籽晶保护条件下铈掺杂溴化镧晶体生长及其性能

为定向生长出铈掺杂溴化镧（LaBr3:Ce）晶体,改进了坩埚下降法,并在籽晶接种过程引进冷却气体的保护装置。生长出的LaBr3:Ce晶体在137Cs放射源辐照下,其能量分辨率为3.08%,衰减时间为20.1 ns。采用多通道DRS4采集系统,以XP20D0型光电倍增管耦合 Ф 20 mm×5 mm 溴化镧器件作为开始道探测器,H8500型光电倍增管耦合LaBr3:Ce阵列作为被测停止道探测器,放射源为22Na（511 keV）。制备了6×6的LaBr3:Ce阵列,单根晶体条的尺寸为2 mm×2 mm×15 mm。利用数字化波形分析法,获得阵列的清晰二维散点图和一维位置谱,阵列x和y方向的位置分辨率分别为1.01 mm和0.89 mm。制备出的LaBr3:Ce晶体具有优异的能量分辨率和位置分辨率,可以应用于PET等医学成像技术领域。     

口袋式伽马能谱仪研制

便携式伽马能谱仪在野外探矿、环境辐射监测和科学实验等领域被广泛应用.为了进一步缩小便携式能谱仪的体积,提高其能谱性能,从而扩展其应用领域,本文基于最新的闪烁晶体材料、半导体光电转换器件和高性能微处理器,开展了新一代便携式伽马能谱仪研究.在探测器设计方面,采用GAGG:Ce晶体耦合SiPM阵列成功设计并制作了高效率、高能量分辨率的紧凑型能谱探头;在数据采集电路方面,采用高性能ARM处理器及其自带ADC外设替代FPGA+ADC的传统电路架构,并设计专用的信号处理ARM程序,实现了在线能谱测量,并极大的减小了电路尺寸和系统功耗.综上所述,本文基于GAGG:Ce晶体耦合SiPM并搭配ARM处理器,成功研制了一款低成本、小体积、低功耗、高性能的口袋式能谱测量仪.整个能谱仪的体积仅为80 mm×40 mm×40 mm,重量为200 g;经过实验测试,能谱仪的工作功率为481 mW,能自带电池工作26小时;能谱响应线性拟合优度为0.996,能量分辨率为5.2%(@662 keV).     

闪烁晶体阵列中光子输运过程的Monte Carlo模拟

为了验证MicroSPECT系统的探测器的设计方案,使用DETECT2000进行闪烁晶体内光子输运过程的Monte Carlo模拟。MicroSPECT系统探测器部分使用4个探测面积为49 mm×49 mm的位置灵敏光电倍增管H8500拼接组成。与之配合的闪烁晶体阵列的面积为103.75mm×103.75mm,像素大小为1.45mm×1.45mm。电子学电路通过位置权重法计算闪烁事件发生的位置。结果表明,闪烁晶体阵列中有效成像像素为55×55,且光电倍增管的拼接部分仍然具有探测能力,初步证明了该系统设计的可行性。     

光子在LYSO晶体中传输的Monte Carlo模拟

为了获得PET探测器设计中闪烁晶体表面不同处理方式对探测效率的影响,使用DETECT2000对光子在LYSO(Lu1.9Y0.1SiO5∶Ce,硅酸镥)晶体中的光学输运特性进行了蒙特卡罗模拟.探测器由一个4 mm×4 mm×25 mm的LYSO晶体与一个PMT耦合组成.模拟结果显示:入射面为粗糙面(漫反射面),其余均为抛光面并在外层(入射面和与PMT耦合的面除外)包有反射介质。反射介质的反射率越高,则探测效率越高,并且其探测效率是晶体所有表面作抛光处理方式的1.6倍.在探测器设计过程中,需要选取反射率大于0.98的反射介质作为反射层.     

闪烁晶体探测器技术在正电子断层扫描中的应用

分析了晶体探测器的原理、结构和性能及其发展趋势,阐述了它在正电子断层扫描中的重要地位.在分析和比较不同类型的快闪烁晶体在PET探测器领域的发展基础上着重论述了更先进的晶体LYSO.采用通过光导将LYSO晶体耦合在位置灵敏型光电倍增管上的探头组成方式,这是一种新的闪烁晶体探测器技术,提高了探头的探测效率.     

