第28卷2008年第4期 7月 核电子学与探测技术 Nuclear Electronics&Detection Technology V0L 28 No.4 Juk 2008 LaCl3闪烁探测器在 能谱测量中的应用 王新华 ,安 力 ,郑 普 ,牟云峰 ,郭海萍 ,朱传新 ,何 铁,陈 渊 (1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900 ̄ 2.兰州大学核科学与技术学院,兰州730000) 摘要:用几个标准7源对Lac13和NaI闪烁体探测器的能量分辨率进行了刻度,并对测量的结果进 行了比较,发现LaC1。探测器的分辨率要优于NaI探测器。为了得到精度较高的 能谱,用El nrc计 算了LaC1。探测器的能量响应函数,作为探测器的解谱响应矩阵。用探测器测量了坫 Eu标准7源,逆矩 阵法解谱后的7能谱与HPGe谱仪测量结果以及标准值进行比较,发现LaCl3探测系统在能量线性、探 测效率以及能量分辨方面都具有很好的性能,说明该探测器在7能谱测量具有很好的应用前景。 关键词:LaCl ̄探测器;能量分辨率;EGSnrc ̄7能谱 中图分类号: O571;TL84 文献标识码: A 文章编号:0258—0934(2008)04-0761—03 目前在 射线测量中使用的探测器有半导 体探测器、气体探测器、闪烁探测器等,不同类 型的探测器在探测效率、能量分辨率、能量线 性、价格、维护等方面各具特色[1 ],其中半导 体探测器分辨率最高但是对使用环境要求高, 而且价格昂贵;气体探测器的探测效率很低;闪 烁探测器包括有机闪烁探测器和无机闪烁探测 1能量分辨测试 实验测试用的LaCl。晶体是由法国圣戈班 公司提供的商业通用25S25/BreLanCe350 型[引,晶体中含1O 的Ce抖,密度为3.85g/ 几何结构为c ̄19mmX38mm的正圆柱体。 经光导与光电倍增管进行耦合。 ,cm。器,特别是无机闪烁探测器广泛应用于核物理、 核技术、核医学、环境监测等方面。LaC1。探测 器作为一种新型的无机闪烁探测器具有高发光 特性(~50000光子/MeV);快衰减时间常数 ( ̄20ns);高能量分辨率(3.5 0.661keV)高 时间分辨( ̄264ps)[。 ]等优点。因此LaC1。探 用LaC1s探测器分别测量了几个不同的标 准7源n Cs 60Co,为了与常用的 射线探测器 进行比较,在相同条件下用相同尺寸的NaI探 测器替换LaC1。探测器进行了测量。测量方框 图如图1,前面外框是铅屏蔽室,屏蔽室内前方 测器在7射线测量上具有很好的应用前景,本 文所介绍的工作就是将该探测器应用于较精确 测量7能谱的尝试。 室标准7源,后面分别是探测器晶体和与之相 配的光电倍增管。光电倍增管的信号经后续的 电子学线路传输到计算机上的ORTEC公司多 道数据获取系统形成脉冲幅度谱。 收稿日期:2007-09-04 作者简介:王新华(1978一),男,湖南祁东人,在读硕 士,原子与粒子物理专业。 图1 .y射线脉冲幅度谱测量方框图 测量所得的脉冲幅度谱扣除环境本底后如 761 图2所示: 图2 EaCh和NaI探测器测量” Cs 和∞Co的脉冲幅度谱 从图中可以看出LaC1。探测器测量到的峰 康和峰谷比明显优于NaI探测器。能谱上面 还可以清楚看出反散射峰和k壳层的特征x 射线峰,并且NaI探测器这两个峰相对于全能 峰来说影响要比LaCl。探测器大。LaC1。和NaI 探测器测量珀 Cs全能峰的分辨率为4.0 和 7.3 ,∞Co源的1332keV全能峰的分辨率为 3.2%和5.O4 ,LaCl。探测器能量分辨率远优 于NaI探测器。 2模拟计算 探测器在测量简单能谱时能够比较容易清 楚地分辨各个全能峰,因此可以直接或者使用 剥谱的方法来对测量的脉冲幅度谱进行解析。 但是在测量复杂的 能谱时,高能的7射线在 探测器所测得能谱上的康普顿峰、逃逸峰,会影 响低能y射线的全能峰分辨。使用剥谱法就无 能为力,一般使用逆矩阵法进行解谱。 若已知响应函数M(E,E ),则探测器测量 到的脉冲幅度谱可通过对响应函数和7能谱 (E)的卷积分得到: N(E)=fM(E,E ) (E,)扭 (1) 式中:M(E, )为探测器对能量为E的响应函 数。 反之,由测量到的脉冲幅度谱和计算的响 应函数矩阵,通过响应函数矩阵对脉冲幅度谱 进行反卷积分则可以得到7射线能谱。MC— NP4C[ 和EGSnrd:。]都可以用来计算探测器的 能量响应,计算精度基本一致[9],但是MC— NP4C计算效率要远低于EGSnrc。因此使用 EGSnrc程序对探测器能量响应进行了计算, 762 得出了对探测器直接测量的卷积分谱解谱所需 要的响应函数矩阵。在EGSnrc计算中除光电 倍增管之外对探测器的结构进行了尽可能精确 的模拟,如图3所示,为了能够在中子、7射线 混合场中测量7射线能谱,在最外层包了0. 1cm的Cd金属用来屏蔽热中子对探测器 LaC1s晶体的损害[1。。,中间是探测器的Al金属 包壳,内部是LaC1。晶体。单能7射线从半径 为2.15cm的探测器的顶部平行入射,与探测 器内物质相互作用,沉积在探测器内的能量被 记录成探测器的脉冲幅度谱。模拟计算只是计 算探测器的闪烁晶体,而谱仪的能量分辨还受 光电倍增管的影响,因此根据实验测量的不同 能量和其分辨率构成的能量分辨函数(3)对计 算得到的脉冲幅度谱进行高斯展宽[8]。 ——————————————— —————————————— —————————————— ————————————— —————————————÷ ——————————————— 图3探测器模拟示意图 R一娅E (3) 式中E为7射线能量,a、8由实验测量探 测器不同能量分辨率拟合所得的参数因子。响 应函数矩阵由能量0.01—8MeV的单能7射 线入射到探测器记录到的脉冲幅度展宽谱组 成。 3谱仪性能测试 为了检验LaCl。 谱仪的测试能力,用该谱 议对坫。Eu标准了源进行了测量,并用逆矩阵法 对测量得到的脉冲幅度谱进行解谱,解谱后 的 。Eu了能谱如图4a。 Eu7射线中分支比大 于1 以上的都可以在能谱上清晰看到(除 1085.9keV和11l2.1keV能量相差不大重叠 在一起)。测量到的不同能量的峰计数与实际 分支比符合较好,这是因为解谱的过程中已经 扣除了康普顿平台和逃逸峰对低能全能峰的影 响。为了对探测器进行纵向比较,同时使用 HPGe探测器测量了 Eu标准7源,测量能谱 如图4b。从a、b图中可以看出,HPGe探测器 测量能谱除了在分辨率方面优于LaCIs,其它 方面的性能基本一致。 ● _ - ● J 0.00 375.O0 750.O0 ll25.0O 1500.O0 Energy(keV) 图4 LaC13 HPG咆探测器测量 Eu能谱比较 4结论 本文提出将解逆矩阵的方法应用在LaC1。 无机闪烁丫探测器7能谱测量上。在此基础上 使用标准 源测量其不同能区的能量分辨率, 并测量相同体积的NaI探测器的分辨率来进 行比较,结果发现新型LaC1。探测器分辨能力 要远优于NaI探测器。同时使用EGSnrc程序 计算了探测器的能量响应,并根据谱仪系统在 不同能量的分辨对模拟计算的能量响应进行了 高斯展宽,构成对脉冲幅度谱进行解谱所需要 的逆矩阵。最后用 。Eu标准7源对探测系统 进行检测,并与HPGe探测器测量结果进行比 学出版社,2002 [3]I<.&Shah,et al,.LaC13:Ce Scintillator for Gam— rna Ray Detection EJ].Computer Physics ommu—C nications. [4]G_Gautier,et al,.SGC Technical Paper-Recent Progress in LaCl3(Ce),BfilLanCe,October 2004. [5]C n Arnbrosio,et al,.Study of LaC13:Ce light yield proportionality with a hybrid photomultiplier tube l-J].Nue1.Instr.and Metk A556(2006)187— 191 [6]http://、】ln忡.detectors.saint-gobain.corn/ I-6]Briesmeister,et al,.The MCNP Transport Code, Version 4B.LA一12625一M 1997. [7]L Kawrakow et al,.NRCC Report P Sept.21,2006 7O1 较,除能量分辨要低于HPGe之外,LaC1。探测 器无论在易用性、探测效率还是抗中子辐射方 面都要优于HPGe探测器。因此LaC1。探测器 将广泛应用于 能谱测量。 参考文献: [8]H.Itadzu,et al,.Ev ̄uafion of Response Func— tions of 1 6”x1 6”x4 Large-sized NaI Scintillation Detector for Environmental Gamma-ray Survey. Proceedings of the Second International Workshop on EGS,8.-12.August 2000,Tsukuba,Japan KEK Proceedings 200—20,pp.250—254 El-1陈伯显,等.核辐射物理及探测学I-M].北京:清华 大学工程物理系,2004 [9]13.D Milbrath,J.L Mcintyre,R C Runke,L E Smith,Decmber 2005。PNNI,1 5453. [2]谢一冈,等.粒子探测器与数据获取[M].北京:科 Application of Measurement of Gamma-ray Spectra by LaCI3 Detector WANG Xin—hua ,AN Li ,ZHEN Pu ,MOU Yun-feng , GUO Hai—ping ,ZHU Chuan-xin ,HE Tie ,CHEN Yuan (1.Institute of Nuclear Physics and Chemistry,CAEP,Box 919—213,Mianyang 621900,China; 2.School of nuclear science and technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China) (下转第777页,Continued on page 777) 763 and Nuclear Safety,Chinese Centre for Disease Control and Prevention Beijing 100088; 3.Cancer Hospital Chinese