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粒子探测用闪烁材料(LYSO,GAGG)的闪烁性能研究

郭浩  
【摘要】:无机闪烁体探测器目前被广泛运用于医疗诊断、安全检查、高能物理等领域。无机闪烁体具有高密度、高光产额、高透过率等优良的闪烁性能,以及稳定的物化特性,与光电探测器耦合成为高能物理核物理实验中的核心探测器之一。近些年来,掺杂Ce~(3+)的硅酸钇镥(LYSO:Ce)和钆镓铝石榴石(GAGG:Ce)在核探测领域中引起了广泛关注。LYSO:Ce光产额很高可达到30000 ph/Me V,其衰减时间很快(40 ns),密度也很大(7.1g/cm~3),非常适用于热门核医疗仪器TOF-PET和核辐射探测领域。GAGG:Ce闪烁体的绝对光产额很高,可达60000ph/Me V,能量分辨率可达5%@662 ke V,且其衰减时间短,无潮解和自辐射问题。此外GAGG:Ce中包含Gd元素,其热中子俘获截面高达255000 b,是目前已知核素中最大的热中子反应截面,该晶体非常适于制作量能器和热中子探测器。为满足诸如大型对撞机实验探测器研制、空间载荷量能器等大科学工程和新型医疗影像设备TOF-PET对闪烁体的筛选需求,实验室对闪烁体的闪烁性能(发射光谱、光输出、能量分辨率、衰减时间、余辉以及符合时间分辨率等)进行研究,设计了一套完整的无机闪烁体性能测试方案,测试了目前较为成熟的快时间闪烁体LYSO:Ce,并与文献中的结果进行对比,对此方案进行检验,并应用于热门闪烁体GAGG:Ce的性能研究中,取得了较好的测试结果。在设计的测试方案中,对比了不同的激发源时闪烁体的发射光谱,以简化实验装置;提高了闪烁体余辉时间的测试精度;对闪烁体能量分辨率、光输出和符合时间分辨的测试条件进行优化。结果表明,LYSO:Ce能量分辨率可达8.05%@662 keV,其光输出为27029ph/Me V,经表面粗糙化后可达36408 ph/Me V。其衰减时间为38.7 ns,耦合快速光电倍增管时,符合时间分辨率可达95.9 ps。陶瓷与单晶GAGG:Ce的能量分辨率分别为5.40%和7.09%@662 keV,通过使用单晶GAGG:Ce耦合硅光电倍增管进行中子测试实验,在其能谱中可明显的观察到GAGG:Ce与热中子发生相互作用产生的33 ke V与77 ke V的内转换电子。使用GAGG:Ce复合晶体进行中子/γ甄别时FOM可达2.40,实现了中子/γ的明显甄别。


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