基于GAGG闪烁体探测器卫星小载荷的组装与测试

介绍北京师范大学天格计划团队研制的以Cerium-doped Gadolinium Aluminum Gallium Garnet (GAGG)闪烁体探测器为核心的卫星小载荷（BNU-120）的组装与测试工作．组装中,4个GAGG晶体（每个3.8 cm×3.8 cm×1.0 cm）通过硅胶与64个SiPM (Silicon Photomultiplier, Sensl MicroFJ-60035-TSV)耦合．实验在15 ～1330 keV范围内标定和测试了温度和偏压对探测器信号幅度的影响、探测器的能量与道址关系、探测器的能量分辨率与能量的关系,以及探测器的探测效率与能量的关系．标定测试结果与天格计划团队先期研发载荷标定数据一致,且探测器探测效率实验测量数据与基于Geant4的蒙特卡罗模拟数据相符．标定数据将用于未来BNU-120发射后在轨探测数据的修正．      

基于GATE仿真的分光法探测器优化设计

基于分光法的晶体阵列解码技术是正电子发射成像系统最为高效的探测器设计方案之一,但目前基于分光法的晶体阵列解码设计依赖于经验和实验迭代,晶体解码和分光层设计缺少有效的仿真方法。该文采用了GATE仿真软件,对分光法的探测器进行建模仿真,提出了逐列逼近的优化算法对分光层反光片进行长度优化设计,且对优化仿真中主要参数进行了分析,并组装4mm×4mm×25mm、12×12阵列实验模块对所提方法进行验证。实验结果表明:该基于GATE仿真的优化设计方法能有效实现分光法探测器晶体阵列解码的仿真以及解码斑点均匀分布的反光片长度优化设计。     

LHAASO-WFCTA硅光电倍增管增益温度漂移精确补偿方法

大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)采用新型的固态半导体探测器硅光电倍增管(silicon photomultiplier tube,SiPM)作为光敏探测器.由于SiPM的增益对温度较为敏感,为使SiPM增益在变温环境下保持稳定,本文研究出了SiPM增益温度漂移的精确补偿方法.该方法通过粗调和细调两个数字电位器的方式实现对低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO)输出偏压的调节,并根据刻度出的模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)监测值与真实偏压的关系,利用ADC的监测值进行反馈调节的方法实现偏压的精确调节,最终实现SiPM增益的精确补偿.通过使用以该方法实现的电路后,在相似温度变化范围内,SiPM的增益波动由补偿前的71.8%降低至0.8%.结果显示该方法能够实现对因温度引起的SiPM增益漂移的很好的补偿.     

高能X射线成像系统固体探测器模块的设计

常规的阵列探测器用于高能X射线成像系统时,由于射线能量的增大会出现许多新的问题,设计时必须综合考虑多个方面的要求。在MonteCarlo估算的基础上,设计了若干由CdWO4晶体耦合光电二极管形成的线性阵列探测器模块。射线源采用直线加速器,最大能量9MeV。探测器呈模块化结构,每个模块16个通道,通道间距1.3mm。CdWO4晶体尺寸0.8mm×5mm×30mm,晶体间放置铅隔离层以减小串扰。模拟得其探测效率达70%,能量沉积率30%,而串扰率小于5%。模块加工完成后,分别在60Co、6MeV和9MeV加速器下进行了测试,证明其满足成像系统的要求。     

基于Monte Carlo仿真的PEM探测器优化设计

为了评估双平板正电子发射乳腺断层成像(positron emission mammography,PEM)系统中平板厚度对系统成像质量的影响,并对探测器中晶体厚度进行优化,该文基于GATE(the GEANT4application for tomographic emission)仿真平台,建立双平板正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)系统模型,在不同探测器厚度下进行Monte Carlo仿真,完成数据采集和图像重建,通过比较各系统灵敏度、图像空间分辨率以及病灶检测能力,得出随着晶体厚度的减小重建图像的空间分辨率提高,但系统灵敏度和病灶检测能力降低的结论。研究结果表明:使用厚度为10mm的硅酸钇镥(lutetium-yttrium oxyorthosilicate,LYSO)闪烁晶体时,沿着平板的长、短轴方向的图像空间分辨率受反应深度效应(depth of interaction,DOI)影响不大,均能达到较高的水平;另外,在该晶体厚度下,双平板系统灵敏度能达11%左右。在用该系统采集10min后的投影数据得到的重建图像中,能用肉眼从背景噪声中清晰地分辨出小体积、低活度的放射源病灶。因此,针对该文所设计的PEM系统,10mm为晶体的较优厚度,同时保证了足够的系统灵敏度和较小的DOI效应。     

