無機閃爍體釓鎵鋁石榴石（GAGG）的性能研究及應用

苑 航， 陳宇瀟， 王英杰， 盧貞瑞， 王 術， 黃素蘭，景 麗

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

引言

閃爍體是一種將電離輻射轉化為光發射的發光材料，在射線的作用下可以發射脈沖波。閃爍體的性能大幅度決定探測效果，故閃爍體是閃爍體探測器最重要的組成部分。閃爍體探測器目前已在核醫學、國防安全、高能物理實驗等領域得到廣泛應用。

目前常見的閃爍體有LYSO、BGO等，在各個領域已經被廣泛使用。但LYSO在晶塊與晶塊之間光輸出差異大，且具有自發放射性，對核醫學成像PET探測器的應用是一個嚴重的問題。BGO閃爍體衰減時間過長，無法應用于對時間精度要求較高的儀器中，且光產額較低，能量分辨較差。所以尋找綜合性能優秀的閃爍體材料一直是核探測領域研究重點[1]。

近些年來，釓鎵鋁石榴石在核探測技術中得到了廣泛關注[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（74 000±7 400）光子/MeV，是LYSO閃爍體的三倍左右；能量分辨率最優可達3.7%；無自輻射，發光衰減時間短；無潮解和自輻射等現象，是各方面性質優良的閃爍體材料。

在本課題研究中，將LYSO、BGO這兩種目前應用很廣泛的無機閃爍體與GAGG進行研究比較，評價GAGG的實際性能優劣。在對其充分了解的基礎上，利用GAGG閃爍體及SensL C-60035型硅光電倍增管設計了一個單通道X、γ射線探測器，并對其性能做了初步評價。

1 閃爍體性能研究

1.1 閃爍體性能測量方案設計

1.1.1 光輸出強度測量

1.1.1.1 閃爍體光輸出強度定義

閃爍體的發光效率表征閃爍體將射線能量轉變為可見光的本領，常用能量轉換效率P和光輸出強度S表示。

由于能量轉換效率P和光輸出強度S的絕對測定比較復雜，所以在實際中往往與標準NaI(Tl)閃爍體相比較給出相對值，稱為相對發光效率[3]。在本文工作中，使用閃爍探測器系統測量光電子產額（單位為phe/MeV），通過式（1）計算得到閃爍體的光輸出強度。

光輸出強度S與光電子產額的換算公式為：

其中EQ為光電倍增管對應不同發光波長的量子效率。

1.1.1.2 單光電子法測量原理

單光電子法是使光電倍增管陰極僅探測到一個光子，在光陰極轉換為單個電子，經倍增后由陽極輸出電信號，經放大后由多道分析器得到單光電子譜，確認峰位，再獲得待測閃爍體的全能峰位，其與單光電子峰位存在比例關系，精確測定實驗系統中的增益，即可得到光電子產額。

在實驗中對多道分析器線性與零點、放大器增益倍率進行校準。實驗系統及參數如下頁表1。

1.1.1.3 測量詳細步驟

1）獲得單光電子譜為獲得準確的單光電子譜，應在光電倍增管外包裹鋁箔，并用到現將濾波與高壓接口相連以減少誤差，并將PMT長時間封閉于暗盒之中，減小其暗電流。實驗使用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，擰好頂蓋后調整主放大器參數，記錄電壓與放大倍數。通過多道分析器采集能譜，記錄計數率。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，使用玻璃光導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數率降至原來5%以內，記錄總譜計數率，設置采集時間300 s，通過ORTEC MAESTRO軟件記錄能譜，認為該譜主要由單光電子譜和本底構成。取出放射源，其他實驗條件均不變，記錄總譜計數率和能譜，認為該譜是本底。單光電子譜經譜扣除本底得到，通過軟件找到單光電子峰位。

2）標定多道分析器及校準主放大器。使用精密脈沖發生器產生不同幅度的脈沖，由示波器讀取脈沖的準確幅值，同時將脈沖輸入多道分析器，觀察道址，記錄不同幅度值及其對應的道址。主放大器放大倍數調節為細調和粗調兩種模式。校準主放時使用精密脈沖發生器產生一個脈沖輸入到主放大器中，并用示波器觀察輸出信號調節信號輸出幅度，使得信號在不超過分析器量程的前提下盡可能大，然后觀察信號道址。

表1 閃爍體發光衰減時間測試儀器及參數

3）測量光電倍增管在不同電壓下的增益。增益數據如表2。

表2 測量光電倍增管在不同工作電壓下的相對增益數據記錄表

4）計算光電子產額及光輸出強度

現在已經得到了單光電子譜中的單光電子峰位以及待測閃爍體的伽馬峰位，計算增益。公式為：

再應用定義中所給公式計算光輸出強度。

1.1.2 衰減時間常數測量

1.1.2.1 閃爍體發光衰減時間定義

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，這一過程被稱為光子數衰減和光子數增長[3]。光子數衰減階段是指閃爍光子的發光率從峰值恢復到基線的過程，遵從指數衰減規律，光子數隨時間的變化可用下列方程表達：

其中：τ1為增長時間常數，τ為衰減時間常數。設光子數達到最大值的時間為T，由于τ1比τ小得多，所以當 τ≥T>τ1時，式（1）寫成：

發光衰減時間τ，定義為光子數從最大值衰減到1/e所需要的時間。

1.1.2.2 詳細操作步驟

按照圖1搭建實驗系統，將待測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（建議輸入負高壓范圍為800V-1 100V）。

表3 閃爍體發光衰減時間測試儀器及參數

圖1 閃爍體發光衰減時間測試原理框圖

設置合適的示波器信號參數，選擇示波器采集模式取樣；調整橫縱軸使脈沖波形完整地呈現；調節甄別閾值，使脈沖信號清晰。待脈沖波形成形穩定清晰時，切換采集模式為平均（512），保存波形數據和屏幕顯示的圖像信息。

重復測試時，將高壓電源置0并關閉，擰開光電倍增管頂蓋。

1.1.2.3 數據處理及分析

1）使用Origin繪圖軟件對保存波形數據進行處理，選取波形衰減部分作為擬合的范圍，選用指數衰減函數進行擬合，從擬合結果中記錄發光衰減時間及其標準差（以圖2為例）。

圖2 計算閃爍體發光衰減時間的指數衰減函數擬合方法

2）對擬合得到的數據進行整理并制作表格（如表 4）。

表4 示波器法測量閃爍體發光衰減時間結果統計表

1.1.3 能量分辨測量

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，由于閃爍光的統計漲落等原因，形成具有一定寬度的分布[3]。設脈沖幅度譜的半高全寬度（即峰值一半處的寬度，簡稱為半高寬FWHM）為ΔU，峰對應的幅度為U，則定義閃爍體的能量分辨率為：

ΔE為對應于ΔU的能量譜的半高寬。

2.1.3.2 詳細操作步驟

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

圖3 能量分辨實驗系統

表5 閃爍體能量分辨測試儀器與參數

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

搭建好實驗系統，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試驗裝置，防止外界光輸入過大損害實驗儀器。PMT陽極信號經主放大器和前放（視情況而定）輸入到多道分析器，記錄負高壓數值，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數值1 000左右結束采集。能譜采集完畢后，選定高斯擬合區域，記錄峰位道值和半高寬。

將高壓電源置0并關閉，擰開光電倍增管頂蓋，重復測試兩到三次。

（未完待續）