無機閃爍體性能測試方案研究

尹士玉，郭 浩,，顏 敏，王志剛,3，馬麗雙，張凌峰，錢 森,3*

無機閃爍體性能測試方案研究

尹士玉1，郭 浩1,2，顏 敏2，王志剛2,3，馬麗雙2，張凌峰2，錢 森2,3*

1北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京 100144；2中國科學院高能物理研究所，北京 100049；3核探測與核電子學國家重點實驗室，北京 100049

為滿足諸如大型對撞機實驗探測器研制、空間載荷量能器等大科學工程和新型醫(yī)療影像設備TOF-PET對閃爍體的篩選需求，對閃爍體的閃爍性能(發(fā)射光譜、光輸出、能量分辨率、衰減時間、余輝以及符合時間分辨率等)進行了研究，并針對不同閃爍體樣品的測試需求設計了一整套完整的無機閃爍體性能測試方案。在發(fā)射光譜測試中選擇了不同的激發(fā)源進行對比測試，對能量分辨率與符合時間分辨等閃爍性能的測試條件進行優(yōu)化，并成功應用于熱門閃爍體摻雜鈰的硅酸釔镥(LYSO:Ce)和釓鋁鎵石榴石(GAGG:Ce)的性能研究中，取得了較好的測試結果。

無機閃爍體；性能測試；能譜；能量分辨率；符合時間分辨率

1 引 言

閃爍體是指在高能粒子或射線的作用下，能發(fā)出熒光的物質。按照組成物質的成分可將閃爍體分為無機閃爍體和有機閃爍體兩種[1-2]。無機閃爍體在我國已有超過六十年的發(fā)展歷史，期間無數(shù)的閃爍體被成功開發(fā)并推向市場。為應用于不同的學科領域和滿足不同的物理需求，需要將不同種類的閃爍體和多種光電探測器組合。目前，除了在核科學與高能物理實驗方面，無機閃爍體在核醫(yī)學成像、無損探傷、安全檢測和環(huán)境監(jiān)測等領域也取得了突飛猛進的發(fā)展，研究滿足多領域需求的無機閃爍體成為閃爍體開發(fā)的主流方向[3]。環(huán)形正負電子對撞機(Circular electron positron collider, CEPC)[4]和高能宇宙輻射探測設施(high energy cosmic radiation detection, HERD)[5]等大科學工程需要大量高性能的閃爍體，為滿足其對閃爍體精確且高效的篩選需求，本文根據(jù)閃爍體特性，開發(fā)設計了一套完整且便捷的閃爍體性能測試方案。

目前，閃爍體測試方案并沒有國家標準。在閃爍體發(fā)射光譜的測試中，關于閃爍體激發(fā)源的選擇，有的使用紫外發(fā)光二極管(ultraviolet light emitting diode, UV-LED)的[6]，也有的使用X射線的[7]，沒有明確的標準可以遵循。在能量分辨率的測試中，有的文獻中使用光電倍增管(photomultiplier tube, PMT)進行測試[8]，也有使用硅光電倍增管(silicon photomultiplier, SiPM)進行測試[9]。關于放射源的選擇，有的使用137Cs的662 keV計算[10]，也有的使用22Na的511 keV進行計算[11]。

在單光子時間分辨達到50 ps量級的光電探測器中，最典型的為近貼聚焦型微通道板光電倍增管(microchannel plate PMT, MCP-PMT)[12]，但單個器件高達10萬元的高昂價格和進口設備采購用戶聲明，限制了其在閃爍體性能測試領域的推廣。隨著光電器件的發(fā)展，一些SiPM也突破了技術瓶頸，實現(xiàn)了快速時間分辨的功能。此類光電探測器具有時間響應快、抗干擾能力強、體積小、重量輕等特點，尤其是其多種類型的光譜響應，可覆蓋紫外到紅外的波長范圍，且光子探測效率高，非常適合對不同發(fā)射光譜的閃爍體進行性能測試[13]。但SiPM暗噪聲較高，且增益受溫度影響較大，在實際應用中有一定限制。