工业X—CT新型探测器技术

探测器及其技术是工业X－CT系统中的关键技术之一。文中提出了基于光纤面板光耦合及传输,采用闪烁晶体和自扫描光电二极管列阵器件的X射线新型探测器技术方案,并对此方案进行了实验研究。结果表明,该新型探测器技术方案具有结构紧凑、性能可靠且分辨率高等特点,可以实际应用于工业X－CT系统中。     

闪烁薄膜中子探测器灵敏度Monte Carlo计算

闪烁薄膜探测器的灵敏度和中子/γ分辨能力与闪烁晶体厚度密切相关,合理选择闪烁晶体厚度是探测器设计的关键。该文应用Monte Carlo方法模拟了中子和γ射线与闪烁晶体的相互作用过程,计算研究了晶体厚度对探测器灵敏度及中子/γ分辨能力的影响,给出了0.1~16.0MeV中子和γ射线照射下探测器的相对灵敏度,并结合部分能点的实验室标定数据,得到了探测器灵敏度能量响应曲线和中子/γ分辨率。理论计算的灵敏度能量响应曲线与实验标定趋势基本一致。     

能谱探测效率影响的模拟计算

用蒙特卡罗方法模拟计算了闪烁晶体的长度以及源到探测器之间的距离对能谱探测效率的影响,避免了实际测量时的盲目摸索。模拟结果表明：光电峰效率与闪烁晶体的长度有关,但对源到探测器的距离变化不敏感。     

用于提高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计

康普顿相机成像技术在许多领域都有重要应用.通过Geant4蒙特卡罗模拟和实验，本文提出了一种新型高灵敏度环状吸收体结构康普顿相机，并对比了该结构康普顿相机与传统双层面结构康普顿相机的探测效率和角度分辨率.模拟中，双层面结构康普顿相机散射体和吸收体均包含8×8的Ce:Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂ (GAGG)闪烁体探测器.散射体探测器单元尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，吸收体探测单元尺寸为10 mm×10 mm×10 mm.新型环状吸收体结构康普顿相机散射体与双层面结构康普顿相机散射体相同，吸收体探测器单元分布在一个内半径51.5 mm、外半径约73.9 mm的环状结构上，总探测单元数与双层面结构康普顿相机吸收体探测器数相同，每个探测器单元尺寸为10 mm×10 mm×10 mm.模拟和实验结果显示，在角度分辨率相当甚至更优的情况下，新型环状吸收体结构康普顿相机的探测效率显著优于双层面结构康普顿相机，当散射体和吸收体距离>114 mm时，探测效率提高幅度超过1倍.     

基于GAGG闪烁体探测器康普顿相机角分辨率误差来源分析

基于Geant4模拟平台搭建了一个由2层6×6位置灵敏的cerium-doped gadolinium aluminum gallium garnet (GAGG(Ce))闪烁体探测器阵列组成的康普顿相机;从理论上分析了探测器的几何因素、能量分辨率和材料多普勒效应对康普顿相机角分辨率的影响;散射角为5°~90°时,角分辨率<10°．模拟条件:采集了仅考虑几何因素、能量分辨率与多普勒效应,以及综合考虑这3种误差来源等情况的符合数据,并用滤波反投影算法进行图像重建．当2层探测器距离为6.0~16.0 cm时,几何因素是影响角分辨率的主要误差来源,能量分辨率次之,多普勒效应贡献最小．      

