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    粒子探測用閃爍材料(LYSO,GAGG)的閃爍性能研究

    郭浩  
    【摘要】:無機閃爍體探測器目前被廣泛運用于醫療診斷、安全檢查、高能物理等領域。無機閃爍體具有高密度、高光產額、高透過率等優良的閃爍性能,以及穩定的物化特性,與光電探測器耦合成為高能物理核物理實驗中的核心探測器之一。近些年來,摻雜Ce~(3+)的硅酸釔镥(LYSO:Ce)和釓鎵鋁石榴石(GAGG:Ce)在核探測領域中引起了廣泛關注。LYSO:Ce光產額很高可達到30000 ph/Me V,其衰減時間很快(40 ns),密度也很大(7.1g/cm~3),非常適用于熱門核醫療儀器TOF-PET和核輻射探測領域。GAGG:Ce閃爍體的絕對光產額很高,可達60000ph/Me V,能量分辨率可達5%@662 ke V,且其衰減時間短,無潮解和自輻射問題。此外GAGG:Ce中包含Gd元素,其熱中子俘獲截面高達255000 b,是目前已知核素中最大的熱中子反應截面,該晶體非常適于制作量能器和熱中子探測器。為滿足諸如大型對撞機實驗探測器研制、空間載荷量能器等大科學工程和新型醫療影像設備TOF-PET對閃爍體的篩選需求,實驗室對閃爍體的閃爍性能(發射光譜、光輸出、能量分辨率、衰減時間、余輝以及符合時間分辨率等)進行研究,設計了一套完整的無機閃爍體性能測試方案,測試了目前較為成熟的快時間閃爍體LYSO:Ce,并與文獻中的結果進行對比,對此方案進行檢驗,并應用于熱門閃爍體GAGG:Ce的性能研究中,取得了較好的測試結果。在設計的測試方案中,對比了不同的激發源時閃爍體的發射光譜,以簡化實驗裝置;提高了閃爍體余輝時間的測試精度;對閃爍體能量分辨率、光輸出和符合時間分辨的測試條件進行優化。結果表明,LYSO:Ce能量分辨率可達8.05%@662 keV,其光輸出為27029ph/Me V,經表面粗糙化后可達36408 ph/Me V。其衰減時間為38.7 ns,耦合快速光電倍增管時,符合時間分辨率可達95.9 ps。陶瓷與單晶GAGG:Ce的能量分辨率分別為5.40%和7.09%@662 keV,通過使用單晶GAGG:Ce耦合硅光電倍增管進行中子測試實驗,在其能譜中可明顯的觀察到GAGG:Ce與熱中子發生相互作用產生的33 ke V與77 ke V的內轉換電子。使用GAGG:Ce復合晶體進行中子/γ甄別時FOM可達2.40,實現了中子/γ的明顯甄別。


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