LYSO:Ce閃爍體和GAGG:Ce閃爍體突出的發(fā)光性能優(yōu)勢獲得了廣泛的關注，LYSO:Ce閃爍體具有高的光產(chǎn)額(25000 ph/MeV)和快的發(fā)光衰減時間(40 ns)[14]，陶瓷GAGG:Ce閃爍體的光產(chǎn)額能達到50000 ph/MeV，發(fā)光衰減時間在183 ps左右，單晶GAGG:Ce閃爍體的光產(chǎn)額能達到30000 ph/MeV，并且具有快慢兩種發(fā)光衰減成分，兩種成分的衰減時間分別為100 ns和300 ns左右。由于不同粒子與之相互作用時發(fā)光機制不同，使其發(fā)光衰減時間產(chǎn)生差異，有望利用脈沖形狀甄別(pulse shape discrimination，PSD)的方法實現(xiàn)粒子甄別[15]。因此本文對以上兩種閃爍體的閃爍特性進行了研究，以驗證此套測試方案的可靠性。

本套無機閃爍體性能測試方案測得LYSO:Ce閃爍體樣品的光輸出為27029 ph/MeV，衰減時間為42 ns，能量分辨率為7.9%@662 keV，符合時間分辨率可達到94.3 ps，陶瓷GAGG:Ce閃爍體的光輸出為59316 ph/MeV，衰減時間為182.9 ns，能量分辨率為5.4%@662 keV，優(yōu)于文獻[16-18]的測試結果。

2 發(fā)射光譜測量

閃爍體的發(fā)射光譜是指閃爍體發(fā)光強度隨波長的分布，是閃爍體重要的光譜特性，這與閃爍體的材料、閃爍體內(nèi)摻雜的活化劑和摻入的移波劑等多種因素有關[19]。閃爍體的發(fā)射光譜只有與光電探測器件的光譜響應靈敏區(qū)相匹配，才能獲得高的探測效率，因此研究閃爍體發(fā)光性能的首要步驟應為閃爍體發(fā)射光譜的測試。本套測試方案采用光譜儀測量閃爍體的發(fā)射光譜，實驗室所用光譜儀在190 nm至1100 nm的極寬光譜范圍內(nèi)可達到1 nm的分辨率。測試裝置如圖1所示，利用X射線管發(fā)射出X射線激發(fā)閃爍體發(fā)出閃爍光，或利用信號發(fā)生器驅動265 nm的深紫外LED激發(fā)閃爍體發(fā)光，利用光纖將閃爍體發(fā)出的閃爍光導入光譜儀進行測量，最后通過計算機分析出發(fā)射光譜。

圖1 閃爍體發(fā)射光譜測試裝置圖

利用本套裝置對尺寸為3 mm×3 mm×3 mm的LYSO:Ce閃爍體和尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的陶瓷GAGG:Ce閃爍體的發(fā)射光譜進行測試，結果如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，LYSO:Ce閃爍體在X光與深紫外LED為激發(fā)源時發(fā)射譜相同，都分布在370 nm~600 nm之間，且峰值波長在420 nm左右，與文獻[20]研究結果一致。在從圖2(b)中，陶瓷GAGG:Ce閃爍體在兩種激發(fā)源下的發(fā)射光譜近乎相同，由于5d~4f躍遷，主發(fā)射峰出現(xiàn)在550 nm左右，與文獻[15,21-22]中測試結果一致。區(qū)別在于LED為激發(fā)源時，在380 nm附近觀察到一個微弱的發(fā)射峰，而以X射線為激發(fā)源時無此峰，這可能是陶瓷GAGG:Ce中Gd3+的發(fā)光導致[23]。

