苑 航， 陈宇潇， 王英杰， 卢贞瑞， 王 术， 黄素兰， 景 丽

（1.北京市第一七一中学， 北京 110000；2.北京市密云区第二中学， 北京 101500；3.中国科学院高能物理研究所， 北京 100049；4.北京东直门中学， 北京 100007）

（接上期）

2.1.3.3 数据处理与分析

在数据处理中，对测试结果取平均值并计算标准偏差，数据记录表格如表6所示。

表6 能量分辨数据分析

2.1.4 余辉测量

2.1.4.1 余辉及余辉时间定义

闪烁体的余辉是指闪烁体收到光激发存储能量，在光激发停止后，在将存储的能量以光的形式缓慢释放出来的现象[3]。

闪烁体的余辉时间，是指闪烁体在光激发停止后，将存储的能量完全释放所需要的时间。在实验测量中，认为闪烁体在光激发停止后能谱计数率降至激发前计数率的这段时间为闪烁体的余辉时间。

2.1.4.2 详细操作方法

实验前，将待测闪烁体避光放置12个小时。

在暗室中搭建实验系统（与能量分辨相同）。用反光材料覆盖闪烁体以利于光收集。用硅脂涂抹于输出面，卧放于光电倍增管的光阴极中心位置，拧好光电倍增管顶盖。将22Na放射源放置在探头上，用黑色遮光布覆盖整个试验装置。高压电源ORTE556输出负高压加到PMT上，正极信号经主放大器输入到多道分析器ORTEC921。

调节主放大器粗调与细调旋钮，使能谱完整成型与显示器上，使用ORTEC MAESTRO软件标记分析范围，记录闪烁体曝光前的能谱计数率。

取出待测闪烁体，在日光下曝光10 min。

曝光结束，立即将待测闪烁体放回实验系统中原来的位置上，此时观察到能谱计数率达到很大数值。每间隔一段时间记录一次能谱计数率，直到计数率降至曝光前，记录待测闪烁体的余辉时间。

2.1.4.3 数据处理与分析

闪烁体样本曝光十分钟后计数率随时间变化曲线如下页图5。

图5中公式是对试验测试的数据点拟合而得到的，余辉衰减存在快成分和慢成分，两种部分，符合双指数衰减规律。

图5 待测GAGG闪烁体曝光10 min后计数率随时间变化的关系曲线

2.2 测试结果

GAGG晶体的光输出强度相比其他两种晶体有显著优势。GAGG衰减时间与LYSO接近，且含有快慢两种发光成分，可以通过需求进行原料掺杂调整衰减时间，快成分的发光衰减时间只有74 ns，慢成分的发光衰减时间为240 ns，可调节范围广。舍去疑似有误的实验数据后，发现GAGG能量分辨效果略差于LYSO，优于BGO，这是由于LYSO及BGO峰值发光波长为420 nm，相对于GAGG的520 nm峰值波长可与测试系统所选择的光电转换器件（420 nm峰值）进行更好地适配。此外，GAGG闪烁体存在余辉现象但余辉时间较短，对应用影响不大。

2.3 讨论

LYSO闪烁体具有发光衰减时间短，能量分辨率效果好的特性，但其存在余辉效应，使用前应充分避光。而且由于其自发放射性，无法用于低能辐射测量等领域，最适用于对衰减时间要求较为严格的PET的医疗仪器方面。BGO闪烁体的显著优势在于不存在余辉现象，密度高，但其能量分辨效果一般，且光输出不高，发光衰减时间较长，由于其无自发放射性，因此可以应用于对能量分辨要求不高的核辐射探测领域。与BGO和LYSO两种闪烁体相比较，GAGG表现出了突出的优良特性，其不存在余辉效应，光输出明显高于LYSO与BGO，在配合光波长相匹配的光电转换器件时可获得更高的能量分辨，而且GAGG衰减时间可根据需求通过对快慢成分的掺杂进行调整，无突出缺点，应用潜力较广。

3 单通道X、γ射线探测器设计

3.1 闪烁体探测器原理

典型的闪烁体探测器主要由闪烁体、光电转换器件、读出电子学构成。入射辐射在闪烁体内损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子的电离激发，之后受激粒子退激放出闪烁光子，通过光导射入光电转换器，通过光电效应、碰撞电离、雪崩等过程完成光子到电子的转换及倍增。最终实现电离辐射到电信号的转换，实现射线探测。

在对GAGG性能充分了解的基础上，将其与新型光电转换器SiPM结合，研制了单通道闪烁探测器，并进行了性能评价。

3.2 方案实现

3.2.1 材料及器件选型

使用GAGG闪烁体耦合硅光电倍增管，选取Sensl C-60035型的新型硅光电倍增管，光探测效率高达41%，且信号增益强，尺寸小，便于制造手持型探测器。

3.2.2 结构设计

利用Altium Designer设计电路板，在3D设计的金属盒中完成电路连接。待测闪烁体用硅脂耦合于光电倍增管，将整体置于铁盒中（以减少外界信号对实验结果的干扰），用导线连接。截图并记录数据后接入示波器记录波形，测量衰减时间和信噪比，通过计算机采集和ORTEC MAESTRO软件的高斯拟合功能读取全能峰峰位道址和半高宽FWHM测量能量分辨，并进一步对探测器的不同入射粒子甄别能力做了初步评价。

