國產LaBr3:Ce晶體性能表征

徐炯輝 劉軍輝

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院六所，中國 北京100085）

0 引言

LaBr3:Ce晶體是近年來發展起來的新型閃爍晶體，它具有較高的光輸出（～60000p/MeV）和較小的發光衰減時間常數（＜25ns）[1－6]，因而成為研究熱點。國外對LaBr3:Ce的研究較早，2005～2007年，圣戈班公司發表了多篇關于產品Brillance 380的文章[7－10]。國內對LaBr3:Ce的研究起步較晚，所見報道不多，2011年，北京一輕研究院桂強、張春生等研究了大尺寸摻氯化鈰的溴化鑭晶體生長，得到其發光產額為12000p.e/MeV[11]；2013年，桂強、張春生等研究了LaBr3:Ce晶體生長與性能，晶體能量分辨率為3.1%，發光衰減時間常數為25.1ns[12]。2014年，丁言國、包漢波等研究了LaBr3:Ce晶體生長及物理特性[13]。本文采用北京華凱龍公司生產的LaBr3:Ce晶體樣品，對其發光產額、發光衰減曲線進行了測試，并采用該晶體與法國Photonis的光電倍增管XP20D0搭建譜儀測試了其能量分辨能力和時間分辨能力，為國產LaBr3:Ce晶體用于γ能譜儀和時間譜儀提供了參考。

1 測量方法及結果

LaBr3:Ce晶體如圖1所示，晶體尺寸為Φ30mm×20mm，用Teflon作為反射層，用鋁殼和石英窗封裝，采用硅油耦合到XP20D0光電倍增管（該光電倍增管的光陰極藍光靈敏度為11.1uA/lmf）組成譜儀，采用單光電子方法[14]測量得到其光電子數為16800p.e/MeV。采用單光電子方法測量了該晶體的發光衰減曲線（見圖2），計算得到該晶體的發光上升時間為5.6ns，發光衰減時間常數為21ns。

圖1 LaBr3:Ce晶體照片

由137Cs放射源測量得到其能譜見圖3，其能量分辨率為3.3%。

采用兩塊Φ30mm×20mm的LaBr3:Ce晶體與兩只XP20D0光電倍增管組成典型的快慢符合系統，測試系統見圖4。LaBr3:Ce晶體與XP20D0光電倍增管組成探測器，陽極信號（快道信號）送給恒比定時甄別器CFD Ortec 935作定時甄別，兩路Ortec 935輸出信號經延時后分別輸給時伏轉換電路TAC Ortec 567的起始道和停止道，Ortec 567的輸出信號送給多道分析器作時間譜分析；打拿級信號（慢道信號）送給放大器Ortec 572作放大后，送給單道分析器，右路Ortec 552的輸出信號去選通左路的Ortec 552，相當于作一次慢道符合，然后用左路Ortec 552的輸出信號去選通TAC Ortec 567，從而實現快慢符合。放射源采用22Na正電子點源。

圖2 LaBr3:Ce晶體發光衰減曲線

圖3 137Cs的能譜

上述時間測量系統測量得到對正電子淹沒射線的符合時間譜見圖5，計算得到其符合時間分辨率為FWHM＝208ps。對上述時間測量系統中的恒比定時電路換成自行設計的前沿定時電路，測量得到符合時間譜見圖6，計算得到其符合時間分辨率為FWHM 191ps。

圖4 快慢符合時間測量系統

圖5 恒比定時電路條件下測量得到LaBr3:Ce探測器對22Na點源的符合時間譜

圖6 前沿定時電路條件下測量得到LaBr3:Ce探測器對22Na點源的符合時間譜

2 討論

國產LaBr3:Ce晶體在XP20D0光電倍增管上的光電子數為16800p.e/MeV，按照光電轉換效率為25%計算，可得到其光產額為67000p/MeV，其能量分辨率為3.3%，與國外文獻報道相符合；LaBr3:Ce晶體具有很好的能量分辨率，可用于高性能γ能譜儀。國產LaBr3:Ce晶體的發光衰減時間常數為21ns，與國外文獻報道一致；兩塊Φ30mm×20mm的LaBr3:Ce晶體對22Na點源的符合時間分辨率為FWHM 191ps，說明LaBr3:Ce晶體具有很好的時間分辨率，可以用于高性能時間譜儀，如：利用飛行時間的正電子斷層掃描儀（TOF-PET）、正電子淹沒壽命譜儀（PALS）等。