3 能譜測量

本套測試方案中將閃爍體光輸出和能量分辨率的測試整合為同一裝置，如圖3所示。放射源發(fā)出γ射線進入閃爍體，在閃爍體內(nèi)沉積能量使得材料中基態(tài)電子躍遷至激發(fā)態(tài)，并且退激放出熒光光子被SiPM接收。SiPM固定在由低壓電源(±5 V)供電的驅動板上工作[24]，將SiPM和驅動板放置在封閉鋁盒中以屏蔽噪聲。SiPM的工作電壓可通過驅動板上的電壓-溫度修正功能進行自動調(diào)節(jié)，使其工作在增益穩(wěn)定狀態(tài)下。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)為波形數(shù)字化儀，將波形數(shù)據(jù)保存下來進行離線分析。如圖4所示，該套測試裝置測量LYSO:Ce耦合不同像素SiPM對能量的響應情況。從圖中可以看出，在31 keV到1332 keV范圍內(nèi)，耦合10 μm SiPM時，探測器能量線性較好。使用25 μm和50 μm SiPM探測器能量線性較差，且對于大像素的SiPM，非線性現(xiàn)象更為明顯。這是因為感光面積相同的SiPM，像素單元尺寸越大，則像素數(shù)量越少。如果單位時間入射光子的數(shù)量遠小于像素的數(shù)量，則SiPM的響應是線性的。當單位時間內(nèi)入射光子的數(shù)量增加時，SiPM的響應將逐漸飽和，導致探測器線性度變差。

3.1 能量分辨率測量

能量分辨率是核輻射探測器的一項重要指標，表征了探測器區(qū)分相近能量的γ峰的能力。放射源放出的射線進入閃爍體，閃爍體受激發(fā)后退激放出的熒光光子被光電器件探測到，通過光電器件光電轉換和倍增的過程，得到能譜中全能峰半高寬與峰位值的比值, 稱為能量分辨率[17,25]。能量分辨率一般用22Na或137Cs放射源能譜中全能峰半高寬與峰位值的比值表示。

圖2 閃爍體的發(fā)射光譜。(a) LYSO:Ce；(b) GAGG:Ce

圖3 閃爍體能譜分辨率測試裝置圖

圖4 LYSO:Ce耦合不同探測器的能量線性

閃爍體能量分辨率測試選用的SiPM型號是S13360-6050CS，其有效面積為6 mm×6 mm，對波長在350 nm~550 nm的閃爍光有較高的光子探測效率(>28%)。高的光子探測效率有利于提高能量分辨率。實驗中使用的放射源為137Cs。在閃爍體進行能量分辨率測量前，應將閃爍體提前避光，避免閃爍體余輝對測試結果的影響。

閃爍體的能量分辨率受許多因素影響，主要是由SiPM和閃爍體的性能決定。本套測試方案優(yōu)化了SiPM的工作電壓和取數(shù)閾值，閃爍體和SiPM的耦合方法以及閃爍體的包裹膜反射材料等影響因素，將SiPM工作電壓設置為54.5 V，使用Teflon膜包裹尺寸為3 mm×3 mm×3 mm 的LYSO:Ce閃爍體，與SiPM使用硅脂進行耦合，并調(diào)整取數(shù)閾值，以獲得最佳的能量分辨率。測量LYSO:Ce閃爍體的能量分辨率時SiPM已飽和，需要進行飽和修正，修正方法如下。

對短于SiPM有效恢復時間的光脈沖，SiPM對輸入光的響應理論上可以描述為[26]

當SiMP的恢復時間比某個事件的持續(xù)時間短時，存在每個像素不止一次地對入射光產(chǎn)生響應的可能性，這使得有效像素數(shù)eff大于實際像素數(shù)pix。這種情況下，SiPM對輸入光的響應可以用式(2)[26]描述。fire和電荷積分譜中的ADC channel之間的關系如式(3)所示，其中，是γ峰的道址，即電荷積分譜中的ADC channel，S為光電探測器測得多光電子譜中單光電子的道址。理想情況下SiPM可探測到的閃爍體發(fā)出的光子數(shù)與入射γ能量成正比。再結合式(2)、式(3)可得式(4)，其中為入射γ能量，為常數(shù)。

從圖4中10 μm SiPM的線性曲線可知，此LYSO:Ce晶體在31 keV到1332 keV能量范圍內(nèi)線性良好。圖5為LYSO:Ce晶體耦合50 μm SiPM時的能量線性，使用式(4)擬合，可得式(5)：

