溴化镧闪烁体的性能综述

自从伯尔尼和代尔夫特大学发现了LaBr_3.：Ce作为闪烁体，许多团体增加了我们对其性质的了解[1,2]。就其商业可用性而言，圣戈班水晶已经取得了很大进展。

此摘要报告Labr，主要从其他地方呈现或发布的结果绘制_3.:Ce探测器的性能，扩展结果到3”长，3”直径(“3x3”)晶体[3,4,5]。它并不试图进行全面的评论——读者必须记住，一般文献的一部分是在圣戈班网站www.crystals.saint-gobain.com上汇编的。

在本摘要的最后，有一个闪烁体特性表。这表明LaBr_3.: Ce晶体在能量接近1MeV时，比Nal（Tl）具有明显更快的衰减时间和优越的计时性能，并且比Nal（Tl）发出的光多60%。

相对效率和能量分辨率将在本总结中作为伽玛射线能量的函数进行介绍，重点介绍了LaBr的比较_3.: 3“x3”尺寸的Ce和Nal(Tl)探测器。性能也评估了温度和计数率，本征背景，和符合解决时间。

性能

能量分辨率与能量

LaBr极好的能量线性和高光输出_3.:Ce晶体决定了它们的能量分辨率。

在本小节显示的结果中，3”长，3”直径LaBr:Ce和Nal(Tl)探测器一起进行了分析。这些封装都是集成的，这意味着它们直接与一个3英寸直径的光电倍增管耦合。对LaBr_3.:Ce探测器，这是一个Photonis XP5300B，而Nal(Tl)与一个ETI 9305配对。

源与探测器在轴上，称为“端开”。一旦源从一种同位素改变为另一种同位素，距离就会改变，以达到合理的计数率（即每秒几千次）.每个探测器使用相同的距离，以便直接比较两个探测器。

比较从两个探测器对¹³⁷Cs (662 keV)。图1比较了3“x3”探测器的光谱。显示了32 keV的钡Ka x射线和源的662 keV的伽玛射线。在能量尺度上，光谱归一化到662 keV。

图1中还报道了662 keV光峰下面的区域，Nal(Tl)将其设置为100%。这为LaBr产生了118%的相对效率_3.:Ce单位，主要是由于其密度增强。Nal(Tl)的峰值在32 keV附近，略高于BrilLanCe 380探测器的峰值。这是因为Nal(Tl)在能量较低的情况下每keV产生的光略多于能量较高的，因为它是非线性的。

图1所示。3“x3”谱的比较¹³⁷c (662 keV) LaBr_3.:Ce检测器(红色)和NaI(Tl)(蓝色)

两个探测器的响应⁶⁰Co如图2所示，在这里可以看到在1173和1332 keV处的著名线。BrilLanCe 380单元在1332 keV时的能量分辨率比Nal(Tl)单元高出2.1%，后者仅为5.4%。因此，它的效率提高了43%。

此外，在BrilLanCe 380曲线中，有一条线在35kev区域。这是Ba x射线发射的结果¹³⁸这是本文将进一步讨论的背景。

对LaBr_3.:在2615 keV时，Ce探测器的能量分辨率为1.6% (²⁰⁸Tl在钍衰变链)，而Nal(Tl)的4.5%。这使得前者的效率提高了65%，如图3所示。

再一次，在2615kev的最高能量线上的光谱被归一化，并且，由于线性变化，在较低的能量下，两种材料之间出现了能量偏移。亚博网站下载对LaBr_3.:Ce套件在光谱分辨率方面的改进在多个能谱中变得尤为明显。在LaBr中，这条线在1500kev下可见_3.:Ce光谱是背景的结果，下面将进一步讨论。

图2。3“x3”谱的比较⁶⁰公司LaBr_3.:Ce检测器(红色)和NaI(Tl)(蓝色)

图3。钍衰变链3“x3”谱的比较。LaBr_3.:Ce检测器(红色)和NaI(Tl)(蓝色)

