新型雪崩光电二极管和CsI（Tl）晶体组成的闪烁探测器

本文介绍Ｓ５３４５型雪崩光电二极管用于ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体光信号的读出，测量了γ射线的能谱，对应于＾２２Ｎａ的１．２７ＭｅＶ的入射能量，得到６．８％的能量分辨率。并对能量分辨率与光耦合面积及晶体尺寸、成形时间、偏压的关系等进行了测量。将雪崩光电二极管和ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体组成一种新型的闪烁探测器的实验研究这在国内尚属首次。     

LaBr_3(Ce)闪烁体APD前端读出设计

本文以雪崩光电二极管为小体积Labr_3(Ce)闪烁体的光电读出器件,并设计低噪声电荷灵敏前置放大器与雪崩光电二极管进行匹配组成完整前端探头,可应用于便携式小体积能谱仪中。雪崩光电二极管的增益、暗电流和结电容易受两端偏置电压影响,而这些特性的变化将影响能谱的读出效果。为此在不同的偏置电压下,测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。当偏置电压为380 V时,对能量为662 keV的γ射线的最佳能量分辨为3.97%。     

LaBr_3:Ce(5%)闪烁探测器的MC研究

近年来一种采用LaBr3:Ce晶体的闪烁探测器被研发出来,这种新型探测器比NaI(Tl)探测器具有更高的能量分辨率,在662 keV大约为3%。利用蒙特卡罗通用程序MCNP4C分别模拟计算了LaBr3:Ce晶体和NaI(Tl)晶体的γ能谱,模拟能谱与相应的实验测量能谱符合很好。研究还发现晶体尺寸大小对能量分辨率没有影响,能量分辨率不随晶体体积的增加而提高。同样晶体尺寸下通过模拟探测不同入射能量γ射线的峰总比R(E)计算值与NaI(Tl)晶体的模拟值和实验值比较发现,LaBr3:Ce晶体对中高能量γ射线的探测效率较高,而在较低能量时探测效率低于NaI(Tl)晶体。     

NaI(TI)探测器晶体体积对主要性能影响研究

使用~(137)Cs、~(60)Co和~(22)Na三种点射线源,分别探讨了由不同体积闪烁晶体组成的探测器对不同能量γ射线的峰效率、能谱响应及有效中心的影响。实验结果表明:随着闪烁晶体体积的不同,不同能量γ能谱光电峰的峰位及其能量分辨率都发生了变化。还发现探测器有效中心点的位置依赖于闪烁晶体的体积,其峰效率的倒数与探测器有效距离平方成反比。此实验结果可为改善不同体积NaI(Tl)闪烁探测器的能谱响应和高精度测量提供参考。     

CsI(Tl)晶体的APD前端读出特性研究

雪崩光电二极管(Avalanche photodiode,APD)体积小、探测效率高、内置增益、对磁场不敏感,但其内置增益、输出脉冲信号的信噪比受偏置电压与温度影响明显。将APD作为Cs I(Tl)闪烁晶体的光电读出器件,并配以低噪声的电荷灵敏前置放大器,组成闪烁探测器的探头。在不同的偏置电压与温度下,测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。实测表明,偏置电压、温度将影响探测系统的能量分辨率,在室温且APD两端的偏置电压为370 V时,对能量为662 ke V的γ射线能量分辨率为4.98%;在-20-40oC内,能量分辨率随温度的降低而提高。     

便携式γ能谱仪闪烁探头改进设计及性能研究

为满足当前便携式γ能谱仪对高性能闪烁探头的需要,本文提出了采用CsI(Tl)晶体耦合雪崩光电二极管的方式代替NaI(Tl)晶体耦合光电倍增管以构成新的闪烁探测器,并设计了低噪声电荷灵敏放大器作为探测器读出电路。根据唯一变量原则分别测试了能量分辨率随温度与偏压的变化规律,并对多种放射源的γ射线进行能谱响应实验。实验结果表明：当温度为23 ℃且偏压为370 V时,该闪烁探头对¹³⁷Cs、²²⁶Ra、⁶⁰Co和¹⁵²Eu源的γ射线具备优异的能谱响应特性,其中,对¹³⁷Cs源的γ射线能量分辨率可达4.98%,输出信号信噪比可达21∶1,上升时间为80 ns。可见,改进后的闪烁探头的性能有大幅提升,具备能量分辨率更佳、体积更小、抗机械性能与适用性更强等优点。     