由式(5)可得入射能量與ADC譜中γ峰的道址的關系式：

根據(jù)式(6)可對LYSO:Ce耦合50 μm SiPM時137Cs的能譜進行修正。修正結果如圖6所示，其中圖6(a)為修正前的ADC譜，圖6(b)為修正后的能譜。經(jīng)過飽和修正后得到LYSO:Ce晶體耦合50 μm SiPM的能量分辨率為7.9%@662 keV。在相同測試條件下測量了尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的2塊GAGG:Ce，其中陶瓷GAGG:Ce閃爍體的能量分辨率修正后為5.4%@662 keV，單晶GAGG:Ce閃爍體的能量分辨率為7.1%@662 keV(未飽和）。

圖5 LYSO:Ce耦合50 μm SiPM的能量線性

3.2 光輸出測量

閃爍體光產(chǎn)額的大小表征閃爍體的發(fā)光能力，是評價閃爍體性能優(yōu)劣的一個重要指標。光產(chǎn)額是指粒子損失能量轉變?yōu)殚W爍光子的效率[27]，單位為ph/MeV。閃爍體光產(chǎn)額越高，光電器件探測到的光子數(shù)越多，系統(tǒng)的統(tǒng)計誤差越小，得到的測試精度就越高。絕對光產(chǎn)額通過實驗裝置的光收集效率()與閃爍體的光輸出呈正相關的關系。代表所有因素對閃爍光子從閃爍體到光電探測器傳輸過程的影響，如晶體的自吸收、晶體的大小和形狀、光子從閃爍體到光電探測器的傳輸效率等，此因素難以準確測量，因此本文僅研究閃爍體的光輸出。133Ba放射源的31 keV與81 keV兩個峰能量較小，在SiPM能量響應的線性范圍內(nèi)。因此本套測試方案將放射源133Ba用于閃爍體光輸出測量，閃爍體光輸出可以通過式(7)獲得。

其中：m為閃爍體的光輸出，31 keV和81 keV分別是133Ba能譜中的31 keV和81 keV峰值處的道址，是SiPM的單光電子道址，是基于SiPM本身PDE與晶體發(fā)射光譜計算得到的加權PDE[28]。該方法忽略了閃爍體與光電探測器耦合時丟失的光子數(shù)量。

閃爍體光輸出測量選用的SiPM型號是S13360-6025CS，使用信號發(fā)生器驅動激光二極管(laser diode，LD)作為光源，測量SiPM的單光電子光譜，從中計算得到單光電子道址。為提高光收集效率，將LYSO：Ce閃爍體的五個面包裹，閃爍體與SiPM之間采用硅脂耦合，硅脂的折射率約為1.5，在280 nm至700 nm的波長范圍內(nèi)其透射率非常穩(wěn)定，約為95%。放射源緊貼閃爍體，通過能譜得到能量為31 keV和81 keV的峰值對應道址，最后通過式(7)獲得閃爍體的光輸出。

該測試方法測量得到LYSO:Ce閃爍體的光輸出為27029 ph/MeV，陶瓷和單晶GAGG:Ce的光輸出為分別為59316 ph/MeV和31405 ph/MeV。

圖6 LYSO:Ce的能量分辨率。(a) 修正前；(b) 修正后

4 時間性能測量

由于新型無機閃爍體的特點是具有快的衰減時間，為實現(xiàn)對閃爍體時間特性的精確測量，所用光電探測器需具備優(yōu)異的時間特性。本套測試方案用一套裝置實現(xiàn)了對閃爍體的余輝、衰減時間和符合時間分辨的測試，所用探測器均為快速光電探測器件。

4.1 余輝測量

當閃爍體受到外界光照射后，材料中基態(tài)電子獲得能量躍遷到激發(fā)態(tài)，通過放出熒光光子或淬滅效應退激后，還有部分電子由于所處激發(fā)態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)，需要通過自身熱運動或外界能量才能逐漸將激發(fā)能量以光子形式釋放，這種現(xiàn)象稱為閃爍體的余輝[9]。