3.2.3 读出电路设计

利用Altium Designer先绘制电路原理图，绘制元件库中没有的原件，。完成电路原理图后，进入PCB图设计页面，按照原理图将所选原件摆在对应坐标上，设计电路板层数、连接方式等细节。初步完成后后用软件自带的错误查找功能做最后检查修改，完成制作。

3.2.4 3D外壳设计

使用Solidworks 8.0软件，先画出外壳的底面部分，画出一个大小合适长方体并掏空中心作为主体，再制作盒盖部分。在底面上增加4个圆柱体作为固定电路板的支架。在盒子左面打出4个圆洞作为电源和输出端的接口，在右面打出一个直径约3 cm，深约1 cm的凹槽作为放置探头处。

3.3 性能测试

将单通道探测器与实验室原有BGO闪烁体探测器做性能对比测试，接入示波器得到输出信号波形如下页图6所示，其中灰色脉冲为GAGG波形，蓝色脉冲为BGO波形。并将探测器接入多道采集卡，得到如下页图7所示能谱，获得22Na 511keV条件下的能量分辨信息，汇总于下页表7中。

粒子甄别是利用不同类型射线粒子在闪烁体中产生不同的脉冲形状而对入射粒子类型进行判选。为了评价该闪烁体是否具有粒子甄别的能力，对其分别在241Am α源和22Na γ源下的脉冲波形进行测量，试验中选取了多组不同上升时间区间和下降时间区间的对比数据。上升时间是指脉冲信号由初始值快速上升至最大值时所需的时间，下降时间是指脉冲信号由最大值回落到初始值的时间间隔。其中上升时间选取在50%～90%时，可明显区分α和γ粒子，具备一定的粒子甄别能力，结果如图8所示。

对该单通道探测器的能量分辨性能进行表征，结果如表7。

图6 GAGG和BGO脉冲信号对比：灰色脉冲信号（GAGG探测器）、蓝色脉冲信号（BGO探测器）

上升时间对比，黑色脉冲信号（241Am放射源）蓝色脉冲信号（22Na放射源）。

3.4 结果讨论

通过观察自制单通道GAGG探测器和实验室原有BGO探测器在22Na条件下的脉冲波形截图（图6）可知灰色脉冲信号上升较快，蓝色脉冲信号上升相对缓慢，说明GAGG闪烁体型探测器衰减时间更短，具有更优的时间性能。

图7 使用ORTEC MAESTRO软件读取待测GAGG闪烁体能谱的全能峰道址与半高宽FWHM示意图

表7 GAGG和BGO能量分辨实验结果

通过观察观察脉冲波形截图（图6）目测脉冲信号幅度和噪声幅值，求比算出其信噪比，明显看出灰蓝线脉冲信号幅度基本持平，而蓝色脉冲信号的噪声幅度显著高于灰色脉冲信号。可得出结论：GAGG信噪比高于BGO。

图8 α与γ粒子甄别测量

分别用自制单通道GAGG探测器和实验室原有BGO探测器在22Na放射源的辐射下使用ORTEC MASTRO软件读取其全能峰道值和半高宽示意图（图7），记录数据并计算能量分辨，进行多次实验取平均减小误差。经计算得GAGG探测器的平均能量分辨率为7.44%，远优于BGO闪烁体的13.30%。

通过观测GAGG单通道探测器在α-γ环境下的脉冲上升时间和下降时间（图8），得到GAGG在选取50%与90%时可有效区分α粒子和γ粒子。其中241Amα粒子的上升时间多集中于50 ns左右，22Na粒子多集中于30 ns左右。通过进一步选取合适的上升时间参数，有望进一步获得更好的分离度结果。

4 结论

本课题对GAGG闪烁体的性质做了深入研究，通过对比GAGG，LYSO和BGO三种闪烁体在光输出、能量分辨、衰减时间、余辉方面的性质，对其综合性能进行了对比评价。在此基础上，研制了单通道GAGG探测器，与实验室已有的BGO探测器做了关键一系列关键性能对比。

GAGG闪烁闪烁体具有高光产额、较短衰减时间、高能量分辨和快余辉时间、无自发放射性等特点使其成为具有广泛应用前景的闪烁材料。

通过本课题研制的GAGG探测器与实验室原有BGO探测器对比实验，表明GAGG探测器具有更好的时间性能，能量分辨率为5.18%～9.69%，优于BGO探测器，可广泛应用于传统BGO闪烁体探测器应用领域。在α-γ混合场条件下的测试结果标明该探测器具有α、γ粒子甄别能力，可广泛应用于需要识别粒子类型的应用环境，进一步扩展了其应用场景。

虽然仅仅是自制了简易的单通道GAGG探测器原型机，各项指标仍有优化空间，但已初步展现了GAGG闪烁体探测器的优良性能及其在辐射探测领域重要的应用潜力。