采用前沿定時電路的LaBr3:Ce時間譜儀對22Na點源的符合時間分辨率為FWHM＝191ps，明顯好于采用恒比定時電路的LaBr3:Ce時間譜儀的時間分辨率FWHM＝208ps，這說明在TOF-PET的應用中，采用前沿定時電路好于恒比定時電路，這可能是因為LaBr3:Ce晶體發光產額高（67000p/MeV），發光衰減時間小（21ns），從而使得信號幅度高，對511keV全能峰的γ事例，其信號幅度相對漲落不大，從而減小了信號幅度變化因其的時間漂移，使得前沿定時電路具有很好的時間分辨。前沿定時電路對信號輸入要求簡單，而橫比定時電路需要對信號做延時衰減、倒向相加等處理，這些處理過程影響了信號時間性能，因而在LaBr3:Ce的TOF-PET并不適合。

該LaBr3:Ce晶體的發光上升時間為5.6ns，是影響時間分辨率的重要因素[15]，與Ce離子參雜濃度、晶體尺寸、封裝工藝有關[1]，在這方面的改進將有助于進一步提高LaBr3:Ce晶體的時間性能。

［1］Shah K.S.,Glodo J.,KlugermanM.,et al.LaBr3:Ce scintillators for gamma-ray spectroscopy[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2003,50(6):2410

［2］Khodyuk I.V.,Quarati F.G.A.,Alekhin M.S.,et al.Energy resolution and related charge carrier mobility in LaBr3:Ce scintillators[J].J.Appl.Phys,2013,114(12):123510.

［3］Gascón M.,Lam S.,Wang S.,et al.Characterization of light output and scintillation emission in CsI(Tl),NaI(Tl),and LaBr3(Ce)under isostatic pressure[J].Radiation Measurements,2013,56:70.

［4］Oberstedt A.,Billnert R.,Oberstedt S.,Gamma-ray Measurements with LaBr3:Ce Detectors-thinking Outside the Box[J].Physics Procedia,2012,31:21.

［5］Manchanda R.K.,Characteristics and performance of thin LaBr3(Ce)crystal for hard X-ray astronomy[J].Advances in Space Research,2011,47:30.

［6］Haaks M.,Valentini R.,Vianden R.,First test of LSO scintillators for Positron Lifetime Spectroscopy[J].Phys.Status Solidi C.,2007,4:4036.

［7］Menge P.R.,Gautier G.,IltisA.,et al.Performance of large lanthanum bromide scintillators[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section a:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2007,579:6.

［8］Iltis A.,Mayhugh M.R.,Menge P.,et al.Lanthanum halide scintillators:Properties and applications,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section a:Accelerators,Spectrometers[J].Detectors and Associated Equipment,2006,563:359.

［9］Drozdowski W.,Dorenbos P.,Bos A.J.J.,et al.Effect of Proton Dose,Crystal Size,and Cerium Concentration on Scintillation Yield and Energy Resolution of LaBr3:Ce[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2007,54(3):736.

［10］Drozdowski W.,Dorenbos P.,A.J.J.Bos,et al.,Gamma-Ray Induced Radiation Damage in LaBr3:5%Ce and LaCl3:10%Ce Scintillators[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2007,54(4):1387.

［11］桂強,張春生,張明榮,等.大尺寸摻氯化鈰的溴化鑭晶體生長及閃爍性能研究[J].核電子學與探測技術,2011，31（11）:1195.

［12］桂強,張春生,鄒本飛，等.溴（氟）化鑭（鈰）晶體生長與性能研究[J].人工晶體學報,2013,42(4):639.

［13］丁言國,包漢波,李正國,等.LaBr3:Ce晶體生長及物理特性的研究[J].硅酸鹽通報,2014，33（3）：476.

［14］ChangTianbao,Yin Dingzhen,Cao Chuan,et al.Improvement on application of BaF2 scintillation counter to a positron lifetime spectrometer[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section a: Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,1987,256(2):398.

［15］T.Szczesniak,M.Moszynski,A.Nassalski,et al,A Further Study of Timing With LSO on XP20D0 for TOF PET[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2007,54(5):146.