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閃爍探測器已經在核醫學[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閃爍晶體具有光產額高，密度較大，衰減時間快，物化性能穩定及無自發輻射等優點[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

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額和能量分辨率的對比數據,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。

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，后續我們將調研與Ce∶GAGG閃爍晶體發光波長相匹配的光電轉換器件，并進行試驗研究。