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 110000；2.北京市密云區(qū)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）

（接上期）

2.1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)處理中，對測試結果取平均值并計算標準偏差，數(shù)據(jù)記錄表格如表6所示。

表6 能量分辨數(shù)據(jù)分析

2.1.4 余輝測量

2.1.4.1 余輝及余輝時間定義

閃爍體的余輝是指閃爍體收到光激發(fā)存儲能量，在光激發(fā)停止后，在將存儲的能量以光的形式緩慢釋放出來的現(xiàn)象[3]。

閃爍體的余輝時間，是指閃爍體在光激發(fā)停止后，將存儲的能量完全釋放所需要的時間。在實驗測量中，認為閃爍體在光激發(fā)停止后能譜計數(shù)率降至激發(fā)前計數(shù)率的這段時間為閃爍體的余輝時間。

2.1.4.2 詳細操作方法

實驗前，將待測閃爍體避光放置12個小時。

在暗室中搭建實驗系統(tǒng)（與能量分辨相同）。用反光材料覆蓋閃爍體以利于光收集。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。高壓電源ORTE556輸出負高壓加到PMT上，正極信號經(jīng)主放大器輸入到多道分析器ORTEC921。

調節(jié)主放大器粗調與細調旋鈕，使能譜完整成型與顯示器上，使用ORTEC MAESTRO軟件標記分析范圍，記錄閃爍體曝光前的能譜計數(shù)率。

取出待測閃爍體，在日光下曝光10 min。

曝光結束，立即將待測閃爍體放回實驗系統(tǒng)中原來的位置上，此時觀察到能譜計數(shù)率達到很大數(shù)值。每間隔一段時間記錄一次能譜計數(shù)率，直到計數(shù)率降至曝光前，記錄待測閃爍體的余輝時間。

2.1.4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

閃爍體樣本曝光十分鐘后計數(shù)率隨時間變化曲線如下頁圖5。

圖5中公式是對試驗測試的數(shù)據(jù)點擬合而得到的，余輝衰減存在快成分和慢成分，兩種部分，符合雙指數(shù)衰減規(guī)律。

圖5 待測GAGG閃爍體曝光10 min后計數(shù)率隨時間變化的關系曲線

2.2 測試結果

GAGG晶體的光輸出強度相比其他兩種晶體有顯著優(yōu)勢。GAGG衰減時間與LYSO接近，且含有快慢兩種發(fā)光成分，可以通過需求進行原料摻雜調整衰減時間，快成分的發(fā)光衰減時間只有74 ns，慢成分的發(fā)光衰減時間為240 ns，可調節(jié)范圍廣。舍去疑似有誤的實驗數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)GAGG能量分辨效果略差于LYSO，優(yōu)于BGO，這是由于LYSO及BGO峰值發(fā)光波長為420 nm，相對于GAGG的520 nm峰值波長可與測試系統(tǒng)所選擇的光電轉換器件（420 nm峰值）進行更好地適配。此外，GAGG閃爍體存在余輝現(xiàn)象但余輝時間較短，對應用影響不大。

2.3 討論

LYSO閃爍體具有發(fā)光衰減時間短，能量分辨率效果好的特性，但其存在余輝效應，使用前應充分避光。而且由于其自發(fā)放射性，無法用于低能輻射測量等領域，最適用于對衰減時間要求較為嚴格的PET的醫(yī)療儀器方面。BGO閃爍體的顯著優(yōu)勢在于不存在余輝現(xiàn)象，密度高，但其能量分辨效果一般，且光輸出不高，發(fā)光衰減時間較長，由于其無自發(fā)放射性，因此可以應用于對能量分辨要求不高的核輻射探測領域。與BGO和LYSO兩種閃爍體相比較，GAGG表現(xiàn)出了突出的優(yōu)良特性，其不存在余輝效應，光輸出明顯高于LYSO與BGO，在配合光波長相匹配的光電轉換器件時可獲得更高的能量分辨，而且GAGG衰減時間可根據(jù)需求通過對快慢成分的摻雜進行調整，無突出缺點，應用潛力較廣。

3 單通道X、γ射線探測器設計

3.1 閃爍體探測器原理

典型的閃爍體探測器主要由閃爍體、光電轉換器件、讀出電子學構成。入射輻射在閃爍體內損耗并沉積能量，引起閃爍體中原子的電離激發(fā)，之后受激粒子退激放出閃爍光子，通過光導射入光電轉換器，通過光電效應、碰撞電離、雪崩等過程完成光子到電子的轉換及倍增。最終實現(xiàn)電離輻射到電信號的轉換，實現(xiàn)射線探測。

在對GAGG性能充分了解的基礎上，將其與新型光電轉換器SiPM結合，研制了單通道閃爍探測器，并進行了性能評價。

3.2 方案實現(xiàn)

3.2.1 材料及器件選型

使用GAGG閃爍體耦合硅光電倍增管，選取Sensl C-60035型的新型硅光電倍增管，光探測效率高達41%，且信號增益強，尺寸小，便于制造手持型探測器。

3.2.2 結構設計

利用Altium Designer設計電路板，在3D設計的金屬盒中完成電路連接。待測閃爍體用硅脂耦合于光電倍增管，將整體置于鐵盒中（以減少外界信號對實驗結果的干擾），用導線連接。截圖并記錄數(shù)據(jù)后接入示波器記錄波形，測量衰減時間和信噪比，通過計算機采集和ORTEC MAESTRO軟件的高斯擬合功能讀取全能峰峰位道址和半高寬FWHM測量能量分辨，并進一步對探測器的不同入射粒子甄別能力做了初步評價。