Academy of Medical Sciences Beiiing 100O21) Abstract:According to the NEMA NU2—2001<<Performance Measurements of Positron Emission Tomo- graphy))to measure the performance of PET/CT,report the results including spatial resolution,scatter fraction,count losses,and randoms measurement,accuracy:corrections for count losses and randoms, sensitivity,image quality,accuracy of attenuation and scatter corrections.The image quality by using 3D acquisitions mode is better than that by usig 2D acquinsitions mode. Key words:PET/CT;Performance Measurements;QC (上接第756页,Continued from page 756) Study of Total Ionizing Dose Radiation Effects on nitride/oxide stack gate MOS Capacitor CAI Xiao-wu,HA1 Chao-he,LU Jiang,WANG Li—xin,LIU Gang,LIU Meng-xin (Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China) Abstract:The aim of this paper is to investigate the total ionizig ndose(TID)radiation effects on MOS ca— pacitor with nitride/oxide stack gate.The stack gate MOS capacitors are fabricated with 20nm oxide, 40nm nitide for llOnm nitfide respectively.Through the analysis of CV curve of the irradiation capaei— tors。it is found tath the degradation of the CV curve is due to a significant increase of interface traps nd asomewhat smaller oxide charge.It is also shown that the thicker of the nitride,more interface traps and oxide charge ilwl be occurred. Key words:stack gate;interface traps;oxide charge;capacitors (上接第763页,Continued fom rpage 763) Abstract:The energy resolution of LaC13 and NaI detectors were calibrated with some standard gamma-ray sources.The results show that the energy resolution of LaC13 detector is better than NaI detector.In or— der to get more precision gamma-ray spectrum,the pulse height spectrm fuor gamma-ray measured by LaC13 detector will be unfolded by reverse-matrix.The energy response functions were simulated with EGSnrc code.The performance of LaC13 for gamma-ray spectrum was tested usig 。Eu.The resulnt of test was compared with the measured spectrum of HPGe detector and standard spectrum,the agreement among them was good in energy linearity,detected efficiency and energy resolution,respectively。There— fore,it shows LaCla detector has a better application prospect in the measurement for gamma-ray spec— tra. Key words:k l3(Ce件)detector;energy resolution;EGSnrc code;Gamma-ray spectra 777