无机闪烁体钆镓铝石榴石（GAGG）的性能研究及应用

苑 航， 陈宇潇， 王英杰， 卢贞瑞， 王 术， 黄素兰，景 丽

（1.北京市第一七一中学， 北京 100013；2.北京市密云区第二中学， 北京 101500；3.中国科学院高能物理研究所， 北京 100049；4.北京东直门中学， 北京 100007）

引言

闪烁体是一种将电离辐射转化为光发射的发光材料，在射线的作用下可以发射脉冲波。闪烁体的性能大幅度决定探测效果，故闪烁体是闪烁体探测器最重要的组成部分。闪烁体探测器目前已在核医学、国防安全、高能物理实验等领域得到广泛应用。

目前常见的闪烁体有LYSO、BGO等，在各个领域已经被广泛使用。但LYSO在晶块与晶块之间光输出差异大，且具有自发放射性，对核医学成像PET探测器的应用是一个严重的问题。BGO闪烁体衰减时间过长，无法应用于对时间精度要求较高的仪器中，且光产额较低，能量分辨较差。所以寻找综合性能优秀的闪烁体材料一直是核探测领域研究重点[1]。

近些年来，钆镓铝石榴石在核探测技术中得到了广泛关注[2]。GAGG混晶是迄今为止理论上光输出最高的氧化物闪烁体：最高可达（74 000±7 400）光子/MeV，是LYSO闪烁体的三倍左右；能量分辨率最优可达3.7%；无自辐射，发光衰减时间短；无潮解和自辐射等现象，是各方面性质优良的闪烁体材料。

在本课题研究中，将LYSO、BGO这两种目前应用很广泛的无机闪烁体与GAGG进行研究比较，评价GAGG的实际性能优劣。在对其充分了解的基础上，利用GAGG闪烁体及SensL C-60035型硅光电倍增管设计了一个单通道X、γ射线探测器，并对其性能做了初步评价。

1 闪烁体性能研究

1.1 闪烁体性能测量方案设计

1.1.1 光输出强度测量

1.1.1.1 闪烁体光输出强度定义

闪烁体的发光效率表征闪烁体将射线能量转变为可见光的本领，常用能量转换效率P和光输出强度S表示。

由于能量转换效率P和光输出强度S的绝对测定比较复杂，所以在实际中往往与标准NaI(Tl)闪烁体相比较给出相对值，称为相对发光效率[3]。在本文工作中，使用闪烁探测器系统测量光电子产额（单位为phe/MeV），通过式（1）计算得到闪烁体的光输出强度。

光输出强度S与光电子产额的换算公式为：

其中EQ为光电倍增管对应不同发光波长的量子效率。

1.1.1.2 单光电子法测量原理

单光电子法是使光电倍增管阴极仅探测到一个光子，在光阴极转换为单个电子，经倍增后由阳极输出电信号，经放大后由多道分析器得到单光电子谱，确认峰位，再获得待测闪烁体的全能峰位，其与单光电子峰位存在比例关系，精确测定实验系统中的增益，即可得到光电子产额。

在实验中对多道分析器线性与零点、放大器增益倍率进行校准。实验系统及参数如下页表1。

1.1.1.3 测量详细步骤

1）获得单光电子谱为获得准确的单光电子谱，应在光电倍增管外包裹铝箔，并用到现将滤波与高压接口相连以减少误差，并将PMT长时间封闭于暗盒之中，减小其暗电流。实验使用22Na放射源与BaF2闪烁体。将放射源与闪烁体固定，闪烁体与光阴极表面直接耦合，拧好顶盖后调整主放大器参数，记录电压与放大倍数。通过多道分析器采集能谱，记录计数率。在光电倍增管光阴极上覆盖铝箔，于铝箔中心位置开直径3 mm的小孔使单光子通过，使用玻璃光导使闪烁体离开光阴极2.6 cm高度，并添加多层吸收纸使总谱计数率降至原来5%以内，记录总谱计数率，设置采集时间300 s，通过ORTEC MAESTRO软件记录能谱，认为该谱主要由单光电子谱和本底构成。取出放射源，其他实验条件均不变，记录总谱计数率和能谱，认为该谱是本底。单光电子谱经谱扣除本底得到，通过软件找到单光电子峰位。