BriLanCe 380探测器的优势体现在低能量上。如图4所示，其中显示了对的响应⁵⁷由BrilLanCe 380探测器从122 keV线清晰地分辨出136 keV线，而Nal（Tl）则不是这种情况。在BrilLaCe 380光谱中还可以看到35千电子伏区域的钡X射线背景。

为了完成调查，a¹³³图5显示了两个探测器的Ba谱。在350 keV附近，LaBr谱线分离明显增强_3.：Ce检测器。两个探测器都可以看到略高于30千电子伏的突出线条，因为源发出Cs-Ka X射线。

图4。3“x3”谱的比较⁵⁷公司LaBr_3.:Ce检测器(红色)和NaI(Tl)(蓝色)

图5。3“x3”谱的比较¹³³英航LaBr_3.:Ce检测器(红色)和NaI(Tl)(蓝色)

本节的结果总结在表1中，表1列出了所提供的许多能量的相对效率和能量分辨率。在所有这些能量下，布里渊380探测器相对于Nal（Tl）的优势是显而易见的。

表1。3“x3”探测器响应与能量分辨率和相对效率

能量(凯文)	解析度	解析度	比
	LaBr3.: Ce	奈伊（Tl）	峰计数
122	6.6%	8.9%	1.05
356	3.8%	9.1％	1．06
662	2.9%	7.0%	1．18
1332	2.1%	5.4%	1.43
2615	1.6%	4.5%	１．６５

图6显示了能量解析对能量的良好性能。这些数据叠加在从较小的探测器和早期工作中提取的点上。正如线性探测器在统计上所期望的那样，能量分辨率忠实地遵循能量的平方根。从图6和表2中的数据可以得出结论，Nal(Tl)没有跟踪这个方案，尽管它没有被演示。

不过值得注意的是

的LaBr_3.: Ce闪烁体速度是Nal（Tl）的10倍以上，光输出是Nal（Tl）的1.6倍。在pmt中，这会产生非线性效应。如简单计算所示，瞬时电荷脉冲约为Nal（Tl）的25倍。这是基于1.6 pH比乘以更快速的时间系数250纳秒/16纳秒，具体为：25X=1.6X（250/16）。

非线性表现在两种不同的方式。首先，在那个能量点有一个好于预期的FWHM峰值。其次，与线性外推的预期相比，更高能量峰值的位置将处于更低的脉冲高度。

这种情况是否会发生，可以通过HV降低约100 V，以及FWHM线性度的改善和类似的边际降低来验证。圣戈班晶体公司正在选择具有改进线性特性的pmts，作为减少这些不良影响的一种方法。通常是8期pmts。

图6。能量分辨率是能量的函数

响应与温度

LaBr_3.如图7所示，随着温度的升高，Ce晶体的显著特性得以保留。在更高的温度下，光输出也比测试的其他晶体高得多。在室温和类似的高温下，在石油测井中有用的坚固的包_3.:Ce发出160%的Nal(Tl)的光输出，最近的测试已经证实。

反应和速度

考虑到LaBr晶体和Nal(Tl)之间的衰减时间相差10倍，有一个预期的高速率性能，如图8所示。对于这些测量，使用了1“x1”晶体，每个检测器使用相同的8575光电倍增管，由一个常数分数鉴别器和一个定时滤波器放大器进行。

通过改变源位置和强度，调整速率。在本演示中验证了材料之间的预期差异，但是详细结果仍然高度依赖于所亚博网站下载选择的电子配置。

图7。光电倍增管保持恒温时闪烁体的温度响应。¹⁵

图8。反应和速度

巧合解决时间

对LaBr_3.:Ce晶体具有极好的时序特性，从其高光输出和衰减时间特性可以预料到。在本摘要底部的闪烁属性表中，这是由优点图一栏提出的。在第三列中，优点值(FOM)是衰减时间除以光输出的平方根。与其他闪烁体相比，这是预期定时性能的指示。