由于部分無機閃爍體具有較強余輝(如CsI:Tl、LYSO:Ce和GAGG:Ce等)，為減弱余輝對測試結果造成的影響，在進行閃爍體性能測試前通常需要長時間避光，使用過程中也需要保證嚴格的避光操作。一旦晶體曝光就需要等到余輝散去才能進行測試，而余輝的衰減是一個較長的過程。為了解閃爍體曝光后余輝持續(xù)時間，設計了一套余輝測試裝置，如圖7所示。

本次實驗對象為5 mm×5 mm×5 mm的單晶和陶瓷GAGG:Ce閃爍體，使用PMT[29]進行測量。為扣除環(huán)境本底和光電器件暗噪聲的影響，首先將暗箱中的隔板放下將閃爍體與PMT隔開，在無光源無閃爍體情況下采集PMT的暗噪聲信號。下一步使用信號產(chǎn)生器驅動深紫外LED發(fā)光，照射閃爍體1 min后，在關閉LED燈的同時抽出暗箱中的隔板，將閃爍體與PMT通過空氣耦合在一起，使閃爍體的余輝被PMT探測到。最后將PMT的輸出信號經(jīng)過放大、甄別后輸入到計數(shù)器，獲得了該測試溫度下(22.5 ℃)不同生長方式的GAGG:Ce余輝強度的相對值，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在相同的測試條件下，單晶GAGG:Ce的余輝強度比陶瓷GAGG:Ce高了至少一個量級，強度隨時間都呈指數(shù)模式衰減，最后趨于一個固定值。GAGG:Ce閃爍體的余輝強度隨著時間衰減了兩個數(shù)量級以上，且閃爍體余輝的衰減主要發(fā)生在曝光后的1000 s內(nèi)。曝光后約10000 s，閃爍體余輝衰減趨勢線變得平坦，余輝強度不再發(fā)生明顯降低，余輝強度仍大于PMT的暗噪聲水平。值得注意的是，陶瓷GAGG:Ce避光10000 s后的余輝強度只略高于PMT的暗噪聲水平，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除了陶瓷GAGG:Ce本身余輝弱于單晶GAGG:Ce外，還可能是陶瓷GAGG:Ce透過率太低，導致光子無法從閃爍體中逃逸。

圖7 閃爍體時間特性測試裝置圖

圖8 GAGG:Ce閃爍體的余輝衰減曲線

4.2 衰減時間測量

閃爍體衰減時間是指閃爍光從峰值衰減到峰值的1/e處所用的時間，閃爍體衰減時間的測試使用PMT[30]，放射源137Cs激發(fā)閃爍體發(fā)出光子被PMT探測，PMT的輸出脈沖波形由波形數(shù)字化儀記錄后進行離線分析，只需利用圖7測試裝置的左邊一半設備即可對閃爍體衰減時間進行測量。

為了提高測試精度，對多個脈沖波形進行平均后的波形用于測試閃爍體的衰減時間。圖9為PMT耦合LYSO:Ce和GAGG:Ce閃爍體對137Cs響應的平均波形。通過對LYSO:Ce閃爍體平均脈沖波形使用指數(shù)函數(shù)進行擬合得到公式：

從公式可知，LYSO:Ce閃爍體的衰減時間為42.0 ns。通過對單晶GAGG:Ce閃爍體平均脈沖波形進行擬合得到公式：

由擬合公式可知，單晶GAGG:Ce的衰減時間由快、慢兩種成分組成。兩種成分的衰減時間分別為50.1 ns和321.5 ns，二者的強度比例分別為39.2%和60.8%。

4.3 符合時間分辨率測量

實驗室研制的基于微通道板(microchannel plate，MCP)的近貼聚焦型PMT具有優(yōu)越的時間特性，其上升時間能達到103 ps，單光子時間分辨為68 ps，可實現(xiàn)精確的時間信息測量，因此本套測試方案的光電探測器采用MCP-PMT用于符合時間分辨測量，其工作電壓為-4800 V。將3 mm×3 mm×5 mm的LYSO:Ce閃爍體五面包裹Teflon反射膜，使用硅脂與MCP-PMT耦合組成探測器，將22Na放射源置于兩組探測器中間，并與兩組探測器分別間隔1 cm，取數(shù)系統(tǒng)為采樣率為40 GHz，帶寬為4 GHz的示波器，實驗裝置如圖7所示。

