苑 航， 陳宇瀟， 王英杰， 盧貞瑞， 王 術(shù)， 黃素蘭， 景 麗

（1.北京市第一七一中學(xué)， 北京 110000；2.北京市密云區(qū)第二中學(xué)， 北京 101500；3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所， 北京 100049；4.北京東直門中學(xué)， 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(duì)測(cè)試結(jié)果取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量

2.1.4.1 余輝及余輝時(shí)間定義

閃爍體的余輝是指閃爍體收到光激發(fā)存儲(chǔ)能量，在光激發(fā)停止后，在將存儲(chǔ)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(shí)間，是指閃爍體在光激發(fā)停止后，將存儲(chǔ)的能量完全釋放所需要的時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，認(rèn)為閃爍體在光激發(fā)停止后能譜計(jì)數(shù)率降至激發(fā)前計(jì)數(shù)率的這段時(shí)間為閃爍體的余輝時(shí)間。

2.1.4.2 詳細(xì)操作方法

實(shí)驗(yàn)前，將待測(cè)閃爍體避光放置12個(gè)小時(shí)。

在暗室中搭建實(shí)驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)裝置。高壓電源ORTE556輸出負(fù)高壓加到PMT上，正極信號(hào)經(jīng)主放大器輸入到多道分析器ORTEC921。

調(diào)節(jié)主放大器粗調(diào)與細(xì)調(diào)旋鈕，使能譜完整成型與顯示器上，使用ORTEC MAESTRO軟件標(biāo)記分析范圍，記錄閃爍體曝光前的能譜計(jì)數(shù)率。

取出待測(cè)閃爍體，在日光下曝光10 min。

曝光結(jié)束，立即將待測(cè)閃爍體放回實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中原來的位置上，此時(shí)觀察到能譜計(jì)數(shù)率達(dá)到很大數(shù)值。每間隔一段時(shí)間記錄一次能譜計(jì)數(shù)率，直到計(jì)數(shù)率降至曝光前，記錄待測(cè)閃爍體的余輝時(shí)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(jì)數(shù)率隨時(shí)間變化曲線如下頁(yè)圖5。

圖5中公式是對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)GAGG閃爍體曝光10 min后計(jì)數(shù)率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線

2.2 測(cè)試結(jié)果

GAGG晶體的光輸出強(qiáng)度相比其他兩種晶體有顯著優(yōu)勢(shì)。GAGG衰減時(shí)間與LYSO接近，且含有快慢兩種發(fā)光成分，可以通過需求進(jìn)行原料摻雜調(diào)整衰減時(shí)間，快成分的發(fā)光衰減時(shí)間只有74 ns，慢成分的發(fā)光衰減時(shí)間為240 ns，可調(diào)節(jié)范圍廣。舍去疑似有誤的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為420 nm，相對(duì)于GAGG的520 nm峰值波長(zhǎng)可與測(cè)試系統(tǒng)所選擇的光電轉(zhuǎn)換器件（420 nm峰值）進(jìn)行更好地適配。此外，GAGG閃爍體存在余輝現(xiàn)象但余輝時(shí)間較短，對(duì)應(yīng)用影響不大。

2.3 討論

LYSO閃爍體具有發(fā)光衰減時(shí)間短，能量分辨率效果好的特性，但其存在余輝效應(yīng)，使用前應(yīng)充分避光。而且由于其自發(fā)放射性，無法用于低能輻射測(cè)量等領(lǐng)域，最適用于對(duì)衰減時(shí)間要求較為嚴(yán)格的PET的醫(yī)療儀器方面。BGO閃爍體的顯著優(yōu)勢(shì)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(shí)間較長(zhǎng)，由于其無自發(fā)放射性，因此可以應(yīng)用于對(duì)能量分辨要求不高的核輻射探測(cè)領(lǐng)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(yīng)，光輸出明顯高于LYSO與BGO，在配合光波長(zhǎng)相匹配的光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)可獲得更高的能量分辨，而且GAGG衰減時(shí)間可根據(jù)需求通過對(duì)快慢成分的摻雜進(jìn)行調(diào)整，無突出缺點(diǎn)，應(yīng)用潛力較廣。

3 單通道X、γ射線探測(cè)器設(shè)計(jì)

3.1 閃爍體探測(cè)器原理

典型的閃爍體探測(cè)器主要由閃爍體、光電轉(zhuǎn)換器件、讀出電子學(xué)構(gòu)成。入射輻射在閃爍體內(nèi)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(dǎo)射入光電轉(zhuǎn)換器，通過光電效應(yīng)、碰撞電離、雪崩等過程完成光子到電子的轉(zhuǎn)換及倍增。最終實(shí)現(xiàn)電離輻射到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)射線探測(cè)。

在對(duì)GAGG性能充分了解的基礎(chǔ)上，將其與新型光電轉(zhuǎn)換器SiPM結(jié)合，研制了單通道閃爍探測(cè)器，并進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。