3.2.3 讀出電路設計

利用Altium Designer先繪制電路原理圖，繪制元件庫中沒有的原件，。完成電路原理圖后，進入PCB圖設計頁面，按照原理圖將所選原件擺在對應坐標上，設計電路板層數(shù)、連接方式等細節(jié)。初步完成后后用軟件自帶的錯誤查找功能做最后檢查修改，完成制作。

3.2.4 3D外殼設計

使用Solidworks 8.0軟件，先畫出外殼的底面部分，畫出一個大小合適長方體并掏空中心作為主體，再制作盒蓋部分。在底面上增加4個圓柱體作為固定電路板的支架。在盒子左面打出4個圓洞作為電源和輸出端的接口，在右面打出一個直徑約3 cm，深約1 cm的凹槽作為放置探頭處。

3.3 性能測試

將單通道探測器與實驗室原有BGO閃爍體探測器做性能對比測試，接入示波器得到輸出信號波形如下頁圖6所示，其中灰色脈沖為GAGG波形，藍色脈沖為BGO波形。并將探測器接入多道采集卡，得到如下頁圖7所示能譜，獲得22Na 511keV條件下的能量分辨信息，匯總于下頁表7中。

粒子甄別是利用不同類型射線粒子在閃爍體中產生不同的脈沖形狀而對入射粒子類型進行判選。為了評價該閃爍體是否具有粒子甄別的能力，對其分別在241Am α源和22Na γ源下的脈沖波形進行測量，試驗中選取了多組不同上升時間區(qū)間和下降時間區(qū)間的對比數(shù)據(jù)。上升時間是指脈沖信號由初始值快速上升至最大值時所需的時間，下降時間是指脈沖信號由最大值回落到初始值的時間間隔。其中上升時間選取在50%～90%時，可明顯區(qū)分α和γ粒子，具備一定的粒子甄別能力，結果如圖8所示。

對該單通道探測器的能量分辨性能進行表征，結果如表7。

圖6 GAGG和BGO脈沖信號對比：灰色脈沖信號（GAGG探測器）、藍色脈沖信號（BGO探測器）

上升時間對比，黑色脈沖信號（241Am放射源）藍色脈沖信號（22Na放射源）。

3.4 結果討論

通過觀察自制單通道GAGG探測器和實驗室原有BGO探測器在22Na條件下的脈沖波形截圖（圖6）可知灰色脈沖信號上升較快，藍色脈沖信號上升相對緩慢，說明GAGG閃爍體型探測器衰減時間更短，具有更優(yōu)的時間性能。

圖7 使用ORTEC MAESTRO軟件讀取待測GAGG閃爍體能譜的全能峰道址與半高寬FWHM示意圖

表7 GAGG和BGO能量分辨實驗結果

通過觀察觀察脈沖波形截圖（圖6）目測脈沖信號幅度和噪聲幅值，求比算出其信噪比，明顯看出灰藍線脈沖信號幅度基本持平，而藍色脈沖信號的噪聲幅度顯著高于灰色脈沖信號?？傻贸鼋Y論：GAGG信噪比高于BGO。

圖8 α與γ粒子甄別測量

分別用自制單通道GAGG探測器和實驗室原有BGO探測器在22Na放射源的輻射下使用ORTEC MASTRO軟件讀取其全能峰道值和半高寬示意圖（圖7），記錄數(shù)據(jù)并計算能量分辨，進行多次實驗取平均減小誤差。經(jīng)計算得GAGG探測器的平均能量分辨率為7.44%，遠優(yōu)于BGO閃爍體的13.30%。

通過觀測GAGG單通道探測器在α-γ環(huán)境下的脈沖上升時間和下降時間（圖8），得到GAGG在選取50%與90%時可有效區(qū)分α粒子和γ粒子。其中241Amα粒子的上升時間多集中于50 ns左右，22Na粒子多集中于30 ns左右。通過進一步選取合適的上升時間參數(shù)，有望進一步獲得更好的分離度結果。

4 結論

本課題對GAGG閃爍體的性質做了深入研究，通過對比GAGG，LYSO和BGO三種閃爍體在光輸出、能量分辨、衰減時間、余輝方面的性質，對其綜合性能進行了對比評價。在此基礎上，研制了單通道GAGG探測器，與實驗室已有的BGO探測器做了關鍵一系列關鍵性能對比。

GAGG閃爍閃爍體具有高光產額、較短衰減時間、高能量分辨和快余輝時間、無自發(fā)放射性等特點使其成為具有廣泛應用前景的閃爍材料。

通過本課題研制的GAGG探測器與實驗室原有BGO探測器對比實驗，表明GAGG探測器具有更好的時間性能，能量分辨率為5.18%～9.69%，優(yōu)于BGO探測器，可廣泛應用于傳統(tǒng)BGO閃爍體探測器應用領域。在α-γ混合場條件下的測試結果標明該探測器具有α、γ粒子甄別能力，可廣泛應用于需要識別粒子類型的應用環(huán)境，進一步擴展了其應用場景。

雖然僅僅是自制了簡易的單通道GAGG探測器原型機，各項指標仍有優(yōu)化空間，但已初步展現(xiàn)了GAGG閃爍體探測器的優(yōu)良性能及其在輻射探測領域重要的應用潛力。