LaBr_3.Ce晶体的速度非常快，可以根据光的传播时间和晶体的大小来决定计时结果，如图9所示。不同的研究小组已经证明衰减时间只是上升时间的一个基本指标，而上升时间是一个更有启发性的参数。然而，后一个参数非常依赖于光电倍增管的选择，并且更难测量。

图9a显示了多种尺寸LaBr的代表性符合解析时间（CRT）_3.: Ce探测器。数据是通过使用两个Photonis XP20Y0光电倍增管(PMTs)获得的。为了被测量，PMT作为停止通道被耦合到晶体上。另一个PMT连接一个4x4x5 mm的LaBr_3.:Ce晶体，专用START晶体。

以前，这种晶体是用115 ps的“单通道”阴极射线管值测量的。这个术语表示的是一个与无限快的通道相比较的值。一个²²Na源用于获取CRT数据。为了在每个通道中计数导致511kev光峰值的事件，系统以特定的方式门控。

LaBr_3.:Ce有一个更好的CRT，如图9a所示。对晶体大小的依赖也是可见的，随着光的通过时间和晶体变大而增加。由于Photonis XP20Y0是一个管直径51毫米，76毫米点是一个特殊情况。这是因为Photonis CP20Y0不完全覆盖晶体。

放置反射环以覆盖窗口的面积，当测量较大直径的晶体时未被PMT覆盖。虽然这种几何形状对CRT的影响尚未被量化，但假设它增加了其价值。

图9b显示了单通道阴极射线管，该阴极射线管使用标准PMT测量了许多几何形状，PMT有一个平面-平面面板。因为它可以保持LaBr惊人的能量分辨率_3.：Ce晶体，标准PMTS，这是一个关键点。

值得注意的是，CRT严重依赖于PMT。例如，XP2060 38毫米PMT的性能比大型PMT差得多。

图9A。巧合解LABR的时间（CRT）_3.:Ce探测器作为晶体最长尺寸的函数，用具有平凹面板的快速计时pmt测量。

大小(毫米)*	CRT * * (ns)	PMT大小(毫米)	PMT * * *类型
25 25	1.08	38	XP2060
38x38	0.36	51	R6231
51x51	0.45	56	XP5500
76年x76	0.49	76	XP5300

*右圆柱形晶体的直径和长度。
**CRT是符合解析时间（单通道）
***这些是带有plano-plano光电阴极面板的标准PMT。

图9B。用LaBr测量511 keV时的定时_3.：Ce集成探测器

¹³⁸洛杉矶²²⁷交流背景

对于66.45%的衰变，采用表2.9中所示的相同衰变方案，¹³⁸La是La的天然放射性同位素，丰度为0.09%。¹³⁸洛杉矶产生兴奋¹³⁸Ba经过电子俘获(EC)。这随后通过发射1436kev伽马衰变。

电子壳层的重新填充是电子捕获的一个必要的副产品。这导致钡x射线在35kev区域发射。剩余的33.6%的衰变通过发射进行到¹³⁸而它的端点能量为255kev。

自计数法可以方便地测量背景光谱。如图10所示，在低本底腔中，1.5“x1.5”探测器(38x38毫米)计数约3天(278278秒)的光谱。

如果从左到右回顾自计数谱，首先是低能下的连续谱¹³⁸洛杉矶。这个衰变¹³⁸其中789kev伽马完全逃过了探测器。这个只有beta的光谱一直延伸到它的255kev端点。

在大约255-750 keV范围内，789和1436 keV伽玛射线的康普顿连续体被显示在光谱中。当我们继续到更高的能量，789 keV线是下一个。然而，由于它与β相一致，它在γ + β连续体中被涂抹到一个增强的能量，最终略高于1兆电子伏。

最终，可以看到1436keVγ，然而，由于在K-Electron捕获后填充BA k水平引起的X射线的重合捕获，它被大约37keV至1473kev移位到较高的能量。．同样，1436keV伽玛加5kev导致1473线的低能量侧的驼峰接近1441kev，由于在L-电子捕获后Ba L级填充时X射线的重合捕获。