3.2 方案實(shí)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(cè)效率高達(dá)41%，且信號(hào)增益強(qiáng)，尺寸小，便于制造手持型探測(cè)器。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Altium Designer設(shè)計(jì)電路板，在3D設(shè)計(jì)的金屬盒中完成電路連接。待測(cè)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(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾），用導(dǎo)線連接。截圖并記錄數(shù)據(jù)后接入示波器記錄波形，測(cè)量衰減時(shí)間和信噪比，通過計(jì)算機(jī)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(cè)量能量分辨，并進(jìn)一步對(duì)探測(cè)器的不同入射粒子甄別能力做了初步評(píng)價(jià)。

3.2.3 讀出電路設(shè)計(jì)

利用Altium Designer先繪制電路原理圖，繪制元件庫(kù)中沒有的原件，。完成電路原理圖后，進(jìn)入PCB圖設(shè)計(jì)頁(yè)面，按照原理圖將所選原件擺在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)上，設(shè)計(jì)電路板層數(shù)、連接方式等細(xì)節(jié)。初步完成后后用軟件自帶的錯(cuò)誤查找功能做最后檢查修改，完成制作。

3.2.4 3D外殼設(shè)計(jì)

使用Solidworks 8.0軟件，先畫出外殼的底面部分，畫出一個(gè)大小合適長(zhǎng)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(gè)圓柱體作為固定電路板的支架。在盒子左面打出4個(gè)圓洞作為電源和輸出端的接口，在右面打出一個(gè)直徑約3 cm，深約1 cm的凹槽作為放置探頭處。

3.3 性能測(cè)試

將單通道探測(cè)器與實(shí)驗(yàn)室原有BGO閃爍體探測(cè)器做性能對(duì)比測(cè)試，接入示波器得到輸出信號(hào)波形如下頁(yè)圖6所示，其中灰色脈沖為GAGG波形，藍(lán)色脈沖為BGO波形。并將探測(cè)器接入多道采集卡，得到如下頁(yè)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(yè)表7中。

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

對(duì)該單通道探測(cè)器的能量分辨性能進(jìn)行表征，結(jié)果如表7。

圖6 GAGG和BGO脈沖信號(hào)對(duì)比：灰色脈沖信號(hào)（GAGG探測(cè)器）、藍(lán)色脈沖信號(hào)（BGO探測(cè)器）

上升時(shí)間對(duì)比，黑色脈沖信號(hào)（241Am放射源）藍(lán)色脈沖信號(hào)（22Na放射源）。

3.4 結(jié)果討論

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

圖7 使用ORTEC MAESTRO軟件讀取待測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過觀察觀察脈沖波形截圖（圖6）目測(cè)脈沖信號(hào)幅度和噪聲幅值，求比算出其信噪比，明顯看出灰藍(lán)線脈沖信號(hào)幅度基本持平，而藍(lán)色脈沖信號(hào)的噪聲幅度顯著高于灰色脈沖信號(hào)。可得出結(jié)論：GAGG信噪比高于BGO。

圖8 α與γ粒子甄別測(cè)量

分別用自制單通道GAGG探測(cè)器和實(shí)驗(yàn)室原有BGO探測(cè)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(jì)算能量分辨，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)取平均減小誤差。經(jīng)計(jì)算得GAGG探測(cè)器的平均能量分辨率為7.44%，遠(yuǎn)優(yōu)于BGO閃爍體的13.30%。

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

4 結(jié)論

本課題對(duì)GAGG閃爍體的性質(zhì)做了深入研究，通過對(duì)比GAGG，LYSO和BGO三種閃爍體在光輸出、能量分辨、衰減時(shí)間、余輝方面的性質(zhì)，對(duì)其綜合性能進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，研制了單通道GAGG探測(cè)器，與實(shí)驗(yàn)室已有的BGO探測(cè)器做了關(guān)鍵一系列關(guān)鍵性能對(duì)比。

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

通過本課題研制的GAGG探測(cè)器與實(shí)驗(yàn)室原有BGO探測(cè)器對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明GAGG探測(cè)器具有更好的時(shí)間性能，能量分辨率為5.18%～9.69%，優(yōu)于BGO探測(cè)器，可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)BGO閃爍體探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域。在α-γ混合場(chǎng)條件下的測(cè)試結(jié)果標(biāo)明該探測(cè)器具有α、γ粒子甄別能力，可廣泛應(yīng)用于需要識(shí)別粒子類型的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景。

雖然僅僅是自制了簡(jiǎn)易的單通道GAGG探測(cè)器原型機(jī)，各項(xiàng)指標(biāo)仍有優(yōu)化空間，但已初步展現(xiàn)了GAGG閃爍體探測(cè)器的優(yōu)良性能及其在輻射探測(cè)領(lǐng)域重要的應(yīng)用潛力。