定義中所給公式計(jì)算光輸出強(qiáng)度。

1.1.2 衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)量

1.1.2.1 閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間定義

閃爍體接受高能電子的刺激后，并非在一瞬間釋放所有信號(hào)，這一過(guò)程被稱為光子數(shù)衰減和光子數(shù)增長(zhǎng)[3]。光子數(shù)衰減階段是指閃爍光子的發(fā)光率從峰值恢復(fù)到基線的過(guò)程，遵從指數(shù)衰減規(guī)律，光子數(shù)隨時(shí)間的變化可用下列方程表達(dá)：

其中：τ1為增長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)，τ為衰減時(shí)間常數(shù)。設(shè)光子數(shù)達(dá)到最大值的時(shí)間為T，由于τ1比τ小得多，所以當(dāng) τ≥T>τ1時(shí)，式（1）寫成：

發(fā)光衰減時(shí)間τ，定義為光子數(shù)從最大值衰減到1/e所需要的時(shí)間。

1.1.2.2 詳細(xì)操作步驟

按照?qǐng)D1搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將待測(cè)閃爍體臥放于光電倍增管的光陰極中心，并在用硅脂耦合。用反光材料覆蓋，擰好光電倍增管頂蓋并放置放射源（建議輸入負(fù)高壓范圍為800V-1 100V）。

表3 閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間測(cè)試儀器及參數(shù)

圖1 閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間測(cè)試原理框圖

設(shè)置合適的示波器信號(hào)參數(shù)，選擇示波器采集模式取樣；調(diào)整橫縱軸使脈沖波形完整地呈現(xiàn)；調(diào)節(jié)甄別閾值，使脈沖信號(hào)清晰。待脈沖波形成形穩(wěn)定清晰時(shí)，切換采集模式為平均（512），保存波形數(shù)據(jù)和屏幕顯示的圖像信息。

重復(fù)測(cè)試時(shí)，將高壓電源置0并關(guān)閉，擰開光電倍增管頂蓋。

1.1.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1）使用Origin繪圖軟件對(duì)保存波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取波形衰減部分作為擬合的范圍，選用指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行擬合，從擬合結(jié)果中記錄發(fā)光衰減時(shí)間及其標(biāo)準(zhǔn)差（以圖2為例）。

圖2 計(jì)算閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間的指數(shù)衰減函數(shù)擬合方法

2）對(duì)擬合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并制作表格（如表 4）。

表4 示波器法測(cè)量閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

1.1.3 能量分辨測(cè)量

1.1.3.1 閃爍體能量分辨率定義

能量為E的單能粒子進(jìn)入閃爍體后，即使能量E完全損失在閃爍體中，由于閃爍光的統(tǒng)計(jì)漲落等原因，形成具有一定寬度的分布[3]。設(shè)脈沖幅度譜的半高全寬度（即峰值一半處的寬度，簡(jiǎn)稱為半高寬FWHM）為ΔU，峰對(duì)應(yīng)的幅度為U，則定義閃爍體的能量分辨率為：

ΔE為對(duì)應(yīng)于ΔU的能量譜的半高寬。

2.1.3.2 詳細(xì)操作步驟

圖4使用ORTEC MAESTRO軟件讀取待測(cè)LYSO閃爍體137Cs能譜全能峰道址與半高寬FWHM示意圖。

圖3 能量分辨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表5 閃爍體能量分辨測(cè)試儀器與參數(shù)

圖4 使用ORTEC MAESTRO軟件讀取待測(cè)LYSO閃爍體137Cs能譜全能峰道址與半高寬FWHM示意圖

搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用反光材料覆蓋閃爍體（除了輸出面）。用硅脂涂抹于輸出面，臥放于光電倍增管的光陰極中心位置，擰好光電倍增管頂蓋。將22Na放射源放置在探頭上，用黑色遮光布覆蓋整個(gè)試驗(yàn)裝置，防止外界光輸入過(guò)大損害實(shí)驗(yàn)儀器。PMT陽(yáng)極信號(hào)經(jīng)主放大器和前放（視情況而定）輸入到多道分析器，記錄負(fù)高壓數(shù)值，是否使用前放，主放的增益。

使用ORTEC MAESTRO軟件采集能譜（如圖4），等待能譜全能峰峰位道址下的計(jì)數(shù)值1 000左右結(jié)束采集。能譜采集完畢后，選定高斯擬合區(qū)域，記錄峰位道值和半高寬。

將高壓電源置0并關(guān)閉，擰開光電倍增管頂蓋，重復(fù)測(cè)試兩到三次。

（未完待續(xù)）