在图10中，由于MCA的鉴别器设置，在37kev下的Ba K x射线只能部分看到。1473 keV的总和线可以用作校准峰，具有可测量和恒定的活性，可以在统计范围内进行减除，以确定40 K，即使它可能干扰1441 keV的40 K的检测。

图10。LaBr的自计数背景谱_3.: Ce探测器

表2。¹³⁸LA衰变计划。（从8^th版本，同位素表)⁹

图11所示为1750 keV以上能量的背景数据。发现存在低水平的阿尔法污染物。这些已经被证明是由²²⁷Ac污染。¹⁰该项目早期生产的探测器含有更高水平的阿尔法发射器，随后的工艺改进将其降低到¹³⁸La现在产生了主要的背景特征。

图11。自计算背景计数到3000 kev

表3总结了探测器的整体背景，约为38x38 mm。

表3。背景计数率/cc从1.5“x 1.5”探测器

．	．
0.226 cps / cc	0-255 keV连续体
0.065 cps / cc	790kev - 1000kev +
0.068 cps / cc	1468年γ峰
0.034 cps / cc	1600 keV以上的阿尔法

辐射硬度

报告展示LaBr_3.: Ce相对较好的抗辐射性能正在变得可用^11,12.．这些论文的作者得出结论，这种材料可能对太空任务有用，因为它能很好地对付质子，并充分处理伽马辐射。

在1kgy下，未封装晶体的光输出下降(约8%)⁶⁰射线照射。662 keV的脉冲高度分辨率也从3.0%下降到3.8%。在此之后，病情恶化的速度明显放缓。即使暴露在111 kGy(82%光输出和4.8%半whm)下，性能仍然有用。

这些作者的数据表明，随温度和时间的恢复充其量是不完整和缓慢的。相关研究表明，包装的细节对抗辐射性也很重要¹³．值得注意的是，这种抗辐射性能明显优于Csl(Tl)或Nal(Tl)。

机械强劲

至少与Nal（Tl）和LaBr一样坚固_3.:Ce是一种坚固的闪烁晶体。对于在钻井作业中进行测量时使用在钻头后的系统，两种材料的适当包装的探测器是合适的。亚博网站下载这些探测器能够承受200摄氏度的温度，30克随机振动，和1000克冲击。

LaBr的热膨胀系数_3.不是各向同性的，它具有不对称的晶体结构。首先，这种制造的晶体在冷却至室温时，用槽压裂产生问题。Saint-gobain晶体具有显着改善生长过程，并且现在能够生长足以制造244mm长和直径为97mm的检测器的铸锭。一旦生长并冷却到室温，材料就会变得非常稳健。

闪烁体特性表¹⁴

闪烁体	光产额（光子/keV）	1/e衰减时间t（ns）	F.O.M.√(t / LY)	最大发射波长λm（nm）	λm处的折射率	密度（g/cm）3.）	厚度(cm) 50%衰减(662 keV)
奈伊（Tl）	38	250	2．6	415	1.85	3.67	2．5
LaBr3.: Ce	63	16	0．5	380	1.9∼	5.08	1.8
巴夫2	1.8	0．7	0．6	∼210	1．54	4.88	1．9
LYSO	33	36	1．1	420	1．81	7．1	1．1
BGO	9	300	５.８	480	2．15	7.13	1.0

脚注

由C. M. Rozsa, Peter R. Menge和mr . R. Mayhugh编辑。最初准备由圣戈班晶体公司于2006年11月在加州圣地亚哥的IEEE NSS/MIC上分发。

¹E.V.D. van Loef, P. Dorenbos, C.W.E van Eijk, H.U. Gudel, K.W. Kraemer, Applied Physics letters, 77, 1467-1469(2000)。

²E.V.D. van Loef, P. Dorenbos, C.W.E van Eijk, H.U. Gudel, K.W. Kraemer，应用物理学报，79,1573-1575(2001)。