NaI:TI与LaBr_3:Ce~(3+)闪烁体探测器能量分辨的GEANT4模拟

闪烁体探测器γ能谱测量中,闪烁光子的产生、传输及光电器件收集、倍增均对能谱的分辨有巨大影响。为了精确模拟闪烁体探测器的能量分辨,采用蒙特卡洛模拟软件GEANT4建立了一套模型,分别对Na I(TI),LaBr_3:0.5%Ce~(3+)闪烁体探测器测量能量为662 ke V的γ射线能谱进行模拟,获得的结果与实验测试结果能够很好的符合,验证了建立模型合理性与可靠性,为闪烁体的设计提供了一套更精确的开发工具。     

利用LabWindows/CVI实现γ能谱的蒙特卡罗模拟

基于蒙特卡罗模拟思想,利用虚拟仪器开发工具LabWindows/CVI编制软件模拟了γ光子在NaI(T1)闪烁晶体中的输运过程.直接以γ光子在NaI(T1)闪烁晶体中的沉积能量近似对应实际γ能谱仪的脉冲幅度输出,从而得到NaI(T1)探测器中γ射线的响应谱线.结果表明,蒙特卡罗模拟得到的能谱能较好地拟合实验测量得到的能谱.     

下一代康普顿望远镜的量能器探测单元研究

Me V能区的γ射线天文研究远落后于其它能区,导致该能区的天文物理信息至今还没被充分挖掘,因此,研制下一代高灵敏度的康普顿望远镜对于开展Me V能区的γ射线天文研究具有重要的科学意义。量能器作为康普顿望远镜的重要组成部分,应具有高能量分辨率和高位置分辨率,为此,设计了一种双端读出的γ射线探测器作为量能器的基本探测单元,并对其进行细致的研究。结果表明:通过双端读出信号幅值,可以确定γ射线的总能量以及在晶体中的相互作用位置,采用硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)匹配铊激活碘化铯(Cs I(Tl))晶体时,探测单元获得比采用光电二极管(Photodiode,PD)和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)都更好的性能,对662 ke Vγ射线的能量分辨率可达5.9%(Full Width at Half Maxima,FWHM),位置分辨率约为5.7 mm(FWHM)。该探测单元能够很好地满足下一代康普顿望远镜对量能器的性能要求。     

多像素光子计数器的能量分辨性能测试

随着新型光电转换器件技术的快速发展,多像素光子计数器(Multi Pixel Photon Counter,MPPC)逐渐被应用到核辐射探测等相关领域。本文将MPPC分别与碘化铯(Cs I)、碘化钠(Na I)以及锗酸铋(Bi4Ge3O12,BGO)闪烁晶体进行光学耦合,测量137Cs、60Co两种γ射线放射源的三个特征峰的能谱,测试结果与光电倍增管(Hamamatsu H7195)和闪烁晶体耦合所测得的结果进行了对比。此外,用自制的前置放大器与波形数字采样器(CAEN DT5730)对MPPC的输出信号进行了采集测试。结果表明:MPPC相比于光电倍增管,其能量分辨率稍差,但是具有相当的能量线性。     

硅光电管-闪烁体探测器γ谱仪研制

实验研制了硅光电管-闪烁体探测器γ谱仪。该γ谱仪用硅光电倍增管代替普通光电倍增管作为闪烁体探测器的光学读出端,配置闪烁体探测器,构成新型γ谱仪。测试结果表明:新型γ谱仪随温度漂移变化程度大;能量线性较好,线性相关度R为0.9987;配置LaBr_3:10%Ce~(3+)晶体,其能量分辨率为4.3%~4.9%;配置NaI(TI)晶体,其能量分辨率为8.4%。     

GAGG:Ce探测器与NaI:TI探测器性能比较

研究了封装反射层材料对GAGG:Ce探测器光收集的影响,同时与Na I(TI)闪烁体探测器进行了详细的对比性实验,用137Cs、60Co标准源测量了γ能谱,对GAGG:Ce与Na I(TI)闪烁体探测器的温漂、能量线性及能量分辨率等性能指标重点进行了讨论。结果表明:GAGG:Ce探测器随温度漂移变化程度较大;能量线性好,线性相关度r为0.9999;对662 ke V的γ射线能量分辨率为7.8~8.0%。     