22Na放射源放出正電子湮滅產(chǎn)生兩個能量相等、方向相反的γ光子，這兩個光子分別入射到兩塊晶體，采用前沿定時法得到兩路MCP-PMT信號之間的時間差。根據(jù)輸出信號幅度將取數(shù)閾值設置為10 mV，采用復合測量方式多次測量兩個探測器輸出有效符合波形之間的時間差，得到符合波形時間差的分布。對其進行高斯擬合，即可得到系統(tǒng)的符合時間分辨率[25,31]。在此條件下，利用本套裝置測得兩塊3 mm×3 mm×5 mm LYSO:Ce閃爍體的符合時間分辨率為94.3 ps(FWHM)，如圖10所示。

為優(yōu)化測試裝置，使用時間性能更好的快速SiPM(MICROFJ-30035-TSV-TR)[32]進行測試，此SiPM具有兩個輸出端口，一個標準輸出端口，一個快速輸出端口。標準輸出端口用于測量能量信息，快速輸出端口具有優(yōu)異的時間特性，用于測量時間信息，采用信號發(fā)生器驅動LD(400 nm)作為光源，測得其極限時間分辨可達35.2 ps。使用兩個SiPM分別耦合兩塊2 mm×2 mm×2 mm LYSO:Ce閃爍體，對符合時間分辨率進行測試，但由于該測試方案還不成熟，測得其符合時間分辨率為206.3 ps(FWHM)。

圖9 LYSO:Ce和單晶GAGG:Ce的平均脈沖波形

圖10 LYSO:Ce閃爍體的符合時間分辨率

使用本文的無機閃爍體性能測試方案，對LYSO:Ce和GAGG:Ce的性能測試結果如表1所示。

表1 LYSO:Ce和GAGG:Ce閃爍體的性能測試結果

5 結 論

由于無機閃爍體優(yōu)異的發(fā)光特性，在高能物理實驗、核醫(yī)學成像、無損探傷和環(huán)境監(jiān)測等領域具有巨大的應用前景，為滿足CEPC、HERD等大科學工程對閃爍體快速、便捷篩選需求，實驗室設計了完整的無機閃爍體性能測試方案，可快速而準確地對閃爍體的發(fā)射光譜、光輸出、能量分辨率、余輝和符合時間分辨率進行測試，且已成功應用于LYSO:Ce和GAGG:Ce閃爍體的性能測試中，并取得較好的測試結果。因此，本套測試方案在無機閃爍體性能測試方面具有一定的普適性。另外，本套測試方案在衰減時間、余輝及符合時間分辨方面還有待優(yōu)化，下一步將以此為重點開展后續(xù)研究。

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[29] http://www.hamamatsu.com.cn/UserFiles/DownFile/Product/R6427_R7056_TPMH1187E05.pdf.

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[32] https://www.mouser.cn/datasheet/2/308/MICROJ-SERIES-D- 1811589.pdf.

Study on performance test plan of inorganic scintillator

Yin Shiyu1, Guo Hao1,2, Yan Min2, Wang Zhigang2,3, Ma Lishuang2, Zhang Lingfeng2, Qian Sen2,3*

1School of Mechanical and Materials Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China;2Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China

The average pulse waveform of LYSO:Ce and single crystal GAGG:Ce scintillators

Overview:Inorganic scintillators have a history of more than sixty years of development in our country. During this period, many scintillators have been successfully developed and put on the market. They have excellent scintillation properties such as high density and high transmittance, as well as stable physical and chemical properties. Coupled with photodetectors, they become one of the core detectors in high-energy physics and nuclear physics experiments. At present, the demand for the physical characteristics of the scintillators has been transformed into high light yield, excellent energy resolution, and fast decay time. Some large-scale scientific projects and new medical imaging equipment, such as the development of large-scale collider experimental detectors, space load calorimeters and TOF-PET require a large number of high-performance scintillators. For this reason, it is urgent to develop and design a complete and convenient scintillator performance test program.