2）标定多道分析器及校准主放大器。使用精密脉冲发生器产生不同幅度的脉冲，由示波器读取脉冲的准确幅值，同时将脉冲输入多道分析器，观察道址，记录不同幅度值及其对应的道址。主放大器放大倍数调节为细调和粗调两种模式。校准主放时使用精密脉冲发生器产生一个脉冲输入到主放大器中，并用示波器观察输出信号调节信号输出幅度，使得信号在不超过分析器量程的前提下尽可能大，然后观察信号道址。

表1 闪烁体发光衰减时间测试仪器及参数

3）测量光电倍增管在不同电压下的增益。增益数据如表2。

表2 测量光电倍增管在不同工作电压下的相对增益数据记录表

4）计算光电子产额及光输出强度

现在已经得到了单光电子谱中的单光电子峰位以及待测闪烁体的伽马峰位，计算增益。公式为：

再应用定义中所给公式计算光输出强度。

1.1.2 衰减时间常数测量

1.1.2.1 闪烁体发光衰减时间定义

闪烁体接受高能电子的刺激后，并非在一瞬间释放所有信号，这一过程被称为光子数衰减和光子数增长[3]。光子数衰减阶段是指闪烁光子的发光率从峰值恢复到基线的过程，遵从指数衰减规律，光子数随时间的变化可用下列方程表达：

其中：τ1为增长时间常数，τ为衰减时间常数。设光子数达到最大值的时间为T，由于τ1比τ小得多，所以当 τ≥T>τ1时，式（1）写成：

发光衰减时间τ，定义为光子数从最大值衰减到1/e所需要的时间。

1.1.2.2 详细操作步骤

按照图1搭建实验系统，将待测闪烁体卧放于光电倍增管的光阴极中心，并在用硅脂耦合。用反光材料覆盖，拧好光电倍增管顶盖并放置放射源（建议输入负高压范围为800V-1 100V）。

表3 闪烁体发光衰减时间测试仪器及参数

图1 闪烁体发光衰减时间测试原理框图

设置合适的示波器信号参数，选择示波器采集模式取样；调整横纵轴使脉冲波形完整地呈现；调节甄别阈值，使脉冲信号清晰。待脉冲波形成形稳定清晰时，切换采集模式为平均（512），保存波形数据和屏幕显示的图像信息。

重复测试时，将高压电源置0并关闭，拧开光电倍增管顶盖。

1.1.2.3 数据处理及分析

1）使用Origin绘图软件对保存波形数据进行处理，选取波形衰减部分作为拟合的范围，选用指数衰减函数进行拟合，从拟合结果中记录发光衰减时间及其标准差（以图2为例）。

图2 计算闪烁体发光衰减时间的指数衰减函数拟合方法

2）对拟合得到的数据进行整理并制作表格（如表 4）。

表4 示波器法测量闪烁体发光衰减时间结果统计表

1.1.3 能量分辨测量

1.1.3.1 闪烁体能量分辨率定义

能量为E的单能粒子进入闪烁体后，即使能量E完全损失在闪烁体中，由于闪烁光的统计涨落等原因，形成具有一定宽度的分布[3]。设脉冲幅度谱的半高全宽度（即峰值一半处的宽度，简称为半高宽FWHM）为ΔU，峰对应的幅度为U，则定义闪烁体的能量分辨率为：

ΔE为对应于ΔU的能量谱的半高宽。

2.1.3.2 详细操作步骤

图4使用ORTEC MAESTRO软件读取待测LYSO闪烁体137Cs能谱全能峰道址与半高宽FWHM示意图。

图3 能量分辨实验系统

表5 闪烁体能量分辨测试仪器与参数

图4 使用ORTEC MAESTRO软件读取待测LYSO闪烁体137Cs能谱全能峰道址与半高宽FWHM示意图

搭建好实验系统，用反光材料覆盖闪烁体（除了输出面）。用硅脂涂抹于输出面，卧放于光电倍增管的光阴极中心位置，拧好光电倍增管顶盖。将22Na放射源放置在探头上，用黑色遮光布覆盖整个试验装置，防止外界光输入过大损害实验仪器。PMT阳极信号经主放大器和前放（视情况而定）输入到多道分析器，记录负高压数值，是否使用前放，主放的增益。

使用ORTEC MAESTRO软件采集能谱（如图4），等待能谱全能峰峰位道址下的计数值1 000左右结束采集。能谱采集完毕后，选定高斯拟合区域，记录峰位道值和半高宽。

将高压电源置0并关闭，拧开光电倍增管顶盖，重复测试两到三次。

（未完待续）