^3.Peter R. Menge, G. Gautier, A. Iltis, C. Rozsa, V. Solovyev将发表在2006年辐射测量和应用研讨会论文集上，MI Ann Arbor (2006)

⁴A. Iltis, M. R. Mayhugh, P. R. Menge, C. Rozsa, O. Selles, V. Solovyev, III高级过渡辐射探测器程序讲习班，意大利奥斯stuni, 2005年9月7日至10日，将在Nucl上发表。Instr。和冰毒。一个。

⁵C.M.Rozsa，M.R.Mayhugh，P.R.Menge在罗得岛普罗维登斯第51届健康物理学会年会上的演讲，2006年6月27日。可在我们的网站上获得。搜索Rozsa或健康物理学。

⁶Ni（Tl）、CsI（Na）、CSI（Tl）、塑料闪烁体（BC438）和BGO的温度数据来自C.M. Rozsa等人的“测井闪烁体的特性到225°C”，为1989年10月的IEEE核科学研讨会作准备。PMT保持在室温附近。布里渊380（LaBr）的温度响应亚博老虎机网登录_3.:Ce)和BrilLanCe 350 (LaCl_3.:Ce)是在2005年年中在高温包装中测量的，同样在室温附近保持PMT等温。为了覆盖这两个时代的温度曲线，BrilLanCe 380 (LaBr_3.:Ce)和BrilLanCe 350 (LaCl_3.:Ce)是通过比较低温包中的1”直径× 1”长晶体与同样大小的低温包中的NaI(Tl)来测量的。结果表明，在室温下，在130%和75%的NaI(Tl)下的曲线如图所示。如文中所述，后来的数据显示BrilLanCe 380 (LaBr_3.:Ce)在室温下超过160%的NaI(Tl)，最近的数据都是在高温钛蓝宝石包中获得的。其他组报告相似的室温光输出，160% NaI(Tl)或更高。

⁷G. Bizarri, J. T. M. de Haas, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, Phys。Stat. Sol. (a) 203, No. 5, R41 - R43 (2006)

⁸有关详细信息，请在detectors.saint-gobain.com上搜索弗拉基米尔·索洛维耶夫的《高计数率》或《注519》。

⁹同位素表，第八版。Richard B. Firestone, virginia S. Shirley, Ed. John Wiley & Sons (1996)

¹⁰T.W. Hossbach, W.R. Kaye, E.A. Lepel, B.S. McDonald, B.D. Milbrath, R.C Runkle, L.E. Smith。原子核仪器与物理研究，第1卷，第2-3期，第504-510页，2005年8月1日

¹¹LaBr中的伽玛射线辐射损伤_3.：5％CE和LACL_3.：10%铈闪烁体。W.Drozdowski、P.Dorenbos、A.J.Bos、S.Kraft、E.J.Buis、E.Maddox、A.Owens、F.G.A.Quarati、C.Dathy和V.Ouspenski，《IEEE核科学交易》，第54卷，第4期，2007年8月，1387年亚博老虎机网登录

¹²质子剂量、晶体大小和铈浓度对LaBr闪烁产额和能量分辨率的影响_3.:Ce W. Drozdowski, P. Dorenbos, A. J. J. Bos, J. T. M. de Haas, S. Kraft, E. Maddox, A. Owens, F. G. A. Quarati, C. Dathy, and V. Ouspenski . IEEE Transactions on Nuclea亚博老虎机网登录r Science, Vol. 54, No. 3, 2007年6月

¹³Ø1“×1”LaBr中γ射线引起的辐射损伤_3.5%Ce Winicjusz Drozdowski, Pieter Dorenbos, Adrie J.J. Bos, Alan Owens, Francesco, G.A. Quarati(通过预印本进行私人交流)

¹⁴2007年版本反映了修正后的brilliant材料的密度和衰减系数。亚博网站下载

¹⁵2009年版本反映了新的温度响应数据。

这些信息来源于圣戈班水晶公司提供的材料。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问圣戈班晶体。