With the development of the photoelectric field, a new type of fast photodetector with fast time response, strong anti-interference ability, small size and light weight has been developed. It is suitable for the detection of fast and extremely weak signals, and its time resolution can reach on the order of tens of picoseconds. The production of new fast photodetectors has also made the scintillator performance test enter a new stage, and the test accuracy will be significantly improved. As a result, an inorganic scintillator performance test plan for a new type of inorganic scintillator and a fast photodetector came into being.

LYSO:Ce scintillator has attracted widespread attention due to its high light yield (25000 ph/MeV) and fast luminescence decay time (40 ns). The single crystal GAGG:Ce scintillator has a light yield of 30000 ph/MeV, and has two decay components: fast and slow. According to the difference of the decay time of the output pulse waveform, it is expected that the PSD method can be used to realize particle discrimination.

The outstanding fluorescence performance advantages of LYSO:Ce scintillator and GAGG:Ce scintillator have set off a research boom. The light output of the LYSO:Ce scintillator is 27029 ph/MeV, the decay time is 40 ns, the energy resolution is 7.9%@662 keV, and the coincidence time resolution can reach 94.3 ps, which were measured by the inorganic scintillator performance test plan. At the same time, the lightoutputs of ceramic and single crystal GAGG:Ce are 59316 ph/MeV and 31405 ph/MeV, respectively, the energy resolution is 5.4%@662 keV and 7.1%@662 keV, and the decay time of ceramic GAGG:Ce is 182.9 ns. The decay time components of single crystal GAGG:Ce are 50.1 ns and 321.5 ns, respectively.

Yin S Y, Guo H, Yan M,Study on performance test plan of inorganic scintillator[J]., 2021, 48(6): 210038; DOI:10.12086/oee.2021.210038

Study on performance test plan of inorganic scintillator

Yin Shiyu1, Guo Hao1,2, Yan Min2, Wang Zhigang2,3, Ma Lishuang2,Zhang Lingfeng2, Qian Sen2,3*

1School of Mechanical and Materials Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China;2Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China

In order to respond to the scintillator screening requirements of large scientific projects and the new medical imaging equipment such as the development of large-scale collider experimental detectors, space load calorimeters and TOF-PET, our laboratory conducts research on the scintillation performance (emission spectrum, light output, energy resolution, decay time, afterglow, coincidence time resolution, etc.) of scintillators. A complete set of inorganic scintillator performance test programs is designed for the optimal performance of different scintillator samples. In the test of emission spectrum, different excitation sources were selected for comparison test. The energy resolution and the test conditions of the scintillation performance such as time resolution were optimized, which were successfully applied to the performance research of popular scintillators including cerium-doped yttrium lutetium silicate (LYSO:Ce) and gadolinium aluminum gallium garnet (GAGG:Ce), and good test results were obtained. The energy resolution of LYSO:Ce and ceramic GAGG:Ce scintillators are 7.9% and 5.4%, respectively, and the coincidence time resolution of the LYSO:Ce scintillator can reach 94.3 ps.

inorganic scintillator; performance test plan; energy spectrum; energy resolution; coincidence time resolution

尹士玉，郭浩，顏敏，等. 無機閃爍體性能測試方案研究[J]. 光電工程，2021，48(6): 210038

Yin S Y, Guo H, Yan M,Study on performance test plan of inorganic scintillator[J]., 2021, 48(6): 210038

TL812+.1

A

10.12086/oee.2021.210038

2021-01-26；

2021-05-08

國家自然科學基金資助項目(11675205，11675196)；中國科學院青年創(chuàng)新促進會經(jīng)費資助；核探測與核電子學國家重點實驗室資助項目(SKLPDE-ZZ-201902)

尹士玉(1979-)，男，博士，講師，主要從事光電材料的研究。E-mail：yinsy@ncut.edu.cn

錢森(1981-)，男，博士，特聘青年研究員，主要從事光電器件以及核電子學與核探測器的研究。E-mail：qians@ihep.ac.cn

National Natural Science Foundation of China (11675205, 11675196), Youth Innovation Promotion Association CAS, and Foundation of State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics (SKLPDE-ZZ-201902)

* E-mail: qians@ihep.ac.cn