一種新型Ce∶GAGG閃爍探測器性能研究

王 璐，王 強，屈菁菁，董鴻林，方承麗，丁雨憧

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

鈰離子摻雜的釓鋁鎵多組分石榴石晶體(Gd3{Al,Ga}5O12,Ce∶GAGG)是一種新型的無機閃爍晶體材料。自2011年以來[1]，越來越受到廣泛關注。目前，Ce∶GAGG閃爍探測器已經(jīng)在核醫(yī)學[2-3]、空間探測[4]及核輻射探測[5-7]等領域進行了實際應用。與常用摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))、摻鉈碘化銫(CsI(Tl))、鍺酸鉍(BGO)及硅酸釔镥(LYSO)相比，Ce∶GAGG閃爍晶體具有光產(chǎn)額高，密度較大，衰減時間快，物化性能穩(wěn)定及無自發(fā)輻射等優(yōu)點[8-9]，是新型核輻射探測器的理想材料。

本文采用Ce∶GAGG閃爍晶體、光電倍增管、高壓模塊、分壓電路等組成探測器，研究不同尺寸的Ce∶GAGG閃爍晶體、耦合方式及反射層封裝材料的探測器性能，同時在同一實驗環(huán)境下與1英寸(1英寸=2.54 cm)NaI(Tl)閃爍晶體進行對比實驗，對光產(chǎn)額、能量分辨率、能量線性等性能進行對比測試。

1 探測器設計及組裝

探測器結構示意圖如圖1所示，該探測器主要由Ce∶GAGG閃爍晶體、光電倍增管、分壓電路、前放電路、高壓模塊、輸入和輸出接插件及封裝材料等組成。

圖1 探測器結構圖和實物圖

圖1中，閃爍晶體用于探測X/γ線，并將X/γ線轉化為光電子；光電倍增管用于接收閃爍光子，并將其轉化為電信號；讀出電路用于為光電倍增管分配電壓，并將陽極信號輸出；高壓模塊用于為光電倍增管提供高壓；接插件用于對輸入和輸出信號的轉接；封裝材料包括閃爍晶體反射層材料和光學耦合劑。

2 實驗測試及結果

2.1 材料的選擇

光電倍增管型號選擇北京濱松生產(chǎn)的CR173光電倍增管；Ce∶GAGG閃爍晶體由中國電子科技集團公司第二十六研究所提供，尺寸為?8 mm×8 mm、?25 mm×25 mm、?50 mm×50 mm，晶體端面拋光，其他面細磨，常用的閃爍晶體性能參數(shù)如表1所示。對比實驗的1英寸NaI(Tl)閃爍晶體由北京玻璃研究院提供，實驗研究所用的閃爍晶體如圖2所示。其中，反射層封裝材料選擇聚四氟乙烯(Teflon)、銀反射膜(ESR膜)、硫酸鋇(BaSO4)、二氧化鈦(TiO2)，光學耦合劑選擇美國EJ公司的EJ-550光學硅脂。

表1 閃爍晶體性能參數(shù)

圖2 閃爍體圖片

2.2 耦合測試

3種不同尺寸的Ce∶GAGG閃爍晶體表面不封裝，拋光面與光電倍增管端面直接耦合，測試得到能譜圖，同時測量1英寸NaI(Tl)閃爍晶體與光電倍增管端面直接耦合的能譜圖，得到空氣耦合情況下4種閃爍晶體的能譜對比如圖3(a)所示。再將4種閃爍晶體與光電倍增管端面通過光學硅脂耦合，測試得到能譜對比如圖3(b)所示。

圖3 不同耦合方式能譜圖

表2為計算得到4種閃爍晶體與光電倍增管不同耦合方式下相對光產(chǎn)額和能量分辨率的對比。由表2可知，采用硅脂耦合方式相對光產(chǎn)額和能量分辨率都有較大提高。

表2 不同耦合方式測試結果對比

2.3 不同反射層封裝測試

3種不同尺寸的Ce∶GAGG閃爍晶體表面除出光面外其他面分別采用Teflon、ESR膜、BaSO4、TiO24種封裝材料進行封裝，通過光學硅脂耦合，得到不同反射層封裝材料的能譜對比圖如圖4所示。

圖4 不同反射層封裝材料能譜圖

通過計算得到3種不同尺寸的Ce∶GAGG閃爍晶體表面在不同封裝材料情況下的相對光產(chǎn)額和能量分辨率的對比數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 不同反射層封裝材料測試結果對比

2.4 探測器線性度測試

線性度是衡量入射粒子能量與探測器給出的信息是否成線性關系，分別采用Ce：GAGG探測器和NaI(Tl)探測器測量241Am、137Cs、22Na 3種標準放射源的能譜圖，圖5為Ce∶GAGG和NaI(Tl)探測器線性度測試能譜圖。

圖5 探測器線性度測試能譜圖

通過對Ce∶GAGG和NaI(Tl)探測器線性度測試能譜圖計算得到241Am、137Cs、22Na 3種標準放射源的各種特征峰及相應的相對光產(chǎn)額道值，圖6為兩種探測器能量線性擬合相關度對比。由圖可知，Ce∶GAGG探測器的能量線性度稍好于NaI(Tl)探測器。圖中，rNaI(Tl)為NaI(Tl)探測器的能量線性擬合相關度，rCe∶GAGG為Ce∶GAGG探測器的能量線性擬合相關度。

圖6 線性度對比

3 結束語

本文通過對新型Ce∶GAGG閃爍探測器的不同晶體尺寸、耦合方式和反射層封裝材料的性能試驗研究，并與北京玻璃研究院的1英寸NaI(Tl)標準晶體進行對比。試驗結果表明，?8 mm×8 mm的Ce∶GAGG閃爍晶體性能最好；光學硅脂耦合劑能提高閃爍探測器的性能；ESR膜反射層封裝材料性能優(yōu)于Teflon、BaSO4、TiO2；Ce∶GAGG閃爍探測器的能量分辨率最好(可達到6.7%)，能量線性擬合相關度為0.999 9，性能比1英寸NaI(Tl)閃爍探測器優(yōu)。

本文采用的光電轉換器件CR173峰值波長為420 nm，而Ce∶GAGG閃爍晶體的發(fā)光峰值波長為540 nm，因波長不匹配會導致量子效率偏低，影響了Ce∶GAGG閃爍探測器的性能，因此，為提高Ce∶GAGG閃爍探測器的性能，后續(xù)我們將調(diào)研與Ce∶GAGG閃爍晶體發(fā)光波長相匹配的光電轉換器件，并進行試驗研究。