国产LaBr3:Ce晶体性能表征

徐炯辉 刘军辉

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.中国人民解放军第二炮兵装备研究院六所，中国 北京100085）

0 引言

LaBr3:Ce晶体是近年来发展起来的新型闪烁晶体，它具有较高的光输出（～60000p/MeV）和较小的发光衰减时间常数（＜25ns）[1－6]，因而成为研究热点。国外对LaBr3:Ce的研究较早，2005～2007年，圣戈班公司发表了多篇关于产品Brillance 380的文章[7－10]。国内对LaBr3:Ce的研究起步较晚，所见报道不多，2011年，北京一轻研究院桂强、张春生等研究了大尺寸掺氯化铈的溴化镧晶体生长，得到其发光产额为12000p.e/MeV[11]；2013年，桂强、张春生等研究了LaBr3:Ce晶体生长与性能，晶体能量分辨率为3.1%，发光衰减时间常数为25.1ns[12]。2014年，丁言国、包汉波等研究了LaBr3:Ce晶体生长及物理特性[13]。本文采用北京华凯龙公司生产的LaBr3:Ce晶体样品，对其发光产额、发光衰减曲线进行了测试，并采用该晶体与法国Photonis的光电倍增管XP20D0搭建谱仪测试了其能量分辨能力和时间分辨能力，为国产LaBr3:Ce晶体用于γ能谱仪和时间谱仪提供了参考。

1 测量方法及结果

LaBr3:Ce晶体如图1所示，晶体尺寸为Φ30mm×20mm，用Teflon作为反射层，用铝壳和石英窗封装，采用硅油耦合到XP20D0光电倍增管（该光电倍增管的光阴极蓝光灵敏度为11.1uA/lmf）组成谱仪，采用单光电子方法[14]测量得到其光电子数为16800p.e/MeV。采用单光电子方法测量了该晶体的发光衰减曲线（见图2），计算得到该晶体的发光上升时间为5.6ns，发光衰减时间常数为21ns。

图1 LaBr3:Ce晶体照片

由137Cs放射源测量得到其能谱见图3，其能量分辨率为3.3%。

采用两块Φ30mm×20mm的LaBr3:Ce晶体与两只XP20D0光电倍增管组成典型的快慢符合系统，测试系统见图4。LaBr3:Ce晶体与XP20D0光电倍增管组成探测器，阳极信号（快道信号）送给恒比定时甄别器CFD Ortec 935作定时甄别，两路Ortec 935输出信号经延时后分别输给时伏转换电路TAC Ortec 567的起始道和停止道，Ortec 567的输出信号送给多道分析器作时间谱分析；打拿级信号（慢道信号）送给放大器Ortec 572作放大后，送给单道分析器，右路Ortec 552的输出信号去选通左路的Ortec 552，相当于作一次慢道符合，然后用左路Ortec 552的输出信号去选通TAC Ortec 567，从而实现快慢符合。放射源采用22Na正电子点源。

图2 LaBr3:Ce晶体发光衰减曲线

图3 137Cs的能谱

上述时间测量系统测量得到对正电子淹没射线的符合时间谱见图5，计算得到其符合时间分辨率为FWHM＝208ps。对上述时间测量系统中的恒比定时电路换成自行设计的前沿定时电路，测量得到符合时间谱见图6，计算得到其符合时间分辨率为FWHM 191ps。

图4 快慢符合时间测量系统

图5 恒比定时电路条件下测量得到LaBr3:Ce探测器对22Na点源的符合时间谱

图6 前沿定时电路条件下测量得到LaBr3:Ce探测器对22Na点源的符合时间谱

2 讨论

国产LaBr3:Ce晶体在XP20D0光电倍增管上的光电子数为16800p.e/MeV，按照光电转换效率为25%计算，可得到其光产额为67000p/MeV，其能量分辨率为3.3%，与国外文献报道相符合；LaBr3:Ce晶体具有很好的能量分辨率，可用于高性能γ能谱仪。国产LaBr3:Ce晶体的发光衰减时间常数为21ns，与国外文献报道一致；两块Φ30mm×20mm的LaBr3:Ce晶体对22Na点源的符合时间分辨率为FWHM 191ps，说明LaBr3:Ce晶体具有很好的时间分辨率，可以用于高性能时间谱仪，如：利用飞行时间的正电子断层扫描仪（TOF-PET）、正电子淹没寿命谱仪（PALS）等。

采用前沿定时电路的LaBr3:Ce时间谱仪对22Na点源的符合时间分辨率为FWHM＝191ps，明显好于采用恒比定时电路的LaBr3:Ce时间谱仪的时间分辨率FWHM＝208ps，这说明在TOF-PET的应用中，采用前沿定时电路好于恒比定时电路，这可能是因为LaBr3:Ce晶体发光产额高（67000p/MeV），发光衰减时间小（21ns），从而使得信号幅度高，对511keV全能峰的γ事例，其信号幅度相对涨落不大，从而减小了信号幅度变化因其的时间漂移，使得前沿定时电路具有很好的时间分辨。前沿定时电路对信号输入要求简单，而横比定时电路需要对信号做延时衰减、倒向相加等处理，这些处理过程影响了信号时间性能，因而在LaBr3:Ce的TOF-PET并不适合。

该LaBr3:Ce晶体的发光上升时间为5.6ns，是影响时间分辨率的重要因素[15]，与Ce离子参杂浓度、晶体尺寸、封装工艺有关[1]，在这方面的改进将有助于进一步提高LaBr3:Ce晶体的时间性能。

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