国产 LaBr3：Ce 晶体性能表征

作为近年来发展起来的新晶体,LaBr3:Ce有着很高的发光产额(~60 000p·MeV-1)和较快的发光衰减时间常数(~16ns),因而成为研究热点.国内对LaBr3:Ce晶体的研究生产时间不长,仅有少数几家单位具备生产研究条件.本工作采用北京华凯龙电子有限公司生产的LaBr3:Ce晶体(晶体尺寸为φ30mm×20mm),配合XP20D0光电倍增管,采用单光电子方法测量得到其光电子产额为16 800pe·MeV-1;测量了其发光衰减曲线,计算得到其上升时间为5.6ns,发光衰减时间常数为21ns;其对137 Cs的能量分辨率为3.3%;采用两块φ30 mm×20 mm的LaBr3:Ce晶体与两只XP20D0光电倍增管,测量得到对22 Na的符合时间分辨率为191ps;这些表征为国产LaBr3:Ce晶体的γ谱仪研究提供了重要参考.     

高性能金刚石辐射探测器的研制与测试

设计了长×宽×高为4.5 mm×4.5 mm×500μm的金刚石辐射探测器.通过在金刚石/Al面形成肖特基势垒优化探测器性能,对其电特性(暗电流、电荷收集率)和探测特性(能量分辨率)进行测试.结果表明,电荷收集率最优为96.9%;暗电流随外加偏压的增加而增加,在偏压100 V以内小于0.1 nA;能量分辨率在偏压为380 V时最优,为2.82%.金刚石/Al面形成的肖特基势垒不仅降低了暗电流,还使辐射探测器的能量分辨率有很大改善.     

碳纤维层合板Lamb波损伤检测的加权块稀疏成像法

针对Lamb波稀疏阵列损伤成像方法中存在的成像分辨率低、伪点干扰大的问题,基于损伤在被测结构中的稀疏先验,提出了一种加权块稀疏重构的Lamb波损伤成像方法。首先通过Lamb波在薄板类结构中的线性传播模型,结合稀疏传感器阵列信息,构造过完备Lamb波散射的块稀疏字典;其次将测量得到的Lamb波散射信号在所构建的过完备字典下进行稀疏表示,将Lamb波损伤成像问题转化为加权l_1范数最小化的凸优化问题;最后通过谱梯度投影法,求解所建立的加权块稀疏凸优化模型,得到损伤散射信号在该字典下的稀疏表示系数并以此作为损伤指标,实现对被测结构的损伤成像。碳纤维层合板上的模拟损伤成像结果表明:所提方法在单损伤成像中的定位误差为3.16 mm,在双损伤成像中的最大定位误差为4.24 mm。实验验证了所提方法的有效性,与传统延迟叠加成像法的对比表明,所得损伤成像结果具有更高的分辨率,更小的伪点干扰,但同时也需要更大的计算量。     

三光子PET成像的Monte Carlo模拟与解析几何重建

为验证利用正负电子对三光子湮灭事件进行PET(positron emission tomography)成像的原理,对正电子释放,正负电子对三光子湮灭,γ光子的输运和接收等物理过程用Geant4程序进行了Monte Carlo模拟。根据动量守恒和能量守恒定律,提出由3个γ光子的位置和能量直接计算湮灭位置的解析几何重建算法。进一步研究了探测器能量分辨率对重建图像分辨率的影响。结果表明:具有理想位置分辨能力的探测器对662keV的γ光子能量分辨率为16%时,重建图像断层内分辨率为1.6 mm,轴向分辨率为0.16 mm。     

低放射性本底LaCl_3∶Ce晶体闪烁性能（英文）

使用锕系同位素含量低的原料制备了具有低放射性本底的10%Ce~(3+)掺杂氯化镧(LaCl_3∶Ce)样品。在制备的LaCl_3∶Ce晶体中,天然锕系放射性同位素的放射性本底约为0.713 counts·s–1·cm–3。对于662 keVγ射线,LaCl_3∶Ce晶体的能量分辨率(FWHM)为3.3%。此外,与相同尺寸?25 mm×50 mm的NaI∶Tl晶体相比,LaCl_3∶Ce晶体的峰谷比、相对光输出和峰值计数率分别为2.61倍、87.88%和1.96倍,并对晶体尺寸对LaCl_3∶Ce晶体的闪烁性能的影响进行了讨论。