新型溴化镧闪烁晶体探测器研制

采用优选的封装材料及优化的工艺,将Φ1.5"×1.5"的LBC闪烁晶体与R6231-100光电倍增管直接耦合,并整体封装在铝合金外壳中,制成新型溴化镧闪烁晶体探测器。该探测器的能量分辨率为2.8%(~(137)Cs),在500 keV~1400 keV范围内能量响应的非线性为0.96%,脉冲幅度随探头方向的变化量为0.2%,在-30至+40℃范围内脉冲幅度输出的温度系数为-0.65%/℃。探测器除了来自于~(138)La的0.077cm~(-3).s~(-1)本底辐射外,还有来源于~(227)Ac及其子体的0.99cc~(-1).s~(-1)本底辐射。     

一种基于SiPM的具有高能量分辨率的紧凑型溴化镧γ谱仪

基于光电倍增管(photomultiplier tube,简称PMT)的LaBr₃:Ceγ谱仪具有比Na I(Tl)γ谱仪更高的能量分辨率,但具有体积大、对磁场敏感、需要高电压等缺点。硅光电倍增管(Silicon photomultiplier tube,简称Si PM)具有与PMT相近的增益和效率,同时具有诸如高定时分辨率、抗磁场能力强、低偏压和紧凑尺寸等优良特性。本文将LaBr₃:Ce晶体与SiPM阵列耦合,设计研制基于Si PM的紧凑型LaBr₃:Ceγ谱仪,通过降噪、优化工作电压等措施改善SiPM的缺点对γ谱仪性能的影响。工作电压的噪声会导致能量分辨率发生恶化,通过设计无源滤波电路CLCπ型滤波器,利用其对直/交流阻抗的不同特性,滤除高频纹波,工作电压的信噪比从未降噪前的62.6 d B提高到74.64 dB;能量分辨率最优值对应于表示暗噪声、串扰、光电探测效率和SiPM增益之间折衷的最佳工作电压。通过实验给出不同工作电压下的能量分辨率,确定最佳工作电压为54.8 V,该电压下的能量分辨率为3.06%(@662 ...     

Gaussian fitting in gamma-ray spectral decomposition

In order to extract the information of 662-keV 137Cs spectra from the overlapping peaks with 583-keV 208Tl,609-keV 214Bi,the overlapping peaks are measured by in-situ γ-ray spectrometer using a NaI(Tl) detector.The spectral model is optimized by the Gaussian fitting algorithm,and the optimized fitting indexes for fitting/original value are from 0.96 to 0.99.Gaussian fitting verified by experiment is feasible for γ-ray spectrum analysis.The full energy peak of 137Cs is extracted correctly from the overlapping peaks,it is important for in-situ γ-ray spectrometer to estimate contamination of 137Cs in radiated environment and nuclear accident.     

YAP multi-crystal gamma camera prototype

The Anger camera principle has shown a practical limit of a few millimeters spatial resolution. To overcome this limit, a new gamma camera prototype has been developed, based on a position-sensitive photomultiplier tube (PSPMT) coupled with a new scintillation crystal. The Hamamatsu R2486 PSPMT is a 76-mm diameter photomultiplier tube in which the electrons produced in the conventional bi-alkali photocathode are multiplied by proximity mesh dynodes and form a charge cloud around the original coordinates of the light photon striking the photocathode. A crossed wire anode array collects the charge and detects the original position. The intrinsic spatial resolution of PSPMT is better than 0.3 mm. The scintillation crystal consists of yttrium aluminum perovskit (YAP:Ce or YAlO₃:Ce). This crystal has a light efficiency of about 38% relative to NaI, no hygroscopicity and a good gamma radiation absorption. To match the characteristics of the PSPMT, a special crystal assembly was produced by the Preciosa Company, consisting of a bundle of YAP:Ce pillars where single crystals have 0.6×0.6 mm² cross section and 3 mm to 18 mm length. Preliminary results from such gamma camera prototypes show spatial resolution values ranging between 0.7 mm and 1 mm with an intrinsic detection efficiency of 37÷65% for 140 keV gamma energy     

SiPM耦合LYSO晶体探测器的能量分辨和时间分辨

本文采用符合测量的方法研究了SENLE公司生产的型号为Micro FC-30035-SMT的Si PM光电转换器件耦合尺寸为3×3×10 mm的LYSO晶体组成的闪烁探测器的能量分辨率和时间分辨。该探测器测得22Na放射源能量为511 ke V光子的能量分辨率(FWHM)为16%,时间分辨达135 ps。