國產(chǎn)LaBr3:Ce晶體性能表征

徐炯輝 劉軍輝

（1.中核核電運(yùn)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(fā)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(fā)光衰減時間常數(shù)（＜25ns）[1－6]，因而成為研究熱點(diǎn)。國外對LaBr3:Ce的研究較早，2005～2007年，圣戈班公司發(fā)表了多篇關(guān)于產(chǎn)品Brillance 380的文章[7－10]。國內(nèi)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(qiáng)、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(fā)光產(chǎn)額為12000p.e/MeV[11]；2013年，桂強(qiáng)、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(fā)光衰減時間常數(shù)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(chǎn)的LaBr3:Ce晶體樣品，對其發(fā)光產(chǎn)額、發(fā)光衰減曲線進(jìn)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(chǎn)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(jié)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(lán)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(shù)為16800p.e/MeV。采用單光電子方法測量了該晶體的發(fā)光衰減曲線（見圖2），計算得到該晶體的發(fā)光上升時間為5.6ns，發(fā)光衰減時間常數(shù)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(tǒng)，測試系統(tǒng)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(jīng)延時后分別輸給時伏轉(zhuǎn)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(dāng)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(xiàn)快慢符合。放射源采用22Na正電子點(diǎn)源。

圖2 LaBr3:Ce晶體發(fā)光衰減曲線

圖3 137Cs的能譜

上述時間測量系統(tǒng)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(tǒng)中的恒比定時電路換成自行設(shè)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(tǒng)

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

2 討論

國產(chǎn)LaBr3:Ce晶體在XP20D0光電倍增管上的光電子數(shù)為16800p.e/MeV，按照光電轉(zhuǎn)換效率為25%計算，可得到其光產(chǎn)額為67000p/MeV，其能量分辨率為3.3%，與國外文獻(xiàn)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(chǎn)LaBr3:Ce晶體的發(fā)光衰減時間常數(shù)為21ns，與國外文獻(xiàn)報道一致；兩塊Φ30mm×20mm的LaBr3:Ce晶體對22Na點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)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(fā)光產(chǎn)額高（67000p/MeV），發(fā)光衰減時間?。?1ns），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(fā)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(guān)[1]，在這方面的改進(jìn)將有助于進(jìn)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(qiáng),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(xué)與探測技術(shù),2011，31（11）:1195.

［12］桂強(qiáng),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(xué)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.